Классификация и основные характеристики ИМС 4 глава

Где b=I_к/I_б=a/(1-a) - коэффициент передачи тока базы, если , то ; если , то , I^*_к0= I_к0/(1 - a) – обратный ток колекторного перехода в схеме с ОЭ. I^*_к0 > I_к0 – это связано с усилением транзистором своего теплового тока – тока базы; r^*_{к диф к} =r_{к диф}(1-a) - дифференциальное сопротивление запертого коллекторного перехода в схеме с ОЭ. r^*_{к диф к} <r_{к диф} этим и обьясняется заметный наклон выходных ВАХ.

Вопрос 29

Усилительные свойства транзистора, включённого с ОЭ, характеризуются параметром b - коэффициент передачи тока базы. Различают три коэффициента передачи тока базы:

Статический коэффициент передачи β=I_к/I_б|_{Uкэ = const}.

Дифференциальный коэффициент передачи тока базы:

β=∆I_к/∆I_б|_{Uкэ = const}

Динамический коэффициент передачи ;

t_b - постоянная времени транзистора включенного по схеме с ОЭ.

Амплитудно и фазо-частотные характеристики b(jw) имеют вид

, j_b(w) = arctg(-wt_b).

w_b=(t_b)^-1 – граничная частота транзистора включенного по схеме с ОЭ, w_b<<w_a, w_b = (1 - a)w_a

 

Вопрос 30

4.6 Математическая модель транзистора

Она устанавливает аналитические зависимости между токами и напряжениями на выходах транзисторов Для определения аналитических зависимостей между токами и напряжениями транзистор представляют эквивалентной схемой Эберса — Молла (рис. 2.3). Она состоит из двух идеальных р-n-переходов, включенных навстречу друг другу и двух зависимых источников тока. Объемные сопротивления слоев, емкости р- n -переходов и эффект модуляции ширины базы здесь не учитываются.

Токи эмиттера и коллектора, как следует из схемы, состоят из двух слагаемых и выражаются следующим образом:

i_э=I₁ – α_II₂, ;(1)

i_k= α_NI₂ – I₂, (2)

где I_Э0 I_К0 – тепловые токи эмиттерного и коллекторного переходов; a_N — коэффициент передачи тока эмиттера в активном режиме; a_I — коэффициент передачи тока коллектора при инверсном включении; Uэб и U_КБ – напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах соответственно; φ_т = kT/e — температурный потенциал; I₁, I₂- токи через соответствующие p-n переходы; a_NIэ – зависимый источник тока, который учитывает ток через коллекторный переход, который связан с током эмиттера Iэ; a_IIк - зависимый источник тока, который учитывает ток через эмиттерный переход, который связан с током эмиттера Iк, при работе транзистора в инверсном режиме.

При нормальном включении биполярного транзистора, когда выходным током является Iк, можно записать, что– I_к=α_NI_э+I_к0. При инверсном включении биполярного транзистора, когда выходным током является Iэ, можно записать – I_э=α_II_э+I_э0.

 

Вопрос 31

Схемы замещения и параметры транзистора

Физические эквивалентные схемы транзистора и их параметры

Для аналитического расчета цепей с транзисторами широко используют схемы замещения. При малых амплитудах сигналов, воздействующих на транзистор, его можно считать линейным элементом и пользоваться линейными схемами замещения. Получили распространение физические и формализованные модели транзистора. Физические схемы замещения транзистора составляются по физическим моделям транзистора. На рис. 2.6, а, б показаны Т-образные схемы замещения для переменных токов и напряжений для схем с ОБ и ОЭ соответственно. Они справедливы для линейных участков входных и выходных ВАХ транзистора, на которых параметры транзистора можно считать неизменными.

