транзистори

1. Пристрій і принцип дії біполярного транзистора

Транзистором називається преосвітній напівпровідниковий прилад, який має не менше трьох висновків, призначений для посилення потужності електричного сигналу.

Найбільш поширені отримали біполярні і польові транзистори. Перші мають два р - n переходу. У формірованіііх токаучаствуютносітелі заряду обох полярностей (знаків), що і пояснює найменування «біполярні». У польових транзисторах струм формується носіями однієї полярності - електронами або дірками. Тому польові транзистори досить часто називають уніполярними. Їх розгляд буде приведено далі.

Схематичне зображення структури біполярних транзисторів приведено на малюнку 2.1, а.

Малюнок 2.1. Можливі структури і уловное зображення біполярного транзистора.

Послідовне з'єднання напівпровідника з електронною і доречнийпровідністю, яке необхідно для формірованіядвух р-п переходів в одному приладі, призводить до утворення або п-р-п, або р-п-р структури. Відповідно до них біполярні транзистори бувають або п-р-п, або р-п-р типу. Центральна область (а також висновок від неї) називається базою (Б), крайні, мають інший тип провідності в порівнянні з базою, - колектором (К) і емітером (Е). До кожної з областей припаяні висновки, за допомогою яких прилад включається в схему.

Перехід між базою і емітером називається емітерним, а між базою і колектором - колекторним. Конструктивно транзистори розрізняються залежно від потужності і способу утворення р-n переходов.Фізіческіе процеси, що протікають в транзисторах обох типів, аналогічні.

У першому наближенні транзистор може бути представлений двома діодами, з з'єднаними разом анодами або катодами ((рисунок 2.1, б)). Таке уявлення є достатнім при розгляді режимів роботи при двох повністю відкритих або закритих переходах. У графічному умовному зображенні транзистора (рисунок 2.1, в) збереглося, у вигляді стрілки, позначення прямого напрямки емітерного п-р переходу.

Для того щоб транзистор міг ефективно виконувати свої функції, необхідно щоб:

- відстань між переходами було менше довжини вільного пробігу неосновних носіїв напівпровідникового матеріалу бази;

- концентрація домішок в області бази повинна бути істотно нижче (на кілька порядків), ніж концентрація домішок в області емітера.

Для виконання першої умови область бази роблять тонкою, В деяких типах транзисторів поле колекторного переходу простягається аж до емітерного. Виконання другої умови забезпечується технологією виготовлення приладу.

У більшості випадків кристал з переходами монтується в спеціальний корпус, який виконує наступні функції:

- ізолює кристал з переходами від впливу зовнішнього середовища;

- забезпечує механічну міцність приладу, відведення тепла, що виділяється на переходах при роботі приладу, а також зручність монтажу приладу.

Залежно від полярності напруг, прикладених до емітерного і колекторного переходів транзистора, розрізняють чотири режими його роботи:

Активний режим. На емітерний перехід подано пряме напруга, а на колекторний - зворотне. Цей режим є основним режимом роботи транзистора при роботі з аналоговими сигналами.

Режим відсічення. До обох переходах підводяться зворотні напруги. Тому через них проходить лише незначний струм, обумовлений рухом неосновних носіїв заряду. Транзистор в режимі відсічення виявляється замкненим.

Ре жим насичення. Обидва переходу знаходяться під прямим напругою. Струм у вихідному ланцюзі транзистора максимальний і практична не регулюється струмом вхідний цінуй. В цьому режимі транзистор повністю відкритий.

Інверсний режим. До емітерного переходу підводиться зворотна напруга, а до колекторного - пряме. Емітер і колектор міняються своїми ролями - емітер виконує функції колектора, а колектор - функції емітера. Цей режим, як правило, не відповідає нормальним умовам експлуатації транзистора.

Принцип роботи біполярного транзистора в активному режимі розглянемо на прикладі транзистора n-р- n типу. Для цього на емітерний перехід подамо пряме напруга (U _бе), а на колекторний - зворотне (U _кб, рисунок 2.2)

Малюнок 2.2.

Для відмикання р-п переходу потрібна незначна напруга, тому величина U _бе невелика, в той час як зворотна напруга на колекторному переході може бути істотно більше. Струм, що проходить через емітерний перехід, отримав назву емітерного струму. Цей струм дорівнює сумі доречний і електронної складових

, (2.1)

І _Еп - складова емітерного струму, обумовлена інжекцією електронів з області емітера;

І _Бр - складова емітерного струму, обумовлена інжекцією дірок з області бази.

У транзисторах, як було сказано вище, концентрація носіїв заряду в базі значно менше, ніж в емітер. Це призводить до того, що число електронів, інжектованих з емітера в базу, у багато разів перевищує число дірок, що рухаються в протилежному напрямку. Отже, майже весь струм через емітерний переходобусловлен електронами:

. (2.2)

Інжектовані через емітерний перехід електрони проникають всередину бази, частково рекомбінують і решта досягає колекторного переходу.

Електричне поле цього переходу переносять електрони в область колектора.

Струм, що виник в колекторної ланцюга:

. (2.3)

Останнє спрощення в (2.3) зроблено на основі того, що число рекомбінацій незначно, тому що база вузька і має мало домішок. Таким чином, практично весь струм, що виник в ланцюзі емітера, переноситься в ланцюг колектора. Внаслідок того, що напруга в ланцюзі колектора значно перевищує напругу, підведений до емітерного переходу, а струми в ланцюгах емітера і колектора практично рівні, слід очікувати, що потужність корисного сигналу на виході схеми (в колекторної ланцюга) може виявитися набагато більше, ніж у вхідній (емітерний) ланцюга транзистора.

