Лекции по „Основи електроніки та електротехніки”

Підставивши в формулу ( ) значення струму емітера I_E=I_C+I_B , для струму колектора одержимо

Другий член у правій частині рівняння ( ) являє собою наскрізний тепловий струм колектора I^*_C0 при розімкнутому колі бази (I_B=0) аналогічно струму I_со У схемі ЗБ при I_E= 0, тобто

Загальний струм колектора з  урахування ( ) та ( ) визначається з виразу ( ):

Сім'я вхідних характеристик  транзистора для схеми ЗЕ I_B=j(U_BE)_U(CE)=const  показана на рис.. При U_CE=0 вольт-амперна характеристика аналогічна прямій вітці характеристики діода. Зі збільшенням напруги на базі базовий струм експоненціальне збільшується, переходячи в лінійну залежність при порівняно невеликому струмі бази.

Вихідні характеристики транзистора  для схеми ЗЕ відображують залежність I_C=j(U_CE)_I(B)=const (рис.) і описуються співвідношенням ( ). При малих напругах на колекторі 0,2—0,3 В струм колектора не залежить від струму бази, а характеристики зливаються в одну лінію (область насичення). При I_B=0  I_C=I^*_CO . Зі збільшенням вхідного струму бази згідно з рівнянням ( ) збільшується струм колектора, тому при I_B>0 криві зміщуються вверх від характеристики I^*_C0 . Як видно з графіка, струм I_C при u_ce >0,2—0,3 В слабо зростає з підвищенням напруги u_ce . Це свідчить про дифузійний характер переміщення неосновних носіїв заряду через базу, що не залежить від електричного поля колектора. При u_ce = u_ce(br) відбувається пробій колекторного переходу і колекторний струм різко зростає. Такий режим роботи транзистора є неприпустимим.

У схемі ЗК транзистора (див. рис.) вхідним струмом, як і для  схеми з ЗЕ, є струм бази I_B а вихідним — струм емітера I_E . Коефіцієнт передачі струму в цій схемі

дещо більший ніж  у схемі ЗЕ. Схема ЗК підсилює також потужність Оскільки I_E»I_C для графічного аналізу схеми ЗК використовують сім'ї статичних характеристик схеми ЗЕ.

Біполярний  транзистор в динамічному режимі. В практичних пристроях промислової електроніки найбільшого поширення набула схема ЗЕ, що має найбільше підсилення потужності. При цьому в коло вихідного електрода транзистора вмикається опір навантаження R_C , а в коло вхідного електрода — джерело вхідного сигналу з електрорушійною силою e_Д ( ). Лише при наявності опору навантаження можливий процес підсилення напруги і потужності вхідного сигналу.

В схемі на рис. зміни колекторного струму транзистора залежать не лише від змін базового струму, а й від змін напруги на колекторі

яка, в свою чергу, визначається змінами як базового, так і колекторного струмів. Таким чином, одночасно змінюються всі струми і напруги в транзисторі. Такий режим роботи транзистора називають динамічним, а характеристики, що визначають зв'язок між струмами і напругами транзистора при наявності опору навантаження, динамічними характеристиками.

Динамічні характеристики будують на сім'ї статичних характеристик за заданими значеннями напруги джерела живлення колекторного кола e_c та опору навантаження R_С. Для побудови вихідної динамічної характеристики (рис.) використовують рівняння динамічного режиму (), яке являє собою рівняння прямої, оскільки при змінній величині I_с стоїть сталий коефіцієнт, що дорівнює чисельно R_С. Тому достатньо знайти відрізки, що відсікаються прямою на осях координатної системи (I_C,U_CE).

Якщо I_C = 0, то u_ce = e_c і при u_ce = 0  I_C = E_C/R_C . Відклавши на відповідних осях напругу, що дорівнює Е_C , і струм, що дорівнює E_C/R_C, через одержані точки проводять пряму AG, яку називають лінією навантаження. Вихідна динамічна характеристика є геометричним місцем точок перетину лінії навантаження зі статичними характеристиками. Використовуючи динамічну колекторну характеристику, можна для будь-якого значення колекторного струму знайти відповідні значення напруги на колекторі та струму у вхідному колі I_B. Лінію навантаження можна побудувати також, якщо з точки G провести пряму лінію під кутом y = arctg R_C .

Для визначення напруги  на базі транзистора u_be (вхідної напруги) будують вхідну динамічну характеристику простим перенесенням точок I_B, u_ce з вихідної динамічної характеристики на сім'ю статичних вхідних характеристик (рис.). Значення відповідних базових напруг визначаються абсцисами цих точок (на рис. в зображено лише ділянки C'D' вхідної динамічної характеристики).