Рассмотрим параметры транзистора по схеме с ОБ:

- r_э=dU_эб/ dI_б|_Uкэ=const - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (включенного в прямом направлении). Оно зависят от постоянной составляющей тока Iэ:

г_э ≈φ_т/I_э = 0,026 /I_э. (2.20)

Числовое значение г_э лежит в пределах от единиц до десятков Ом. г_б –обьемное сопротивление области базы. Обычно г_б >> г_э и состовляет 100-500 Ом.

- αI_э - эквивалентный источник тока, учитывает передачу эмиттерного тока, через базу в коллектор. α=∆Iк/∆Iэ│_Uкб=const. -дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока. Коэффициент α имеет порядок 0,9 — 0,999.

- r_к=∆U_кб/∆I_к│_Iэ=соnst — дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (включенного в обратном направлении); учитывает зависимость коллекторного тока от напряжения U_кб. Значения r_клежат в пределах 0,5—1 МОм.

- С_э и С_к — это емкости эмиттерного и коллекторного переходов. Каждая из них равна сумме барьерной и диффузионной емкостей соответствующего перехода.

В Т-образной схеме замещения транзистора ОЭ (рис. 2.6,6) сопротивления r_э и r _к, имеют тот же физический смысл и тот же порядок величин, что и в схеме ОБ. Поскольку входной ток в схеме ОЭ — ток базы, в выходную цепь введен источник тока βI_б, где β =∆Iк/∆Iб|_{Uкэ = const} - дифференциальный коэффициент передачи тока базы в схеме ОЭ

Сопротивление r^* _к = г_к/(1 + β), учитывает изменение коллекторного тока с изменением напряжения U_кб. Так как входным в схеме ОЭ является ток базы, который в 1 + β раз меньше тока эмиттера, то при переходе от схемы ОБ к схеме ОЭ в 1 + β раз уменьшается не только активное, но и емкостное сопротивление коллекторного перехода. В схеме ОЭ С*_к = (1 + β) С_к. Увеличение емкости С^*_к приводит к еще большему ее влиянию на высоких частотах, чем влияние емкости С_э. В связи с этим емкость С_э в схеме ОЭ можно не учитывать.

Поскольку на высоких частотах емкость С^*_к шунтирует большое сопротивление г_к, она сильно влияет на работу транзистора, а емкость С_э шунтирует малое сопротивление г_э и ее влияние незначительно. Емкость С_к учитывают при частотах, составляющих десятки килогерц, а емкость С_э — при частотах, превышающих единицы и десятки мегагерц. При работе на средних частотах (от десятков герц до единиц килогерц) емкости переходов не учитывают и в схему замещения не вводят.

Так как в транзисторе существует положительная обратная связь, обусловленная эффектом модуляции ширины базы, то во входные цепи схем замещения следовало бы ввести источник напряжения, учитывающий это явление. Но т.к. числовое значение коэффициента обратной связи мало (~10^-3-~10^-4), то обычно этот источник в схему замещения не вводят.

 

Вопрос 32

Формальные схемы замещения транзистора и их параметры

Они основаны на представлении транзистора в виде четырехполюсника, который может быть охарактеризован одной из шести систем уравнений, связывающих между собой входные и выходные токи и напряжения. Чаще всего используются следующие три системы уравнений в которых Y,Z,H являются параметрами.

Наиболее широко используется система H- параметров т.к. они наиболее удобны для измерений. Система уравнений, устанавливающая связь токов и напряжений с H-параметрами, имеет вид:

где - входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока;

– коэффициент обратной связи по напряжении при холостом ходе на входе для переменной составляющей тока;

– коэффициент передачи по току при коротком замыкании на выходе;

– выходная проводимость транзистора при холостом ходе на входе для переменной составляющей тока.

Поскольку h-параметры измеряются наиболее просто, то они наиболее часто, приводятся в технических условиях и справочниках по транзисторам.

Значения h-параметров зависят от схемы включения транзистора, поэтому в обозначении параметров вводится третий индекс («Б», «Э», «К»).