Реально струм емітера дорівнює сумі струмів бази і колектора, т. Е.

, (2.4)

де струм бази обумовлений двома складовими

, (2.5)

Якщо під впливом U _бе струм емітера зросте на деяку величину, то відповідно зростуть і інші струми транзистора

. (2.6)

Для характеристики співвідношень між приростами струмів електродів вводять так звані коефіцієнти передачі струмів емітера (α) і колектора (b) при незмінному напружень на колекторному переході:

. (2.7)

На практиці часто цими коефіцієнтами визначають і співвідношення струмів електродів на лінійній ділянці їх залежності:

. (2.8)

Між введеними коефіцієнтами існує співвідношення:

. (2.9)

Зазвичай α = 0,95 ... 0,995.

Чим більше коефіцієнт α, тим менше відрізняються між собою струми колектора і емітера, тим ефективніше можуть бути використані підсилювальні властивості транзистора. З огляду на наведені значення α, стає очевидним, що β >> 1.

Оскільки в ланцюзі колектора крім струму, обумовленого проходженням струму емітера, протікає також зворотний струм колекторного переходу I _КБО, то повний струм колектора

(2.10)

З огляду на, що струм I _КБО за величиною незначний,

(2.11)

Знаючи величини напружень, що викликали зміни відповідних струмів можна визначити диференціальний опір емітерного, колекторного переходів і опір області бази:

. (2.12)

2. Еквівалентні схеми біполярного транзистора

Для аналізу і розрахунку електричних ланцюгів, що містять транзистори, застосовують їх еквівалентні схеми.

Більшості електронних схем властивий такий режим роботи транзистора, при якому на тлі порівняно великих постійних струмів і напруг діють малі змінні складові. В цьому випадку постійні і змінні складові сигналу можуть аналізуватися окремо, причому еквівалентні схеми в основному застосовують при аналізі змінних складових. Вони і складаються з урахуванням незначності змінних сигналів, тому носять найменування малосигнальних, хоча на практиці досить часто використовуються в якості першого наближення і при аналізі роботи схем при великих сигналах. Малосігнальние еквівалентні схеми формують з лінійних елементів, параметри яких отримують лінеаризацією вихідних характеристик транзисторів в околиці режиму роботи по постійному струму.

Широке поширення отримали так звані Т-образні еквівалентні схеми і схеми на основі подання транзистора у вигляді активного чотириполюсника.

Досить простий Т-образної схемою є так звана схема в фізичних параметрах. При її побудові виходять з того, що емітерний і колекторний переходи і тонкий шар бази, мають деякі певними опорами, рівними відповідно r _Е, r _До і r _Б. Тому найпростішої еквівалентною схемою транзистора повинна служити ланцюг, складена з опорів r _Е, r _До і r _Б, з'єднаних між собою, як показано на малюнку 2.3, а.

Малюнок 2.2. Еквівалентні Т-подібні схеми транзистора:

А - без додаткового генератора струму; б - для схеми із загальною базою; в - схеми із загальним емітером; г - для схеми із загальним колектором

У сучасних транзисторів в активному режимі роботи величина r _Е становить зазвичай одиниці - десятки Ом, r _Б - сотні Ом, а r _К - сотні тисяч Ом. При заміні транзистора в схемі малюнка 2.2 ток в емітерний ланцюга буде істотно більше струму з ланцюга колектора. Це не відповідає реальним струмів електродів транзистора. Отже, така схема не може бути еквівалентною. Насправді, як відомо, через опір навантаження транзистора проходить струм I _До ≈ αI _Е. Для отримання реальних струмів в вихідний ланцюг паралельно опору r _до вводять джерело струму, значення якого визначаються струмом в ланцюзі вхідного електрода. Так званий залежний джерело (генератор) струму. Тому необхідно змінити розподіл струму між гілками еквівалентної схеми. Це можна зробити, підключивши в еквівалентній схемі додатковий генератор, що виробляє струм αI _Е (рисунок 2.3, б). Проходження в вихідний ланцюга струму цього джерела відповідає реальним умовам роботи транзисторних схем. Найбільшого поширення набули еквівалентні схеми, у яких загальним електродом для вхідний і вихідний ланцюгів є база (ПРО, малюнок 2.3, б) або емітер (ОЕ, малюнок 2.3, в). Щоб обидві еквівалентні схеми були рівноцінні, необхідно щоб:

r ^* _К = r _К / (β + 1). (2.13)

Дане співвідношення отримано в результаті прирівнювання напруги холостого ходу (α i _е r _до і β i _б r ^* к) в зазначених схемах з урахуванням того, що в режимі холостого ходу i _б = i _б.

В еквівалентні схеми транзистора введені ємності колекторного переходу. Безсумнівно, в той же час колекторна ємність

C ^* _К = (β + 1) З _К (2.14)

Таким чином, у схемі з ОЕ активну і ємнісний опори колекторної ланцюга значно (в β + 1 раз) менше, ніж для транзистора в схемі з ПРО.

