ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ И УГЛА СДВИГА ФАЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРИБОРАМИ. 3 страница

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярным транзистором называют полупроводниковый электро- преобразовательный прибор, состоящий из трех областей с чередующи­мися типами электропроводности, пригодный для усиления электричес­кой мощности.

В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок (отсюда их название — биполяр­ные транзисторы). В биполярных транзисторах с помощью трехслойной полупроводниковой структуры из полупроводников различной электро­проводности создаются два р-п-перехода с чередующимися типами элек­тропроводности. Таким образом, биполярные транзисторы по своей структуре могут быть подразделены на два типа: р-п-р и п-р-п (рис.2.9). Для изготовления транзисторов широко применяются два полупроводни ковых материала: германий и кремний.

Рис.2.9.Структуры иусловные графические обозначения биполярных тран­зисторов типов р-п-р (а) и п-р-п (б)

Один из крайних слоев с высокой концентрацией примесей, а следо­вательно, и основных носителей заряда называют эмиттером, он глав- ным образом и создает ток транзистора. Другой крайний слой с не­сколько меньшей концентрацией основных носителей заряда называет­ся коллектором и служит для приема носителей заряда, поступающих из эмиттера. Между эмиттером и коллектором находится база — тонкий слой полупроводника, обедненного носителями заряда, с помощью ко­торого осуществляются необходимые смещения обоих р-n-переходов и через который существует сквозной ток от эмиттера к коллектору.

Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называ­ют эмиттерным переходом, а между коллектором и базой — коллек­торным. На рис. 2.10 показаны структура и конструкция маломощно­го транзистора.

Рассмотрим работу транзистора типа п-р-п. Между коллектором и базой приложено относительно высокое обратное напряжение (рис.2.11). При отсутствии эмиттерного тока  небольшой обратный ток  через закрытый коллекторный переход обусловлен движени­ем только неосновных носителей заряда (для транзистора типа п-р-п это движение дырок из коллектора в базу и электронов из базы в коллектор). Ток  не зависит от тока эмиттера, но существенно зависит от температуры и с ее повышением возрастает. Обратный коллекторный ток обычно составляет 10 — 100 мкА у германиевых и 0,1 — 10 мкА у кремниевых транзисторов.

Рис. 2.10 Структура (а) и конструкция (б) маломощного биполярного транзистора;1— металлический корпус, 2 — крис­талл полупроводника, 3 — стеклянные изоляторы; 4,5,6 — выводы коллектора, базы и эмиттера соответственно

Рис.2.11 Движение носителей заряда в транзисторе типа п-р-п

При подаче на переход база-эмиттер прямого напряжения  от источника питания возникает эмиттерный ток , основные носители заряда — электроны преодолевают переход и попадают в базу. База выполнена из обедненного носителями заряда p-полупроводника и для нее электроны являются неосновными носителями заряда. По­павшие в область базы электроны частично рекомбинируют с дыр­ками базы. Но поскольку толщина базы небольшая и концентрация дырок в базе низкая, рекомбинируют лишь немногие электроны, об­разуя базовый ток . Большинство же электронов, попав в ускоряю­щее электрическое поле вблизи коллекторного p-n-перехода, втягива­ются в коллектор, свободно проходя через закрытый p-n-переход. Эта составляющая коллекторного тока мало зависит от напряжения на коллекторномp-n- переходе, т.е. при наличии электрического поля все электроны, за исключением рекомбинировавших, попадают в коллек­тор. Очевидно, что ток коллектора всегда меньше тока эмиттера на значение тока базы и практически равен току эмиттера.

Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока

Для современных биполярных транзисторов а =0,9 + 0,995.

При /3^0 коллекторный ток транзистора

Таким образом, входным (управляющим) током является эмиттер­ный ток, а выходным — коллекторный.

Транзисторы типа р-п-р работают аналогично, только полярности внешних источников меняются на противоположные.

В зависимости от того, какой электрод транзистора используется в качестве общего вывода для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмит­тером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).

Рассмотренная на рис. 2.11 схема включения называется схемой с ОБ, на практике она используется редко. Наиболее распространен­ной является схема включения биполярного транзистора с общим эмит­тером (рис 2.12, а). Для такой схемы входной контур проходит через переход база-эмиттер и в нем возникает ток базы

Малое значение тока базы во входном контуре и обусловило ши­рокое применение схемы с общим эмиттером.

