Лекция (855794), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Поэтомуканал проводимости приобретает форму воронки сужением к стоку.iсIс..нас.Uз0=0- Uз1 Uз0- Uз2 Uз1- Uз3 Uз2-uзи -Uз.отсuси0Рис.1.12Для полевых транзисторов представляет интерес два семейства вольтамперных характеристик: стоковые (выходные) и стоково-затворные(переходные) характеристики.На рис.1.12 (слева от нуля) показана переходная характеристикаполевого транзистора: зависимость тока стока от напряжения на затворе.Закон изменения этой характеристики близок к параболическому и можетбыть описан ниже приведенной зависимостью:uз 2iс  I с. нас. (1 ) .U з.отс.Выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора суправляемым p-n переходом находятся на рис.1.12 справа от нуля. Видхарактеристик примерно такой же, как выходные характеристикибиполярного транзистора. Однако, управляющим параметром сквозного(стокового) тока полевого транзистора является входное напряжение uзи,тогда как управляющим параметром сквозного (коллекторного) токабиполярного транзистора является входной базовый ток iБ.18Полевой транзистор управляется напряжением, а биполярныйтранзистор – током.

Это основное отличие двух типов транзисторов.Кроме того, у полевого транзистора канал проводимости отделен отзатвора p-n переходом, смещенным в обратном направлении.Следовательно, входной ток затвора определяется неосновныминосителями перехода, а он весьма мал. Значит, входное сопротивлениеполевого транзистора много больше входного сопротивления биполярноготранзистора.

Это вторая существенная особенность полевого транзистора.Степень усилительных возможностей полевого транзистора определяетiкрутизна переходной характеристики S  c . Продифференцировавu зприведенноесоотношение получим выражение для определения крутизныпереходной характеристики в различных точках.uз 2 d  I с.нас. (1 ) Uic2Iuзз.отс. dicS  с.нас. (1 ).u зdu зdu зU з.отс.U з.отс.Максимальная величина крутизны, как это видно на характеристике рис.46,будет при Uз=0.

Тогда:2IS max   с.нас. ,U з.отс.uзS   S max (1 ).U з.отс.МДП транзисторы с встроенным каналомПолевые транзисторы с изолированным затвором имеют очень большоевходное сопротивление, позволяют работать как при отрицательных, так иположительных напряжениях на затворе, а также через прибор можнопропускать значительно большие токи.Различают две разновидности полевых транзисторов с изолированнымзатвором:1. Транзисторы с встроенным каналом.2. Транзисторы с индуцируемым каналом.На рис.1.13,а показана конструкция МДП транзистора с встроенным nканалом.

Канал проводимости зажат между слоем p полупроводника,называемым подложкой, и изолятором.Обычно вывод подложки соединяют с истоком в процессе производстваприбора или внешним проводом. Металлический контакт затвора отделен отпроводящего канала диэлектриком (окислом кремния) Отсюда названиеприбора МДП: металл, диэлектрик, полупроводник.19СтокСтокПодложкаnМеталлЗатворpЗатворМеталлПодложка_ Ес+(-)Исток+г)б)nОксидЕзСтокПодложкаИстокЗатвор-(+)Истокд)в)а)Рис.1.13Наличие диэлектрика в цепи управления делает входное сопротивлениеприбора практически равным бесконечности. Кроме того, слои металл –диэлектрик- полупроводник (рис.1.13,б,в) можно рассматривать какконденсатор. Если сообщить одной пластине, например, положительныйпотенциал, то к противоположной пластине будут подтягиватьсяотрицательные заряды.iсiсUз=+2Uз=+1Iс..нас.-uзи Uз.отсUз=01Uз=-1Uз=-2uси0 +-uзи 0а)б)Рис.1.14Концентрация свободных электронов в n полупроводнике достаточновелика.