Параметри еквівалентної схеми можуть бути визначені або розрахунковим, або експериментальним шляхом. Однак розрахунок не завжди забезпечує необхідну точність через труднощі обліку контрольованих і неконтрольованих явищ в транзисторі. У свою чергу, при виконанні експерименту для вимірювання опорів резисторів необхідний доступ до спільної точки з'єднання ланцюгів емітера, бази і колектора практично не в транзисторах. Більш зручними для експериментального визначення значень параметрів є еквівалентні схеми, побудовані на основі подання транзистора у вигляді активного чотириполюсника (рисунок 2.4).

Малюнок 2.4.

У вхідні ланцюг транзистора подається сигнал U _1, що призводить до появи струму I _1. У вихідний ланцюга (на навантаженні R _н) виникає напруга U ₂ і ток I _2. струми і напруги вважаються змінними. Замість напружень можна використовувати їх збільшення D U і D I. У припущенні малості сигналів вхідні і вихідні величини можна пов'язати алгебраїчними рівняннями. Залежно від того, які з величин стоять по різні боки знака рівності використовують різні позначення коефіцієнтів виразів алгебри.

Найбільш часто використовують вирази, у яких коефіцієнти отримали позначення h і y. Коефіцієнти зазвичай називають параметрами, а відповідні еквівалентні схеми - семами в h - і y-параметрів. Вираз для визначення h-параметрів:

(2.15)

Коефіцієнти рівнянь (2.16) рівні:

. (2.16)

З цих виразів видно, що

- h ₁₁ і h ₂₁ - вхідний опір і коефіцієнт передачі струму (коефіцієнт посилення по току) при короткому замиканні на виході транзистора;

- h ₁₂ і h ₂₂ - параметри, вимірювані при холостому ході на вході транзистора. h ₁₂ характеризує ступінь впливу вихідної напруги на режим вхідного ланцюга транзистора (коефіцієнт зворотного зв'язку по напрузі). h ₂₂ -вихідна провідність.

При реалізації короткого замикання на виході транзистора використовують конденсатор, реактивний опір якого на частоті вимірювання повинно бути істотно менше опору навантаження. Для створення режиму холостого ходу по входу в ланцюг вводять котушку індуктивності, реактивний опір якої повинно бути значно більше вхідного опору транзистора.

У зв'язку з тим, що транзистор має всього три електрода його приєднання до вхідний і вихідний ланцюга чотириполюсника може бути здійснено тільки в результаті об'єднання одного з вводів вхідний і вихідний ланцюга і приєднання до об'єднаної ланцюга одного з трьох електродів транзистора. Відповідно до цього загальним електродом вводять найменування схеми. Можливо три види транзисторних схем: з загальною базою (ПРО), загальним емітером (ОЕ) і загальним колектором (ОК). На малюнку 2.4 показані дві з них - ПРО і ОЕ. Кожна схема буде відрізнятися вхідними і / або вихідними електродами, отже, будуть різнитися і значення h-параметрів. Наприклад, вхідний опір транзистора (h ₁₁₎ в схемі з загальним емітером значно більше, ніж в схемі із загальною базою. Це випливає з очевидного нерівності

. (2.17)

Тому в позначення h-параметрів вводять індекс, який вказує за якою схемою проводилося його визначення. Зазвичай використовують параметри схем ПРО (індекс Б, наприклад, h _11Б) і ОЕ (h _21Е). Нижче наведені формули перерахунку h-параметрів, отриманих за схемою ПРО, в параметри ОЕ і ОК.

(2.18)

(2.19)

Між h - параметрами і параметрами транзистора, відповідними Т-образним еквівалентним схемами, існує певна залежність. Для схеми із загальною базою ця залежність виражається співвідношеннями

(2.20)

Еквівалентна схема транзистора в h _{Е-параметр} приведена на малюнку 2.5, а. Так як величина h ₁₂ (коефіцієнт зворотного зв'язку по напрузі) у сучасних транзисторів наближається до нуля, то його зазвичай не вводять в еквівалентну схему (рисунок 2.5, б).

Малюнок 2.5. Еквівалентні схеми транзистора в h-параметрів для включення з ОЕ

Джерело I ₁ h _21Е еквівалентної схеми називають залежним джерелом струму, так як значення струму цього джерела залежить від струму іншої гілки - вхідного струму (в даному випадку струму бази). Це джерело характеризує посилення вхідного струму. Аналогічно джерело напруги U ₂ h _21Е називають залежним джерелом ЕРС. Як було зазначено вище, він характеризує зворотний зв'язок по вихідній напрузі.

Для інших схем включення поміняються розташування електродів і індекси при h-параметрів. Також можлива інша індексація напруг і струмів. Наприклад, для зазначеної схеми включення можна внести наступні зміни в індексацію:

Нагадуємо, що замість струмів (I) і напружень (U) в натуральному вираженні (2.17) можна використовувати їх збільшення (D I і D U). Це дозволяє визначити значення коефіцієнтів по вхідних і вихідних характеристик транзистора (рисунок 2.6).

Малюнок 2.6. Визначення h _{Б-параметрів} транзистора по вхідним (а) і вихідним (б) характеристикам транзистора.