Рис 2 12 Включение транзистора типа п-р-ппо схеме с общим эмиттером (а) и его упрощенная схема замещения (б)

Рис 2 13Входная (а) и выходные (б) вольт-амперные характеристики бипо­лярного транзистора

Для анализа работы транзистора и для расчетов схем при боль­ших сигналах часто используются ВАХ транзистора На рис 2 13 показаны типовые ВАХ маломощного биполярного транзистора по схе­ме включения с ОЭ Зависимость между током и напряжением во вход­ной цепи транзистора  - называют входной или базовой характеристикой транзистора (см рис 2 13,а) Зависимость тока кол­лектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фикси­рованных значениях тока базы называют семей­ством выходных (коллекторных) ВАХ транзистора (см рис 2 13,б) Входная характеристика практически не зависит от напряжения а выходные приблизительно равноудалены друг от друга и почти пря­молинейны в широком диапазоне изменения напряжения

Для аналитических расчетов малосигнальных устройств с биполярны­ми транзисторами используются h-параметры транзистора При малых изменениях сигналов транзистор можно считать линейным активным четырехполюсником, а его электрическое состояние описывается систе­мой из двух линейных уравнений На рис 2.12,б показана схема замеще­ния транзистора, включенного по схеме с ОЭ Электрическое состояние транзистора характеризуют четыре величины, две из которых —  и — считаются независимыми, а две других—  и — могут бытьвыражены через них. Тогда

где  

;

;

;

;

Параметры h могут быть легко определены по входной и выходным характеристикам транзистора с учетом приведенных выше зависимостей.

 Параметр  имеет размерность сопротивления, он представляет собой входное сопротивление биполярного транзистора. Параметр безразмерный коэффициент внутренней обратной связи по напря­жению. Его значения лежат в пределах 0,002 — 0,0002 и в большинст­ве случаев им можно пренебречь, т.е. полагать равным нулю.

Параметр  — коэффициент передачи тока, характеризующий уси­лительные (по току) свойства транзистора при постоянном напряжении на коллекторе. Параметр имеет размерность проводимости и характе­ризует выходную проводимость транзистора при постоянном токе базы.

 -параметры транзистора позволяют достаточно просто создать его схему замещения, в которой присутствуют только резистивные элементы и управляемый источник тока.

Характеристики транзистора сильно зависят от температуры. С по­вышением температуры резко возрастает начальный коллекторный ток  вследствие значительного увеличения количества неосновных носи­телей заряда в коллекторе и базе. В то же время несколько увеличивает­ся и коэффициент  из-за увеличения подвижности носителей заря­да  -параметры транзистора, особенно коэффициент передачи тока  зависят от частоты переменного напряжения, при которой произ­водят измерение приращений токов и напряжений , , , так как на высоких частотах начинает сказываться конечное вре­мя, за которое носители заряда ( в транзисторе типа п-р-п это электро­ны) проходят расстояние от эмиттера до коллектора транзистора.

Частоту, на которой коэффициент передачи тока  уменьшается до единицы, называют граничной частотой коэффициента передачи тока  На практике часто используют частоту , на которой параметр уменьшается в раза.

Рис 2 14 Рабочая область выходных ВАХ биполярного транзистора

Для предотвращения перегрева коллекторного р-п-перехода необходимо, чтобы его мощность не превышала некоторого максимального значения

Таким образом, ограничивающей кривой на коллекторных харак­теристиках является зависимость

В целях увеличения допустимой мощности коллектора в мощ­ных транзисторах коллектор для улучшения теплоотвода соединяют с металлическим корпусом транзистора, а сам транзистор монтируют на специальном радиаторе

Ограничение по допустимой мощности коллектора не является един­ственным Если между коллектором и эмиттером приложено слиш­ком высокое напряжение, то может произойти электрический пробой коллекторного р-п- перехода, поэтому необходимо, чтобы при работе транзистора коллекторное напряжение было меньше допустимого

которое обусловлено допустимым нагревом эмиттерного перехода Область, выделенная этими тремя ограничивающими линиями (рис 2 14), является рабочей областью характеристик транзистора Из емкостей р-п- переходов существенное значение имеет только емкость коллекторного перехода С_КБ

Диапазоны значений параметров отечественных биполярных тран­зисторов приведены в табл 22

Для повышения мощности Р_{к макс} выпускают мощные транзис­торные сборки, в которых транзисторы соединены между собой одно­именными выводами Транзисторные сборки могут насчитывать не­сколько десятков мощных транзисторов и работать при токах до 500 А (в ключевом режиме) Для улучшения управляющих свойств транзисторных сборок (увеличения коэффициента ) в них часто

Таблица22 Значения параметров биполярных транзисторов Тип транзистора В Вт А МГц ,ПФ Маломощный Средней мощности Большой мощности 10—80 12—500 20—1500 0,01—0,3 0,3—3,0 3,0—100 0,01—0,4 <10 <50 1,0—8000 1,0—100 0,2—10 1—105—10010—1000 20—1000 20—600 20—200

вводят специальный усилитель на одном-двух транзисторах, вклю­ченных по так называемой схеме Дарлингтона, что позволяет повы­сить коэффициент передачи тока базы  до 300 000.