Формальные схемы замещения составляют по основным уравнениям четырехполюсника. Схемы замещения транзистора для систем Z, Y и H-параметров показаны на рис..

Покажем связь между h-параметрами формальной схемы замещения (рис.) транзистора для схем с ОБ и ОЭ с параметрами физических схем замещения (рис. и рис.).

h_11б = r_{э диф}+r_б(1- a); h_11э = r_б+ r_{э диф}(b+1);

h_21б= a r_{к диф}/(r_{к диф}+r_б) = a; h_21э = b r_{к диф}/(r_{к диф}+r_{э диф}) = b;

h_12б= r_б/(r_{к диф}+r_б) = r_б/r_{к диф}; h_12э = (b+1) r_{к диф}/r_{э диф};

h_22б= 1/(r_{к диф}+r_б) = 1/r_{к диф}; h_22э = (b+1) /r_{к диф} = 1/ r^*_{к диф}.

Методика графического определения h – параметров транзистора

Располагая вольт–амперными характеристиками транзистора, можно графическим путем определить низкочастотные значения h-параметров. Для определения h-параметры необходимо задать рабочую точку, например А (I_бА, U_кэА), в которой требуется найти параметры.

Параметры h_11э и h_12э находят по входной характеристики U_бэ =¦₁(I_б)|_Uкэ=const.

Определим h_11э для заданной рабочей точки А (I_бА, U_кэА). На входной характеристике находим точку А, соответствующую заданной рабочей точке (рис.9). Выбираем вблизи рабочей точки А две вспомогательные точки А₁ и А₂ (приблизительно на одинаковом расстояние), определим по ними DU_бэ и DI_б и рассчитаем входное дифференциальное сопротивление, по формуле:

h_11э=(DU_бэ /DI_б)|_Uкэ=const.

Приращения DU_бэ и DI_б выбираю так, чтобы не выходить за пределы линейного участка, их можно примерно принять за (10-20)% от значений рабочей точки.

Графическое определение параметра h_12э = DU_бэ /DU_кэ затруднено, так как семейство входных характеристик при различных DU_кэ>0 практически сливается в одну (рис.7,а).

Параметры h_22э и h_21э определяются из семейства выходных характеристик транзистора I_к=¦₁ (U_кэ) (рис.10).

Параметр h_21э= (DI_к /DI_б))|_Uкэ=const. находится в заданной рабочей точки А (I_бА, U_кэА). Приращение тока базы DI_б следует брать вблизи выбранного значения тока базы I_бА|_{Uкэ=UкэА}, как DI_б=I_б2 –I_б1. Этому приращению DI_б соответствует приращение коллекторного тока DI_к = I_к2 –I_к1.. Тогда дифференциальный коэффициент передачи тока базы рассчитаем по формуле h_21э= (DI_к /DI_б))|_Uкэ=const..

Параметр h_22э=(DI_к/DU_кэ)½_Iб=const определяется по наклону выходной характеристики (рис.10) в заданной рабочей точки А (I_бА, U_кэА), где DU_кэ|_{Iб = IбА} =U_к2 –U_к1–приращение коллекторного напряжения, вызывающие приращение коллекторного тока DI^*_к. При этом из семейства выходных характеристик следует выбирать ту характеристику, которая снята при выбранном значение тока базы I_б=I_бА.

Если рабочая точка не совпадает ни с одной траекторией приведенной на графике, то такую траекторию надо провести самостоятельно, между и по аналогии с соседними, значения тока базы которых известно, и присвоить ей значение тока базы равное I_бА.