Еквівалентна схема транзистора в y-параметрів зазвичай використовується для аналізу високочастотних схем. В цьому випадку незалежними змінними є напруги U ₁ і U _2, а залежними - струми I ₁ і I _2. Тоді систему рівнянь, що характеризують роботу транзистора як чотириполюсника, можна представити в загальному вигляді:

(2.21)

Як і в випадку рівнянь з h-параметрів замість збільшень струмів і напруг можна використовувати самі струми і напруги (в комплексному вигляді), вважаючи їх незначними за величиною. у коефіцієнти системи рівнянь (2.21) визначаються аналогічно способам визначення h-параметрів (при короткому замиканні чотириполюсника по входу і виходу або по вхідних і вихідних характеристик за умов U ₁ = 0 або U ₂ = 0). Коефіцієнти (у -параметри) мають наступний сенс:

· У ₁₁ - величина зворотна вхідному опору, т. Е. Вхідна провідність при короткому замиканні по виходу;

· У ₂₁ - провідність прямої передачі, тобто величина, що характеризує вплив вхідної напруги на вихідний струм при короткому замиканні по виходу;

· У ₁₂ - провідність зворотної передачі, тобто величина, що характеризує вплив вихідної напруги на вхідний струм при короткому замиканні по виходу;

· У ₂₂ - вихідна провідність при короткому замиканні по виходу;

Слід нагадати, що при вимірах умови короткого замикання повинні реалізовуватися за змінним струмом.

Еквівалентна схема, відповідна системі рівнянь (2.21) показана на малюнку 2.7.

Малюнок 2.7. Еквівалентна схема транзистора в у-параметрів

3. Статичні характеристики транзистора

Статичні характеристики транзистора відображають залежність між струмами і напругами на його вході і виході.

Для схеми із загальним емітером статичної вхідний характеристикою є графік залежності струму бази I _Б від напруги при постійному значенні напрузі колектора:

Вихідні характеристики транзистора для схеми з загальним емітером є залежності струму колектора від напруги між колектором і емітером при постійному струмі бази:

Типові вхідні і вихідні статичні характеристики транзистора для схеми з загальним емітером показані на малюнку 2.8. Вона має вигляд звичайної характеристиці прямого струму р-п переходу, на яку впливає напруга на колекторі. З малюнка 2.8, а видно, що з ростом напруги U _ке ток I _б зменшується. Це пояснюється тим, що при збільшенні U _ке зростає напруга, прикладена до колекторного переходу в зворотному напрямку, перехід розширюється, захоплюючи частину бази і, відповідно, зменшується ймовірність рекомбінації носіїв заряду в ній (відповідно до (2.5) струм рекомбінації є частиною струму бази ).

Малюнок 2.8. Статичні характеристики транзистора для схеми ОЕ: а - вхідні; б - вихідні

Вихідні характеристики (рісунок2.8, б) мають початковий ділянку швидкого зростання, нелінійну зону, що переходила в область насичення.

4. Температурні і частотні властивості транзистора

Діапазон робочих температур транзисторів, який визначається властивостями р-n переходів, такий же, як і у напівпровідникових діодів. Особливо сильно на роботу транзисторів впливає нагрів і менш істотно - охолодження (до мінус 60 ° С). Дослідження показують, що при нагріванні від 20 до 60 ⁰ С параметри площинних транзисторів змінюються таким чином: r _До падає приблизно вдвічі, r _Б - на 15-20%, а r _Е зростає на 15-20%.

Особливо істотний вплив на роботу транзистора при нагріванні надає зворотний струм колекторного переходу, I _КБО. Для практичних розрахунків можна прийняти, що при підвищенні температури на кожні 10 ° С струм I _КБО зростає приблизно вдвічі.

Нестабільність режиму роботи транзистора, обумовлена струмом I _КБО, дуже істотна, оскільки зворотний струм колектора в значній мірі впливає на струми емітера і колектора, а, отже, на підсилювальні властивості транзистора.

Найбільш часто для роботи при підвищених температурах застосовуються кремнієві транзистори. Гранична робоча температура у цих приладів складає 125 ... 150 ° С в той час як для германієвих транзисторів - близько 60 ⁰ С.

На частотні властивості транзисторів великий вплив мають ємності емітерного і колекторного р-n переходів. Зі збільшенням частоти ємнісний опір зменшується і зростає їх шунтуючі дію. Як вказувалося при складанні Т-образної еквівалентної схеми транзистора найбільш шкідливий вплив на роботу транзистора надає ємність колекторного переходу С _до, так як вона стоїть паралельно опору r _до, величина якого значна. Тому порушення розподілу струмів в вихідних ланцюгах, яке характерно для низьких частот, починає позначатися при більш низьких значеннях частоти сигналу: ток залежного джерела b I _б замість того щоб поступати в навантаження починає замикатися через ємність С _к.

Другою причиною погіршення роботи транзистора на високих частотах є відставання по фазі змінного струму колектора від змінного струму емітера. Це обумовлено інерційністю процесу проходження носіїв заряду через базу, а також інерційністю процесів накопичення і розсмоктування зарядів в базі. Хоча час прольоту носіїв через базу незначне, порядку часткою мікросекунди, але на частотах порядку одиниць - десятків мегагерц стає помітним зрушення фаз між змінними складовими струмів I _е і I _к. Це явище ілюструється векторними діаграмами малюнка 2.9 при різних частотах сигналу.

Малюнок 2.9. Векторні діаграми струмів транзистора на різних частотах

Зі зміною частоти буде змінюватися також величина фазового зсуву вихідного струму транзистора по відношенню до вхідного. Вираз (2.4) необхідно дотримуватися і при векторній формі уявлення струмів. Тому при зсуві по фазі між струмами емітера і колектора ток бази збільшується, що призводить до зменшення коефіцієнта β (див. Вираз (2.9)) з ростом частоти сигналу.