Предположим, что напряжение между затвором и истоком Uз=0. Приприложении напряжения между истоком и стоком, плюсом к стоку в случаеМДП транзистора с n каналом, свободные электроны будут двигаться всторону стока, образуя электрический ток (точка 1 на характеристикерис.1.14,а).Если приложить положительное напряжение между затвором и истоком, тов канал начнут подтягиваться электроны, создавая отрицательный заряд, чтоприводит к обогащению канала свободными электронами, увеличивая, тем20самым, стоковый ток. Очевидно, что чем больше положительное напряжениемежду затвором и истоком, тем больше будет стоковый ток.При подаче отрицательного напряжения Uз свободные электроны будутвыталкиваться из канала проводимости, обедняя его свободныминосителями, уменьшая, тем самым, стоковый ток.Выходная характеристика МДП транзистора показана на рис.

1.14,б.Количественные зависимости, связывающие стоковый ток и крутизну снапряжением на затворе такие же, как и для полевого транзистора суправляющим p-n переходом.Графическое изображение МДП транзисторов с встроенным n и p каналамиприведены на рис. 1.13,г,д соответственно. МДП транзисторы с p каналомотличаются тем, что проводимость между истоком и стоком определяетсясвободными дырками p канала. В этом случае полярность внешнихисточников необходимо изменить на противоположную.МДП транзисторы с индуцируемым каналомКонструкция МДП транзистора с индуцированным затвором показана нарис.1.15,а.СтокСтокПодложкаМеталлnЗатворpЗатворМеталлПодложкаИсток+б)_ Ес+ОксидЕзnСтокПодложкаИстокЗатвор-Истока)в)Рис.1.15Этот транзистор, как и биполярный транзистор, состоит из трехслойнойструктуры p-n-p или n–p-n.Рассмотрим принцип работы прибора на основе n–p-n структуры.

Крайниеслои (в данном случае p слои) имеют внешние выводы, называемые истокоми стоком. Вывод среднего слоя называется подложкой. Обычно подложкусоединяют со стоком. С другой стороны слой p изолирован слоем окисикремния от внешнего вывода, называемым затвором. Если напряжениемежду затвором и истоком будет равно нулю, то при приложениинапряжения между истоком и стоком, плюсом к стоку (для структуры n–p-n)21ток стока будет отсутствовать.

Это объясняется тем, что стоковый p-nпереход находится под обратным напряжением, потенциальный барьервесьма высок и через него, как и в случае биполярного транзистора, течет токнеосновных носителей, а он пренебрежимо мал.iсiсUз=+8Uз=+6Iс1.Uз=+41Uз=+2Uз= Uз.отс0Uз.отсUз1+uзиuси0а)б)Рис.1.16Если приложить положительное напряжение между затвором и истоком, тов силу эффекта конденсатора из глубины слоя среднего слоя pполупроводника к области затвора будут подтягиваться свободныеэлектроны, образуя тонкий проводящий канал между стоком и истоком. Чемболее положительный будет потенциал затвора, тем больше будет ток стока.Переходные и выходные характеристики МДП транзистора с индуцируемымканалом показаны на рис.1.16,а,б соответственно.Переходная характеристика описывается выражением:I c  K (U з  U з.отс.

) 2 , или I c  S (U з  U з.отс. )где коэффициент K зависит от типа транзистора. В справочникеприводится какое-то значение Iс1 при Uз1(например, для точки 1характеристики 1.16,а). Зная Uз.отс, что также является справочнойвеличиной, находится коэффициент K. Далее можно найти стоковый токдля любого напряжения на затворе.Символическое изображение МДП транзисторов с индуцируемым n и pканалами показаны на рис.1.15,б,в соответственно.При эксплуатации МДП транзистора с p каналом полярность внешнихисточников питания меняется на противоположную (на сток подаетсяотрицательный потенциал относительно истока и на затвор подаетсяотрицательный потенциал относительно истока).Резюмируя все выше изложенное, следует отметить, что:1. Все полевые транзисторы обладают очень большим входнымсопротивлением (десятки и сотни мОм) и работают практически безпотребления входного тока.222. Полевые транзисторы с управляемым p-n переходом (с n каналом)работают в обрасти отрицательных напряжений на затворе(рис.1.12).3.