 

Вопрос 33

Зависимости характеристик и параметров транзистора

от температуры и положения рабочей точки

Влияние температуры на работу транзистора. Работа транзисторов сильно зависит от температуры, при которой находятся р-n-переходы. Различают три основные причины нестабильности тока коллектора при изменении температуры. Прежде всего от температуры существенно зависит обратный ток коллекторного перехода I_ко. Установлено, что ток I_ко удваивается при изменении температуры на каждые 10 °С для германиевых и на каждые 7 °С для кремниевых транзисторов. Кроме того, напряжение база — эмиттер Uбэ с ростом температуры уменьшается. Ориентировочно значение этого уменьшения ∆Uбэ /∆T= -2,5 мВ/°С. Наконец, коэффициент передачи ток β с увеличением температуры переходов увеличивается.

Наиболее вредное влияние на работу транзистора при изменении температуры оказывает увеличение тока I_ко. За счет этого фактора в наихудшем случае ток коллектора может возрасти настолько, что произойдет тепловой пробой коллекторного перехода транзистора.

1) Температурная зависимость:

С повышение температуры, ВАХ транзистора смещается вверх, это связано с тем, что в состав коллекторного тока входит тепловой ток коллекторного перехода, который существенно зависит от температуры. При включении транзистора по схеме с общим эмиттером , эта зависимость значительно сильнее, чем при включении по схеме с общей базой.

Рассмотрим зависимость :

возрастает, так как с увеличением температуры, увеличивается коэффициент диффузии, то есть скорость переноса зарядов в область базы. Напряжение возрастает, следовательно, время нахождения в области базы меньше, а значит, возможность рекомбинации уменьшается.

Частотная зависимость – с ростом частоты усилительные свойства транзистора ухудшаются (см. График *)

Зависимость параметров транзистора от положения рабочей точки. Рабочая точка транзистора – это совокупность постоянных напряжений и токов на выводах транзистора .

Спад при малых связан с рекомбинацией в эмиттерном переходе. Спад при больших связан с уменьшением коэффициента инжекции при высоких плотностях эмиттерного тока.

При малых , уменьшение связанно с эффектом Эрли, в результате которого происходит расширение толщины базы. При больших , резко возрастает, это связанно с пред пробойным состоянием транзистора.

 

Вопрос 34

Предельно допустимые параметры транзистора

— это те параметры, которые не должны быть превышены при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность. К ним относят:

Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора Р_Ктлх — наибольшая мощность, рассеиваемая в транзисторе при температуре окружающей среды Т_с (или корпуса Tк). При работе транзистора в режиме переключения, кроме мощности, рассеиваемой в коллекторном переходе, добавляется мощность, рассеиваемая в базе.

Значение Р_mах, допустимое при заданной температуре корпуса Т_к или окружающей среды T_с, определяют по формулам

P_max(T_к)= (T_{n max} – T_к)/R_{т пк} P_max(T_с)= (T_{n max} – T_с)/R_{т пс}

где Т_{n птах} — максимально допустимая температура р-n-перехода; R_{т пк} — тепловое сопротивление переход—корпус; R_{т пс} — тепловое сопротивление переход—окружающая среда.

Максимально допустимые напряжения: U_{кб max} U_{кэ max} U_{эб max} .. Для большинства биполярных транзисторов указывается максимальное сопротивление между базой и эмиттером R_Б, при котором допустимо данное значение U_{кэ max} в отсутствие запирающего смещения на базе.

Максимально допустимые токи I_{к max} I_{э max} I_{б max}(регламентируется только для транзисторов большой и средней мощности).

Частотные и импульсные свойства транзисторов. С повышением частоты коэффициент передачи тока эмиттера уменьшается по модулю и становится комплексной величиной. Как следствие, происходит сдвиг по фазе между переменными составляющими тока коллектора и тока эмиттера. Частотные свойства транзисторов принято характеризовать рядом параметров.

Предельной частотой коэффициента передачи тока называют такую частоту, на которой модуль коэффициента передачи тока уменьшается в (2)^1/2раз, т. е. на 3 дБ по сравнению с его низкочастотным значением. При включении транзистора по схеме ОБ эту частоту обозначают f_h21б или иногда f_a. В зависимости от значения этой частоты различают низкочастотные (f_a < 3 МГц), среднечастотные (3 МГц < f_a < < 30 МГц), высокочастотные (30 МГц < f_a < 300 МГц) и СВЧ (f_a> 300 МГц)-транзисторы.