Необхідно відзначити, що зі збільшенням частоти коефіцієнт b зменшується значно сильніше, ніж α. Коефіцієнт α знижується лише внаслідок впливу ємності С _до, а на величину β впливає, крім цього, ще й зрушення фаз між I _е і I _к. Отже, схема із загальною базою має кращі частотні властивості, ніж схема з загальним емітером.

Для визначення коефіцієнтів посилення по току на частоті f можуть бути використані формули:

(2.22)

де f _α і f _b - частоти, на яких коефіцієнти підсилення по струму b або α зменшується до 0,7 (в √2 раз) свого значення на низьких частотах (b ₀ або α _0).

Оцінюючи частотні властивості транзистора, слід враховувати також, що дифузія - процес хаотичний. Носії зарядів, інжектовані емітером в базу, пересуваються в ній різними шляхами. Тому носії, одночасно увійшли в область бази, досягають колекторного переходу в різний час. Таким чином, закон зміни струму колектора може не відповідати закону зміни струму емітера, що призводить до спотворення підсилюється сигналу. Слід підкреслити цілком очевидну річ, що чим тонше база, тим в меншій мірі спотворюється сигнал на виході і допускається робота транзистора на більш високих частотах. Тому, чим більше високочастотний транзистор, тим тонше у нього повинна бути база.

Класифікація біполярних транзисторів. Випускаються промисловістю дискретні біполярні транзистори класифікують зазвичай за двома параметрами: за потужністю і частотним властивостям.

За потужністю вони поділяються на малопотужні (Р _вих £ 0,3 Вт), середньої потужності (0,3 Вт <�Р _вих £ 1,5 Вт) і потужні (Р _вих> 1,5 Вт); по частотним властивостями - на низькочастотні (f _α £ 0,3 МГц), середньої частоти (0,3 МГц _α £ 3 МГц), високої частоти (3 МГц _α £ 30 МГц) і надвисокої частоти (f _α> 30 МГц).,

5. Експлуатаційні параметри транзистора

Транзистор, як і будь-який інший електронний прилад, характеризується рядом експлуатаційних параметрів, граничні значення яких вказують на можливості практичного застосування того чи іншого транзистора.

До числа таких параметрів відносяться:

Максимально допустима потужність P _kmax, що розсіюється кол лектором.

У загальному випадку потужність, що розсіюється транзистором, складається потужностей, що розсіюються кожним р-n переходом:

Р = Р _до + Р _е = I _до U _кб + I _е U _ЕБ.

Зазвичай в усилительном режимі

При недостатньому теплоотводе розігрів колекторного переходу може привести до різкого збільшення струму I _к. Це в свою чергу призводить до зростання потужності, що розсіюється на колекторі, і до ще більшого нагрівання колекторного переходу. Процес набуває лавиноподібний характер, і транзистор необоротно виходить з ладу. Слід враховувати також, що при підвищенні температури навколишнього середовища гранично допустима потужність зменшується. Тому необхідно ретельно стежити за режимом роботи транзисторів, виключаючи зовнішній нагрів приладу, особливо працюючого при підвищених потужностях.

Максимально допустимий струм колектора.

Транзистор може вийти з ладу при перевищенні струму колектора понад певних меж. Процес руйнування обумовлений нерівномірним проходженням струму по площі р-п переходу, місцевим з розігрівом і подальшим спалюванням.

Максимально допустима напруга між колектором і про щим електродом транзистора (U _{ке max} або U _{кб max).}

Ця напруга визначається величиною пробивної напруги переходу. Крім того, воно залежить від потужності, струму колектора і температури навколишнього середовища.

З міркувань надійності роботи схеми не рекомендується використовувати величини струмів, напруг і потужностей вище 70% їх найбільших допустимих значень. Слід, однак, відзначити, що при роботі в ключовому режимі значна потужність виділяється на транзисторі тільки протягом переходу з відкритого стану до замкненого і назад (на активній ділянці характеристики). Тому середнє за період значення потужності, що розсіюється в транзисторі, відносно невелике, що дозволяє допускати миттєві значення струмів колектора і емітера в 2 - 3 рази більше паспортних, граничних для режиму посилення значень, не побоюючись перегріву транзистора.

Гранична частота підсилення по струму - частота, при якій коефіцієнт посилення по току b або α зменшується до 0,7 (в √2 раз) свого значення на низьких частотах.

Вище перераховані лише найбільш важливі експлуатаційні параметри транзисторів. У паспортах транзисторів і довідниках вказується ряд інших параметрів: максимально допустимий струм бази, зворотний струм емітера, максимально допустимий імпульсний струм колектора, напруга насичення колектор-емітер, ємність колекторного переходу, максимальна температура роботи транзистора і т.д.

6. Польові транзистори

Польовим транзистором називається трьохелектродний напівпровідниковий прилад, підсилювальні властивості якого обумовлені потоком основних носіїв, що протікають через провідний канал, а управління величиною струму здійснюється поперечним електричним полем, створюваним напругою, прикладеним до керуючого електрода. Провідний шар називають каналом, керуючий електрод - затвором.

Польовий транзистор -полупроводніковий підсилювальний прилад, яким управляє не ток (як біполярним транзистором), а напруга (електричне поле, звідси і назва - польовий), яке здійснює зміна площі поперечного перерізу провідного каналу, в результаті чого змінюється вихідний струм транзистора. Управління ж електричним полем передбачає відсутність статичного вхідного струму, що дозволяє зменшити потужність, необхідну для управління транзистором.