В отличие от мощных транзисторных сборок в маломощных транзис­торы не соединены между собой и могут использоваться независимо.

Биполярные транзисторы являются полупроводниковыми усили­тельными приборами универсального назначения и широко применя­ются в различных типах усилителей, генераторов, в логических и им­пульсных устройствах.

Вопрос 2.2. Существует ли связь между входными и выходными ВАХ биполярного транзистора с одной стороны, а также прямой и обратной ветвями ВАХ полупроводникового диода с другой стороны?

Варианты ответа

2.2.1. Не существует.

2.2.2 Существует. Входная ВАХ транзистора аналогична обрат­ной ветви, а выходная — прямой ветви ВАХ диода;

2.2.3. Существует. Входная ВАХ транзистора аналогична прямой ветви, а выходная — обратной ветви ВАХ диода.

2.4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевым транзистором называют полупроводниковый электропре- образовательный прибор, ток которого управляется электрическим пол­ем и который предназначен для усиления электрической мощности.

В полевых, или униполярных транзисторах в отличие от биполяр­ных ток определяется движением только основных носителей заряда одного типа — электронов или дырок.

Носители заряда перемещаются по каналу от электрода, называе­мого истоком к электроду, называемому стоком. С помощью треть­его электрода — затвора — создается поперечное направлению дви­жения носителей заряда управляющее электрическое поле, позволяю­щее регулировать электрическую проводимость канала, а следователь­но, и ток в канале.

Полевые транзисторы изготовляют из кремния и в зависимости от электропроводности исходного материала подразделяют на транзис­торы с p-каналом и n-каналом.

По типу управления током канала полевые транзисторы подраз­деляются на два вида: с управляющим р-п-переходом и с изолированным затвором

Структура и схема включения полевого транзистора с п-каналом и управляющим р-п-переходом показаны на рис.2.15

Рис 2 15 Структура (а) и схема включения (б) полевого транзистора с затво­ром в виде р-п -я-перехода и каналом п–типа1,2 — области канала и затвора соответственно, 3,4,5 — выводы истока, стока и затвора соответственно

В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с ни­зким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока I_с. Между затвором и истоком приложено обратное напряжение, запирающее р-п-переход, образованный п-областью канала и р-областью затвора. Таким образом, в полевом транзисторе с nканалом полярнос­ти приложенных напряжений следующие: U_cи>0, . В транзисторе с р-каналом основными носителями заряда являются дырки, которые движутся в направлении снижения потенциала, поэтому полярности при­ложенных напряжений должны быть иными: U_cи<0,

Рассмотрим более подробно работу полевого транзистора с п-каналом. Транзисторы ср-каналом работают аналогично.

На рис. 2.16 показано, как происходит изменение поперечного сечения канала при подаче напряжений между электродами транзистора. При подаче запирающего напряжения на р-п-переход между затвором и кана­лом (см. рис. 2.16,а) на границах канала возникает равномерный слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким удельным сопро­тивлением. Это приводит к уменьшению ширины проводящего канала.

Рис.2.16. Ширина канала в полевом транзисторе при U_cи= 0(а) и при U_cи 0 (б)

Напряжение, приложенное между стоком и истоком (см. рис 2.16.б), приводит к появлению неравномерного обедненного слоя, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку и наименьшая площадь поперечного сечения канала расположена вблизи стока. Толщина обедненного слоя, и следовательно, площадь поперечного сечения канала будут опреде­ляться действием двух этих напряжений. При этом минимальная пло­щадь поперечного сечения канала определяется их суммой. Когда сум­марное напряжение достигает напряжения запирания обедненные об­ласти смыкаются и электрическая проводимость канала резко падает

ВАХ полевого транзистора приведены на рис. 2.17. Здесь зависи­мости тока стока  от напряжения  при постоянном напряжении на затворе  определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого транзистора (смрис, 2.17л). На начальном участке характе­ристик,  ток стока  возрастает с увеличением . При повышении напряжения сток-исток до происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока  прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение  между затво­ром и истоком приводит к меньшим значениям напряженияи тока , при которых происходит перекрытие канала Область насы­щения справа от пунктирной линии является рабочей областью вы­ходных характеристик полевого транзистора.