В схеме ОЭ предельную частоту передачи тока базы обозначают символом f_h21э или f_b. Следует заметить, что частотные свойства транзистора в схеме ОЭ хуже, чем в схеме ОБ, так как частота f_h21э примерно в b раз ниже частоты f_h21б.

Граничной частотой коэффициента передачи тока базы в схеме ОЭ называют такую частоту f_гр(или f₁), на которой модуль коэффициента передачи тока базы равен единице. Для транзистора справедливы следующие соотношения:

f_h21э = f_h21б /b, f_h21б =1,2 f_гр

Максимальной частотой генерации fmax это наибольшая частота, при которой транзистор способен работать в схеме автогенератора при оптимальной обратной связи.

Важным параметром служит сопротивление базы транзистора г_б, представляющее собой распределенное омическое сопротивление базовой области. Это сопротивление необходимо знать при определении входного сопротивления каскада. Сопротивление г₆ находят путем измерения постоянной времени цепи обратной связи т_к, поскольку т_к = г_б С_к, где С_к — емкость коллекторного перехода.

 

Вопрос 35

Полевые транзисторы

4.1. Основные сведения и классификация

Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых управление выходным током I_вых, осуществляется с помощью поперечного электрического поля создаваемого входным напряжением U_вх, путем изменения сопротивления полупроводникового канала, проводящего выходной ток, т.е. I_вых=Su_вх, где S - крутизна. Их работа основана на перемещении только основных носителей заряда, т. е. дырок или электронов, а потому их иногда называют униполярными. Процессы инжекции и экстракции в таких транзисторах не играют основной роли. Основным способом движения зарядов является их дрейф в электрическом поле.

Электрод полевого транзистора, через который втекают носители заряда в канал, называется истоком (И), а электрод, через который из канала вытекают носители заряда, называется стоком (С). Эти электроды обратимы. С помощью напряжения, прикладываемого к третьему электроду, называемому затвором (3), осуществляют перекрытие канала, т. е. изменяют удельную проводимость или площадь сечения канала.

Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим р-n -переходом и с изолированным затвором (МДП-транзисторы, представляющие собой структуру металл — диэлектрик — полупроводник). МДП-транзисторы, в свою очередь, делятся на транзисторы со встроенным и индуцированным каналом.

Рис.1

Полевые транзисторы обладают существенными преимуществами по сравнению с биполярными транзисторами. 1. Одним из основных достоинств полевого транзистора является его высокое входное сопротивление (10⁶— 10⁷ Ом — у транзисторов с управляющим p-n-переходом и 10¹⁰ —10¹⁵ Ом у МДП-транзисторов). 2. Они более устойчивы к воздействию ионизирующих излучений, 3. - хорошо работают и при очень низкой температуре вплоть до температуры жидкого азота (—197 °C). 4. - характеризуются низким уровнем шумов. 5. МДП-транзисторы занимают малую площадь на поверхности кристалла полупроводника, а потому широко применяются в интегральных микросхемах с высокой степенью интеграции.

4.2. Устройство и принцип действия и ВАХ полевого транзистора с электронно-дырочным переходом

Рассмотрим n-канальный полевой транзистор. Он состоит (рис.1.1) из слаболегированного полупроводника n-типа выполненного в виде пластины, которая представляет собой канал. На каждую из боковых граней пластины наносится слой высоколегированного полупроводника с противоположным типом (p⁺) проводимости - он представляют собой затвор. Оба слоя материала, нанесенные на боковые грани, чаще всего электрически соединены и образуют электрод, имеющий внешний вывод через омический контакт. Этот электрод называется затвором З. Между затвором и каналом образуется р-n –переходы, причем его обедненная область расположена в канале т.к. он слаболегирован. Объем канала, заключенный между р-n- переходами, является проводящей частью канала.