МДП транзисторы с встроенным каналом (с n каналом) работаюткак в обрасти отрицательных, так и в области положительныхнапряжений на затворе (рис.1.14,а.4. МДП транзисторы с индуцируемым каналом (с n каналом)работают в обрасти положительных напряжений на затворе(рис.1.16,а) Такие транзисторы в режиме ключа чаще всегоиспользуются в устройствах силовой электроники..IGBT транзисторыБиполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT транзистор)сочетание биполярного транзистора по выходной цепи и полевого по еговходу (рис.1.17, а).ЭЗ(с)iкЗКЗuзЭЭэа)n2n1Кб)(и)p1(к)(э)к(б)p2в)Рис.1.17Биполярный транзистор имеет малое падение напряжения припропускании значительных токов в ключевом режиме, тогда как полевойтранзистор, включенный на входе биполярного транзистора, обеспечиваетбольшое входное сопротивление по цепи управления, что обеспечиваетмалое потребление мощности от формирователя управляющих сигналов.IGBT транзисторы нашли широкое применение в устройствах силовойэлектроники.

Подача положительного импульса входного сигнала междузатвором и истоком полевого транзистора обеспечивает его проводящеесостояние. Сток полевого транзистора соединен с базой биполярноготранзистора. В этом случае начинает протекать ток по цепи: эмиттер база23биполярного транзистора, сток исток полевого транзистора, обеспечиваяоткрывание биполярного транзистора и протекание его тока iк.В приведенной схеме эмиттерный вывод биполярного транзистораиграет роль коллектора IGBT транзистора. Символическое изображениеIGBT транзистора показано на рис.1.17,б. На рис.1.17,в показанаупрощенная структура IGBT транзистора. Cлои полупроводноков p1-n2-p2образуют выходной p-n-p транзистор. Cлои n1-p1-n2 образуют полевойтранзистор с индуцированным каналом.Современные технологии позволяют выпускать IGBT транзисторы натоки сотен ампер и допустимые напряжения нескольких киловольт ирабочие частоты – десятки килогерц.Как видно, на входе рассмотренной структуры стоит полевойтранзистор, который наряду с большим входным сопротивлением обладаетдостаточно большой входной емкостью (тысячи пикофарад).

Этообстоятельство предъявляет особые требования к формирователямимпульсов управления, т.к. они должны обеспечить ток заряда этихемкостей.1.9. ТиристорыТиристор играет роль ключа в электронных схемах. Также как итранзистор, тиристор имеет входную цепь управления и цепь сквозноготока. Однако, если в транзисторе величина сквозного (коллекторного илистокового) тока зависит от наличия и величины входного сигнала, то вслучае использования тиристора появление сквозного тока зависит отмомента появления управляющего сигнала и не зависит от егодлительности и определяется только параметрами внешней цепи.

Этообъясняется наличием внутренней положительной обратной связи вструктуре прибора.АIвыхIвхiaуэКа)б)в)г)д)е)Рис.1.18Тиристоры, которые могут проводить ток только в одном направлении,играют роль управляемого диода. Поэтому, обладая триггерным эффектом,на вход прибора достаточно подать управляющий сигнал в виде узкого24импульса включения и нет необходимости поддерживать его на всем этапепроводящего состояния тиристора.Символическое обозначение однооперационного тиристора показано нарис.1.18,а. Типичная вольтамперная характеристика показана на рис.1.19,а.iaE/R2IaIaRIIIIудIV1-ia0I_ЕуэiуII-ua+uaE Uперб)а)Рис1.19Характеристика имеет четыре отличительных участка: Участок IV соответствует отрицательному потенциалу анодаотносительно катода.

Характеристики

Список файлов лекций