Польовий транзистор (ПТ) на відміну від біполярного іноді називають уніполярним, так як його робота заснована на використанні тільки основних носіїв заряду одного типу - або електронів, або дірок. Тому в польових транзисторах відсутні процеси зміни (накопичення і розсмоктування) об'ємного заряду неосновних носіїв, які надають помітний вплив на швидкодію біполярних транзисторів.

Два електрода на торцях каналу називаються витоком (І) і стоком (С). Джерело та сток в принципі оборотні. Джерелом служить той з них, з якого при відповідній полярності напруги між витоком і стоком в канал надходять основні носії заряду, а стоком - той, через який ці носії йдуть з каналу.

Подібно біполярному транзистору в залежності від того, який з висновків є загальним для вхідних і вихідних ланцюгів, розрізняють три схеми включення польового транзистора: із загальним витоком (ОІ), із загальним затвором (ОЗ) і загальним стоком (ОС).Найбільшого поширення на практиці знайшла схема з ОІ.

Всі ПТ за своїми конструктивними особливостями можна розділити на дві групи:

1) польові транзистори з керуючим р-п переходом (канальні, або уніполярні транзистори);

2) польові транзистори з ізольованим затвором (МДП - або МОП -транзістори).

На малюнку 2.10 наведено схематичне зображення конструкції польового транзистора з Управляюча р-п переходомі схема його включення [1]. Канал утворений тонким шаром напівпровідника одного типу провідності - в разі провідністю n типу [2]. На торцях каналу розташовані два електроди, що утворюють омические висновки для приєднання до зовнішніх електричних ланцюгів. Один з них називається витоком (І), а другий - стоком (С). У середній частині каналу розташована невелика зона напівпровідника р типу, утворює з каналом р-п переход.Вивод, приєднаний до областям р типу, є керуючим електродом і називається затвором (З). Висновки І, С і З відповідають (в порядку перерахування) катода, анода і сітки електровакуумного тріода або емітера, колектора і бази звичайного біполярного транзистора.

Малюнок 2.10. Схематичне зображення конструкції і схема включення польового транзистора з керуючим р-n переходом

Величина струму в каналі залежить від напруги, прикладеного між стоком і витоком, навантажувального опору і опору каналу (напівпровідникової пластинки між стоком і витоком). При постійних джерелі Е _c і R _н ток в каналі I _з (струм стоку) залежить тільки від електричного опору каналу, яке, в свою чергу визначається довжиною і ефективною площею поперечного перерізу каналу. На р-п перехід за допомогою джерела Е _зи подається зворотна напруга, що призводить до збільшення товщини р-п переходу, зменшення перетину каналу і збільшення опору між джерелом і стоком. Зміна величини зворотної напруги відповідно до вхідного сигналу призводить до модуляції опору каналу, зміни струму стоку і появи сигналу на опорі навантаження R _н. При відповідному підборі величини R _н можна домогтися підвищення рівня вихідної напруги в порівнянні з напругою на вході, тобто посилити сигнал.

Польові транзистори, подібно біполярним, можуть бути охарактеризовані вхідними та вихідними характеристиками. Однак для польових транзисторів вхідні характеристика (залежність I _З від U _ЗИ при фіксованому значенні U _СІ) не має практичного застосування так як описувала б незначні зміни зворотного струму pn переходу. Тому і при розрахунках використовують тільки передавальні і вихідні ВАХ. На малюнку 2.11 наведені вихідні та передавальні (залежність струму стоку від напруги на затворі) характеристики польового транзистора з керуючим pn переходом для схеми включення з ОІ.

Малюнок 2.11. Статичні вольт-амперні характеристики польових транзисторів з керуючим pn переходом (схема ОІ): а - вихідні; б - передавальні (вхідні)

Нехай напруга між затвором і витоком U _зи = 0. При збільшенні позитивного напруги U _сі на стоці ток I _з наростатиме. Спочатку залежність I _c = f (U _c) буде майже лінійної. Однак зі зростанням I _з збільшується падіння напруги на каналі (U _з = I _c R _до, де R _к - опір каналу). Ця напруга розподіляється уздовж каналу: поблизу витоку воно дорівнює нулю, а поблизу стоку - максимальну величину. На р-n переході, незважаючи на нульовий потенціал затвора, з'являється зворотне зміщує напруга, величина якого наростає у напрямку до витоку, що веде до звуження перетину токопроводящего каналу і уповільнює зростання струму I _с. В кінцевому підсумку, при подальшому зростанні стоку, у стокового кінця канал звужується настільки, що подальше підвищення напруги вже не призводить до зростання I _с. Цей режим отримав найменування назву ре жиму насичення, а напруга U _c, при якому відбувається насичення, називається напругою насичення (U _{с. Нас).}

При подачі на затвор зворотного напруги (для ПТ з каналом п типу, як вказувалося раніше, воно буде негативним по відношенню до витоку) канал спочатку буде звужений. Тому початкова ділянка залежності I _c = f (U _c) піде з меншим нахилом і насичення настане при менших струмах стоку.

Напруга насичення одно U _{сі нас} = U _зи - U _{зи відступ,} де U _{зи відступ} - напруга відсічення, керуюча напруга, при якому I _з = 0 (режим відсічення), а U _зи - керуюча напруга, відповідне даної ВАХ транзистора.