Точку перетину лінії  навантаження зі статичною характеристикою при заданому струмі І_В2=І_0В , що визначається джерелом зміщення Е_В , називають робочою точкою, а її початкове положення на лінії навантаження (за відсутності вхідного змінного сигналу) — точкою спокою р. Точка спокою визначає струм спокою вихідного кола І_0С та напругу спокою U_ОС . При цьому рівняння динамічного режиму має вигляд

Місцезнаходження точки  спокою визначається призначенням схеми, в якій використовується транзистор, значенням та формою вхідного сигналу і т. д. Якщо, наприклад, вхідний сигнал симетричний (на рис. показаний такий сигнал синусоїдальної форми) з амплітудою вхідної напруги U_Bm та амплітудою вхідного струму I_bm , то точку спокою р вибирають приблизно посередині лінії навантаження. При цьому в колекторному колі протікає струм з амплітудою I_cm , а на колекторі виділяється напруга з амплітудою U_cm.

Якщо в вихідне коло транзистора ввімкнути зовнішнє навантаження (на рис. це коло показане пунктирною лінією), то, очевидно, що загальним опором колекторного навантаження змінному струмові буде опір R’_H=R_CR_H/(R_C+R_H), і динамічну характеристику змінного струму слід провести через точку спокою під кутом y’=arctgR’_H (пунктирна лінія на рис.).

Режим роботи транзистора, за якого робоча точка не виходить за межі ділянки BF лінії навантаження, називають лінійним, або підсилювальним режимом. При цьому зі зміною вхідного (базового) струму пропорційно змінюється вихідний (колекторний) струм.

Біполярні транзистори  широко використовують у пристроях  підсилення, генерації та перетворення електричних сигналів як безперервної, так і імпульсної дії. Вони є також основою інтегральних мікросхем.

Польові транзистори

На відміну від біполярних польові транзистори є уніполярними напівпровідниковими приладами, оскільки протікання в них струму обумовлено дрейфом носіїв заряду одного знака в поздовжньому електричному полі через керований канал р- або п-типу. Керування струмом через прилад здійснюється поперечним електричним полем (а не струмом, як в біполярних транзисторах), про що свідчить сам термін «польові транзистори». Таким чином, принцип роботи польового транзистора в загальних рисах грунтується на тому, що зміна напруженості поперечного електричного поля змінює провідність каналу, по якому протікає струм вихідного кола.

У пристроях промислової  електроніки застосовуються дві  різновидності польових транзисторів: із затвором у вигляді р-п-переходу та з ізольованим затвором. Принцип роботи, характеристики та параметри обох різновидів однакові.

Польові транзистори  з  керуючим р-п-переходом. Розглянемо принцип роботи польового транзистора площинної конструкції з затвором у вигляді р-п-переходу (рис.), схема ввімкнення якого із загальним витоком показана на рис.

Прилад складається  з пластини кремнію з електропровідністю п-типу, що являє собою канал польового транзистора, до торців якої приєднані два металічних контакти, що називаються витік і стік. По слідовно до цих електродів подається напруга джерела живлення Е_D i опір навантаження. Напруга джерела живлення має таку полярність, щоб потік основних носіїв заряду (в каналі n-типу електронів) переміщувався від витоку до стоку. На протилежні грані пластини введені акцепторні домішки, що перетворюють поверхневі шари її в області напівпровідника p-типу. З'єднані електричне разом, ці шари створюють єдиний електрод, який називають затвором. При цьому між каналом та затвором створюються два р-n-переходи.

Провідність каналу визначається його перерізом.  Змінюючи напругу на затворі U_DS , що зміщує при вказаній на рис., а полярності джерела Е_D переходи в зворотному напрямі,  можна змінювати переріз каналу (за рахунок розширення або звуження збіднених шарів переходів), а отже, опір каналу та протікаючий через нього струм. При u_GS= 0 струм стоку I _D в каналі має максимальне значення I_Dsat (струм стоку насичення, рис. ), оскільки переріз каналу максимальний. При збільшенні зворотної напруги U_GS збіднені шари р-n-переходів розширюються, зменшуючи переріз каналу, через який протікає струм між витоком та стоком. При напрузі відсікання U_GS0 переріз каналу зменшується практично до нуля, і струм I_D припиняється. При цьому витік і стік ізольовані один від одного. Розглянуті процеси ілюструє стокзатворна характеристика I_D=j(U_GS)_U(DS)=const. (рис.). Таким чином, керування струмом стоку (основного кола) майже безструмне, оскільки на затвір подається зворотна напруга і через нього протікає лише зворотний струм р-n-переходу.