Торцы пластины снабжены электродами, имеющими омические контакты, с помощью которых прибор включается в электрическую цепь. Один из выводов называют истоком И. Его заземляют (соединяют с общей точкой схемы), а другой называет стоком С. На сток подают напряжение U_си такой полярности, чтобы основные носители канала двигались к стоку. При включении в схему сток и исток можно менять местами. Такое включение называется инверсным. Если исходная пластина изготовлена из полупроводника n –типа, то сток подключается к положительному полюсу источника ЭДС, а исток — к. отрицательному.

На затвор полевого транзистора подают напряжение U_зи смещающее p-n-перехода в обратном направлении. При этом толщина обедненного слоя p-n-перехода увеличится, а сечение проводящей части канала уменьшится. Это изменяет величину сопротивления канала, т.е. сопротивления между стоком и истоком. Следовательно, изменяя входное напряжение U_зи, можно изменять электрическое сопротивление канала, в результате чего будет меняться выходной ток I_c, протекающий в цепи исток-сток под действием приложенного к стоку напряжения U_си.

В цепи затвора протекает малый ток обратносмещенного р-n-перехода I_з. Поэтому входная проводимость полевого транзистора для постоянного тока и переменного тока низкой частоты может быть очень малой.

Принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Принцип работы рассмотрим по физическим моделям, приведенным на рис.

 

U_си=0. Область обеднённая носителями заряда, располагается в объёме канала, причём она имеет одинаковую толщину по его длине. Напряжение U_зи позволяет управлять сечением проводящей части канала, а следовательно и сопротивлением исток-сток.. В таком режиме полевой транзистор, выполняет роль переменного сопротивления управляемого U_зи.

При U_зи<U_{зи отсечки} смыкание канала происходит на стоке. В этом случае весь канал представляет собой область обеднённую носителями зарядов. R_си , I_с=0. Это режим отсечки тока стока.

0<U_зи<U_{си нас}. По каналу протекает ток стока, создавая на его объёмном сопротивлении потенциал, который неодинаков по длине канала. Максимальный он у стока, а минимален у истока. Это приводит к тому, что проводящая часть канала разную ширину - у стока уже, чем у истока.

При U_си= U_{си нас} происходит смыкание проводящей части канала у стока.

U_{си наc}> U_си. Смыкание происходит в объёме канала. При этом I_с с возрастанием U_си, не увеличивается. Это режим насыщения транзистора. Наличие тока стока I_с, объясняется инжекцией носителей заряда в обеднённую область.

 

Вопрос 36

Статические характеристики полевого транзистора с р-п переходом

Если полевой транзистор включен по схеме с общим истоком (ОИ), то связь токов и напряжений могут быть охарактеризованы следующими ВАХ:

Обычно применяются две последние характеристики.

Типичное семейство выходных ВАХ полевого транзистора с n-p- переходом показано на рис 1.2. На выходных ВАХ можно выделить три области.

рис. 1.2. рис. 1.3

Область I. 0<U_си <U_си._нас. Это крутой или омический участок. Ток I_c почти линейно увеличивается с ростом напряжения на стоке. В этой области транзистор может быть использован как омическое, управляемое входным напряжением, сопротивление. Далее линейная зависимость между U_си ток I_c нарушается, так как уменьшается сечение канала и увеличивается его сопротивление.

Область 2. U_си._нас <U_си< U_си._мах. Это область насыщения. При U_си =U _си._нас происходит смыкание проводящей части канала у стока. После чего рост тока стока I_c практически прекращается и его величина почти не зависит от напряжения, так как увеличение напряжения на стоке, с одной стороны, вызывает увеличение тока стока, с другой — сужение канала, что, в свою очередь, уменьшает ток. Напряжение на стоке, при котором возникает этот режим, называется напряжением насыщения U_{си нас}.