При подальшому збільшенні вихідної напруги струм I _з практично залишається незмінним аж до пробивної напруги U _{сі проб.} Як видно з рісунка.2.11, а зі зменшенням напруги U _зи пробивну напругу транзистора U _{сі проб} зменшується. При цьому (з урахуванням знака U _зи) завжди виконується рівність

(2.23)

При вхідній напрузі U _зи = U _{зи відступ,} відповідному зворотному напрузі на pn переході (затвор-витік) при якому струмопровідний канал транзистора буде повністю перекритий, вихідний струм I _з транзистора буде дорівнює нулю (рисунок 2.11, б).

При U _зи> U _{зи відступ} в токопроводящем каналі з'являється проток і по ньому від стоку до витоку починає протікати струм I _с. Залежність I _з = F (U _зи) при U _c - const отримала назву стокозатворной характеристики. Вихідні характеристики ПТ також часто називають стокостоковимі або, просто, стічними.

Польові транзистори з ізольованим затвором мають структуру метал-діелектрик (окисел) -полупроводнік. Тому, їх часто називають МДП - або МОП -транзісторамі.

На малюнку 2.11 наведено схематичні зображення конструкцій таких транзисторів з каналами п типів. Основою приладу служить пластинка (підкладка) монокристалічного кремнію р типу. Області витоку і стоку являють собою ділянки кремнію, сильно леговані домішкою n типу [3].

Відстань між витоком і стоком приблизно 1 мкм. На цій ділянці (рисунок 2.11, а) розташована вузька слабо легована смужка кремнію п типу (канал). Затвором служить металева пластинка, ізольована від каналу тонким шаром діелектрика (товщиною часток мікрометра). В якості діелектрика найчастіше використовують плівка двоокису кремнію, утворена з матеріалу підкладки при високій температурі. Останнім часом в якості діелектрика застосовують інші матеріали, наприклад, нітрид кремнію.

Малюнок 2.12. Схематичне зображення ПТ з ізольованим затвором

Електричне поле, що виникає від напруги, прикладеного до затвора, знічується в поверхневий шар підкладки. Залежно від полярності цієї напруги в канал може або притягатися, або виштовхувати частина основних носіїв заряду каналу (на наведеному малюнку це електрони). При негативному напрузі на затворі електрони провідності виштовхуються з області каналу в обсяг напівпровідника підкладки. При цьому канал збіднюється носіями заряду, що веде до зменшення струму в каналі. Позитивне напруга на затворі сприяє втягуванню електронів провідності з підкладки в канал. У цьому режимі, що отримав назву режиму збагачення, струм каналу зростає.

Малюнок 2.12. Передавальний (а) івиходная (б) ВАХ МДП -транзістора з вбудованим n каналом

Таким чином, на відміну від польового транзистора з р-п переходамітранзістор з ізольованим затвором може працювати з нульовим, негативним або позитивним напругою на затворі (рисунок 2.12, а). Керуюча напруга на затворі, при якому I _з = 0, також як у ПТ суправляющім р-п переходом, називається напругою відсічення.

Вихідні характеристики польового транзистора з ізольованим затвором (рисунок 2.12, б) мають такий же вигляд, як і характеристики транзистора з р-п переходами. Різниця полягає лише в тому, що транзистори з р-п переходоммогут працювати тільки в режимі збіднення (звуження) каналу, а транзистори типу МДП (або МОП) працюють як в режимі збіднення (при негативних напругах на затворі), так і в режимі збагачення ( при позитивних напругах на затворі).

Розглянутий тип ПТ з ізольованим затвором отримав найменування МДП (або МОП) транзисторів з вбудованим каналом. Канал у нього був введений (вбудований) в процесі виготовлення. Якщо ж між зонами п ⁺ під витоком і стоком відсутня канал, то при нульовому потенціалі на затворі на шляху від джерела до стоку виявляться два зустрічно включених pn переходу. Тому при подачі напруги між стоком і витоком будь-якої полярності вихідний струм I _з виявиться мізерно малий (приблизно дорівнює зворотному струму pn переходу). Якщо до затвору докласти невелике позитивне напруга U _зи, то під дією поля з підкладки до поверхні почнуть притягатися електрони дірки, а дірки - виштовхувати в глибину. При певному позитивному напрузі (U _{зи пір),} яке отримало назву порогового, в підкладці під затвором утворюється збагачений електронами поверхневий шар, який замкне області під стоком і витоком.Подальше підвищення напруги на затворі призведе до того, що по утворився каналу потече струм стоку. Такий тип ПТ з ізольованим затвором носить найменування МДП (або МОП) транзисторів з індукованим каналом.

Малюнок 2.12. Передавальні (а) і вихідні (б) ВАХ МДП -транзістора з індукованим каналом

Напруга на затворі, при якому виникає струмопровідний канал, називається пороговим (U _{зи пір).} Якщо вибрати підкладку n типу, а області витоку і стоку зробити р ⁺ типу, то вийде МДП -транзістор з індукованим р каналом.

Передавальні і вихідні ВАХ для МДП -транзістора при включенні з ОІ наведені на малюнку 2.12. Вихідні характеристики наведені тільки для індукованого каналу n типу. На графіку стокозатворной характеристиці показаний хід залежності для МДП -транзісторов з індукованим каналом р типу. При цьому враховано, що напрямок струму стоку для такого транзистора буде протилежним напрямку струму у МДП -транзісторов з індукованим каналом п типу.