На рис. показана сім'я  стокових вихідних характеристик I_D=j(U_DS)U_GS=const. Розглянемо характеристику сім'ї при напрузі на затворі U_GS=O. При подачі на стік позитивної відносно витоку напруги (рис. ) і її збільшенні струм стоку зростає за нелінійним законом. Нелінійний характер струму стоку пояснюється тим, що із зростанням напруги u_DS , яка зміщує р-n-переходи також в зворотному напрямі, переріз каналу зменшується, причому тим більше, чим ближче до стоку, оскільки спад напруги в каналі за рахунок струму стоку росте від U_DS(0)=0 на витоку до U_DS на стоку. При цьому провідність каналу зменшується і зростання струму сповільнюється. Коли напруга на стоку досягає рівня так званої напруги насичення U_DS= U_DSsat, відбувається повне перекриття збідненими шарами каналу на стоку (у витоку переріз каналу залишається попереднім, оскільки U_DS(0)=0. При цьому подальше збільшення U_DS приводить до слабкого збільшення струму стоку, оскільки одночасно збільшується опір каналу, а струм стоку досягає значення струму насичення I_dsat. Очевидно, що при U_GS. Режим пологої ділянки вольт-амперної характеристики називають режимом насичення.

За умови IU_GSI>0 під дією двох напруг U_GS та U_DS розширюються збіднені шари і зменшується переріз каналу, напруга насичення зменшується і для будь-якого значення напруги на затворі U_GS становить

Зі зменшенням напруги U_DSsat зменшується також струм насичення I_DSsat стоку. В робочому режимі використовують пологі ділянки вихідних характеристик. За умови великих напруг на стоку настає пробій структури. Тому в робочому режимі перевищення максимально допустимої напруги стоку неприпустиме. Основні параметри польового транзистора такі:

 крутість характеристики керування

що характеризує підсилювальні  властивості приладу. Числові значення цього параметра становлять 0,1 ... 10 мА/В;

      внутрішній опір транзистора

Оскільки на пологих ділянках вихідних характеристик (ділянка насичення) струм стоку змінюється дуже мало, то цей параметр має значення сотень кілоом — одиниць мегаом;

     вхідний опір

Він являє собою диференційний  опір р— n-переходу, зміщеного в зворотному напрямі. Оскільки струм затвору I_G визначається зворотним струмом переходу, то вхідний опір польових транзисторів дуже великий: 10⁶ ... 10⁹ 0м.

Крім вказаних параметрів, польові  транзистори характеризуються граничною  частотою f_S, на якій модуль крутизни характеристики керування зменшується в раз, вхідною C_GS, прохідною С_GD та вихідною С_GD ємностями, а також допустимою потужністю розсіювання P_m. Слід зазначити, що параметри польових транзисторів, як і інших напівпровідникових приладів, залежать від режиму роботи, температури, а також від геометрії елементів структури.

Польові транзистори  з ізольованим затвором. На відміну від польвих транзисторів із затвором у вигляді р—n-переходу у польових транзисторів з ізольованим затвором між металічним затвором : областю напівпровідника є шар діелектрика (МДН-транзистори).  Оскільки як діелектрик звичайно використовують двооксид кремнію SiO₂, то транзистори із структурою метал— оксид— напівпровідник дівають МОН-транзисторами. В них підкладку роблять із слаболегованої кремнієвої напівпровідникової пластинки, яка має провідність n- або p-типу. Є дві різновидності МОН-транзисторів: із вбудованим (рис. 1.22, а) та наведеним (рис. 1.22, б) каналами.

В процесі окислення  на поверхні пластинки створюється  тонкий 0,2—0,3 мкм шар двооксиду кремнію. Через отвори в діелектрику в тілі підкладки створюються дві сильнолеговані області, що мають лропідність протилежного типу по відношенню до провідності підкладки (в даному випадку n⁺-типу). Домішка через отвори вводиться методом дифузії. Одержані сильнолеговані області обладнуються зовнішніми виводами і використовуються як витік S та стік D, віддаль між якими порядку 5 ... 10 мкм. Контакти електродів виготовляють технологічними методами, що запобігають ефекту випрямлення у переходах. Над шаром двооксиду кремнію між витоком і стоком наносять металічний шар, від якого зроблено вивід, що використовується як затвор G. Діелектрик між затвором і вбудованим або наведеним каналами в МОН-транзисторі знімає обмеження на полярність напруги на затворі, характерне для польових транзисторів з керуючим р— n-переходом. Підкладка в робочому режимі з'єднується, як правило, з витоком, однак може бути використана як додатковий керуючий електрод.