Дальнейшее увеличение напряжения приводит к пробою р-п-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя. По выходным характеристикам может быть построена переда­точная характеристика  (см.рис. 2.17,5). На участке насы­щения она практически не зависит от напряжения . Входная ха­рактеристика полевого транзистора — зависимость тока утечки за­твора  от напряжения затвор — исток — обычно не используется, так как при p-n- переход между затвором и каналом закрыт иток затвора очень мал ( , поэтому во многих случаях им можно пренебречь.

Рис 2 17 Выходные (а) полевого транзистора и передаточные (б) вольт-амперные характеристики полевого транзистора

Рис 2.18 Структура (а) и схема включения (б) МДП -транзистора с индуци­рованным каналом п -типа.

1 - 4 - области истока, канала, стока и подложки соответственно, 5 8 - выводы истока, затвора, стока и подложки соответственно, 9- диэлект­рик, 10— затвор

В настоящее время широкое распространение получили полевые тран­зисторы, в которых металлический затвор изолирован от полупровод­ника слоем диэлектрика. Такие транзисторы называют МДП-транзисторами (металл — диэлектрик — полупроводник), или МОП-транзисторами (металл — оксид — полупроводник). Их входное сопротивление достигает значения 10¹⁵ Ом, т.е. ток затвора на несколько порядков ниже тока полевых транзисторов с управляющимр-п -переходом.

Структура МДП-транзистора с индуцированным каналом я-типа изо­бражена на рис. 2.18,а. На подложке из полупроводника р-типа околоистока и стока формируются области n-типа с повышенной концентра­цией носителей заряда. На поверхности подложки располагается метал­лический затвор, изолированный от нее слоем диэлектрика. Между сто­ком и истоком приложено положительное напряжение . Пока уп­равляющее напряжение между затвором и истоком  отсутствует, ток стока равен нулю, так как цепь исток — подложка — сток представляет собой два включенных навстречу друг другу р-п -перехода. Если на за­твор подать положительное напряжение, то под действием электричес­кого поля электроны подложки будут перемещаться в направлении к затвору, а дырки — вглубь подложки. В поверхностном слое подложки между истоком и стоком образуется тонкий слой с повышенной концен­трацией электронов. Кроме того, часть электронов диффундирует из областей истока и стока. В результате между истоком и стоком образу­йся (индуцируется) канал, по которому перемещаются носители заряда, и ток стока при этом становится отличным от нуля. Очевидно, что с повышением напряжения на затворе увеличивается электрическая проводимость канала, и следовательно, возрастает ток стока.

На рис 2.18,б изображены условное графическое обозначение и схема включения транзистора с индуцированным каналом n-типа, а на рис 2.19 представлены его выходные и передаточная ВАХ, из которых видно, что управление осуществляется напряжением  одной полярности.

Для транзисторов с каналом р-типа полярности напряжений внеш­них источников меняются на противоположные.

Разновидностью МДП-транзисторов является транзистор со встро­енным каналом, который создается технологически в поверхностном слое подложки Это тонкий слой полупроводника, соединяющий исток со стоком и одинакового с ними типа электропроводности В таком тран­зисторе при наличии между стоком и истоком напряжения  и при нулевом напряжении на затворе ток стока будет отличен от нуля. При увеличении в сторону положительных (для канала n-типа) значений на­пряжения между затвором и истоком электрическая проводимость кана­ла за счет обогащения носителями заряда будет увеличиваться, а ток стока — возрастать. Отрицательное напряжение между затвором и ис­током будет вызывать сужение канала (обеднение носителями), ток сто­ка будет уменьшаться, а при достижении напряжением некоторого по­рогового значения — прекратится. Таким образом транзистор со встро­енным каналом управляется разнополярными напряжениями. Вольт-амперные характеристики и условное графическое обозначение МДП-транзистора со встроенным каналом представлены на рис. 2 20

ВАХ полевых транзисторов с изолированным затвором в основ­ном аналогичны характеристикам полевых транзисторов с управля­ющим р-п -переходом

Основными параметрами полевых транзисторов являются крутиз­на характеристики передачи

 при

и дифференциальное (внутреннее) сопротивление стока (канала) на участке насыщения

 при

В качестве предельно допустимых параметров нормируются, макси- мально допустимые напряжения и ; максимально допус­тимая мощность стока ; максимально допустимый ток стока .Значения параметров полевых транзисторов приведены в табл 2.3

Таблица 2.3. Значения параметров полевых транзисторов Тип транзистора  ,мА/В ,МОм В Вт  мА , А С управляющим р-п -переходом 1-20 0,1-0,5 5-100 0,1-10 10- 1000 10-8-10-9 Сизолированным затвором 0,5-50 0,1-0,5 5-1000 0,01-50 0,1-5000 10-10-10-15