Температурні властивості польових транзисторів. Як раніше було зазначено, що струм польових транзисторів обумовлений переміщенням носіїв заряду каналу, тобто він визначається концентрацією основних носіїв. Однак відомо, що концентрація основних носіїв в напівпровіднику майже не залежить від температури, обумовлюється концентрацією домішок. Тому і властивості ПТ слабо змінюються зі зміною температури.

Від температури залежать напруга відсічення і граничне напруження. Це обумовлено дією в ПТ двох протилежних механізмів, що відбуваються при зміні температури.

У польового транзистора з керуючим pn переходом при підвищенні температури навколишнього середовища зростає власний опір напівпровідникового матеріалу, що призводить до зменшення струму стоку. Цей ефект особливо сильно проявляється при великих токах стоку. Однак збільшення температури веде до зменшення товщини pn переходу, що розширює канал. Останнє викликає збільшення струму стоку, що особливо помітно при малих його значеннях. Тому при збільшенні температури стокозатворная (передавальна) характеристика стає більш пологою, а напруга відсічення збільшується. При деяких значеннях струму стоку обидва чинники компенсують один одного і величина струму стоку не залежить від зміни температури.

Для МДП -транзістора зі збільшенням температури також характерно зменшення струму стоку, що пояснюється зростанням власного опору напівпровідника. У той же час збільшення температури веде до збільшення числа пар електрон - дірка в каналі, тобто до збільшення концентрації носіїв заряду. Це сприяє зростанню струму стоку, особливо при невеликих його значеннях. Отже, і в МДП -транзісторе існують дві протилежні тенденції, які призводять до змін передавальної характеристики, які спостерігаються і у ПТ з керуючим переходом (рисунок 2.13).

Малюнок 2.13. Залежність передавальних характеристик польового транзистора від температури

Наслідком цього є наявність на передавальної характеристиці приладу точки (H на малюнку), для якої струм стоку не залежить від зміни температури навколишнього середовища.

Основними параметрами польових, транзисторів є:

Крутизна характеристики:

(2.24)

Цей параметр характеризує ефективність управляючого впливу затвора.

Вихідний опір R _вих (визначається в режимі насичення):

(2.25)

Вихідний опір характеризується тангенсом кута нахилу вихідних характеристик. У робочій області цей кут близький до нуля і, отже, вихідний опір виявляється досить великим (сотні кіло).

Статичний коефіцієнт посилення:

(2.26)

Ці параметри пов'язані між собою співвідношенням:

(2.27)

Напруга відсічення (порогове напруга для ПТ з індукованим каналом) - зворотна напруга на затворі, при якому струмопровідний канал виявиться перекритим.

Крім зазначених, польові транзистори, подібно біполярним, характеризуються рядом максимально допустимих параметрів, що визначають граничні режими роботи приладу.

Еквівалентні схеми польових транзисторів. Розглянемо найбільш поширені схеми заміщення польових транзисторів. На малюнку 2.14 наведені схеми заміщення ПВ. У цих схемах прийнято, що висновок підкладки електрично з'єднаний з витоком. Таке включення найбільш часто використовується при розробці схем на ПВ.

Малюнок 2.14. Еквівалентні схеми польового транзистора з керуючим pn переходом (а) і ізольованим затвором (б)

Слід зазначити, що вхідний і вихідний опору ПТ носять явно виражений ємнісний характер, тому що конструкція польового транзистора обумовлює наявність великих вхідних і вихідних ємностей. Тому збільшення частоти вхідного сигналу призводить до фактичного падіння коефіцієнта посилення каскаду на польовому транзисторі. При збільшенні частоти вхідного сигналу вхідний струм польового транзистора, який визначається його вхідний ємністю, зростає, що еквівалентно зниженню значення коефіцієнта посилення. Тому прийнято вважати, що в загальному випадку за швидкодією, посилення і частотним властивостям польовий транзистор, як правило, не має переваг перед біполярним транзистором.

До найважливіших переваг польових транзисторів слід віднести:

1. Висока вхідний опір, що досягає в канальних транзисторах з р-п переходомвелічіни 10 ⁸ -10 ⁹ Ом, а в транзисторах з ізольованим затвором 10 ¹³ - 10 ¹⁶ Ом. Таке високе значення вхідного опору пояснюється тим, що в перших керуючий перехід включений в зворотному напрямку, а в транзисторах з ізольованим затвором вхідний опір визначається дуже великим опором витоку діелектричного шару.

2. Низький рівень власних шумів, тому що в польових транзисторах у формуванні струму беруть участь заряди тільки одного знака, що виключає появу рекомбінаційного шуму.

3.Високая стійкість до температурних і радіоактивним впливів.

4. Висока щільність розташування елементів при використанні приладів в інтегральних схемах.

Польові транзистори можуть бути використані в схемах підсилювачів, генераторів, перемикачів. Особливо широко застосовуються вони в малошумливих підсилювачах з високим вхідним опором. Вельми перспективним є також використання їх (з ізольованим затвором) в цифрових і логічних схемах.

[1] При її аналізі все напруги будемо розглядати з урахуванням їх знаків.

[2] Принцип дії транзисторів з каналом типа п або р аналогічний; відмінність полягає лише в полярності напруг джерел живлення.

[3] Якщо концентрації основних носіїв заряду в контактируемих напівпровідникових областях різко відрізняються (на два порядки і більше), то область з більшою концентрацією відзначається символом ⁺