Польові (уніполярні) транзистори

ВОЛЬТ-АМПЕРНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

БІПОЛЯРНОГО І ПОЛЬОВОГО ТРАНЗИСТОРІВ

Вступ

Біполярні транзистори

Центральна область транзистора називається базою (Б). В ній створюються дві області – емітер (Е) і колектор (К) – провідність яких протилежна провідності бази. Тому між емітером і базою та колектором і базою утворюються p–n–переходи, які відповідно називаються емітерним переходом (ЕП) і колекторним переходом (КП). Від всіх областей транзистора робляться виводи, які носять таку ж назву, як і область, з якої вони виходять.

Функція емітерного переходу полягає в інжектуванні (емітуванні) основних зарядів емітера в базу. Функція колекторного переходу – зби­рання зарядів, що перешли з емітера в базу і переведення їх у колектор. Щоб носії заряду, які інжектуються в базу емітером, повніше збиралися колектором, площу колекторного переходу роблять більше площі емітерного переходу.

Основним призначенням будь-якого транзистора є управління струмом. Режим роботи транзистора, в якому можливе управління величиною струму, що протікає через нього, називається активним. Для того, щоб транзистор працював в активному режимі, джерела живлення мають підключатися до транзистора так, щоб емітерний перехід був зміщений у прямому напрямку, а колекторний перехід – у зворотному.

В транзисторі існують три основні струми.

Струм емітера. В p–n–p транзисторі цей струм створюється дірками, які поступають з емітера в базу і електронами, що рухаються в протилежному напрямку – з бази в емітер. Співвідношення діркової складової емітерного струму до повного емітерного струму називають коефіцієнтом інжекції:

Чим більша величина цього коефіцієнту, тим краще транзистор. Для типових транзисторів g = 0,97– 0,995.

Струм колектора. Незначна частина дірок, що перейшли з емітера в базу, рекомбінують з електронами бази. Більшість дірок, дифундуючи в базі, досягають колекторного переходу, який ввімкнено у зворотному напрямку. Його замикаюче електричне поле спрямоване з бази в колектор. Дірки, що дифундують в базі, потрапляючи в це поле, перекидаються в колектор. При цьому створюється діркова складова колекторного струму I_Кp. Одночасно з цим замикаюче поле колекторного переходу сприяє дрейфу неосновних носіїв заряду колектора – електронів – з колектора в базу, і неосновних носіїв бази – дірок – з бази в колектор. Створений при цьому струм є зворотним струмом колекторного переходу. Його величина визначається концентраціями неосновних носіїв у колекторі і в базі, які, в свою чергу, залежать тільки від температури. Тому і величина цього струму залежить тільки від температури; сам струм називають тепловим і позначають І_КБ0. Він протікає з бази в колектор і замикається через джерело колекторного живлення.

Таким чином, колекторний струм є сумою діркової складової і теплового струму:

I_K = I_Kp + І_КБ0.

Зрозуміло, що I_Kp >> І_КБ0, і фактично I_K @ I_Kp.

Співвідношення діркових складових колекторного і емітерного струмів визначається коефіцієнтом переносу

Фактично він показує, яка частка дірок, що вийшли з емітера, досягає колектора. Чим більше d, тим кращі властивості транзистора з управління струмом. Типові значення цього коефіцієнта лежать у межах 0,96 – 0,996.

Діркова складова колекторного струму зв’язана з емітерним струмом коефіцієнтом передачі струму

який є одним з основних параметрів транзистора. Помноживши чисельник і знаменник цієї рівності на І_Ер, одержимо:

Чим ближче a до одиниці, тим краще транзистор управляє струмом. Способи збільшення коефіцієнта передачі струму пов’язані зі способами збільшення коефіцієнтів g і d.

Струм бази. Цей струм є сумою трьох складових:

а) При створенні електронної складової емітерного струму І_Еn електрони з бази відходять в емітер. Через те, що база має лишатися електрично нейтральною, така ж кількість електронів поступить у базу з джерела Е_ЕБ по базовому виводу. Таким чином, першою складовою струму бази є електронна складова емітерного струму

І_Б1= І_Еn.

б) Частина дірок, що вийшли з емітера в базу, у процесі дифузійного руху зустрічаються з електронами бази і рекомбінують. Втрачені в цьому процесі електрони також компенсуються по виводу бази з джерел живлення. Цим створюється друга складова струму бази – рекомбінаційна

І_Б2= І_Б(рек).

в) Як йшлося вище, тепловий струм І_КБ0, що протікає через колекторний перехід, замикається через вивід бази на джерело колекторного живлення. Це і є третя складова базового струму – теплова

І_Б3=– І_КБ0.

Отже, повний струм бази

І_Б= І_Б1+ І_Б2 + І_Б3 = І_Еn + І_Б(рек)– І_КБ0.

Величини струмів транзистора пов’язані між собою простими співвідношеннями, які і визначають всі основні властивості цього приладу.

Якщо уявити базу транзистора вузлом струмів І_Е, І_К і І_Б, то згідно з першим законом Кірхгофа

                                                          І_Е = І_К + І_Б.                                       ( 2.1 )

Зв'язок струмів емітера і колектора дається формулою

                                                       I_K = aІ_Е + І_КБ0.                                    ( 2.2 )

Зв'язок струмів колектора і бази

                                                 I_K = b І_Б + (1 + b)^.І_КБ0.                             ( 2.3 )

Коефіцієнт b є одним з найважливіших параметрів транзистора. Він визначає, у скільки разів постійний струм колектора більше постійного струму бази. Тому параметр b називається коефіцієнтом підсилення з постійного струму. Зв'язок струмів емітера і бази також виражається через коефіцієнт b:

І_Е = (1+b)^.( І_Б+ І_КБ0).    ( 2.4 )

Отже, формули (2.2), (2.3), (2.4) визначають залежності між парами струмів транзистора, а формула (2.1) пов’язує всі три струми.

Транзистор в реальних схемах зв’язує два ланцюги – вхідний і вихідний. Кожен з них має по два полюси, а транзистор – три виводи. Отже, один вивід транзистора має одночасно відноситися до вхідного і вихідного ланцюгів. Цей вивід називають спільним. Залежно від того, який вивід транзистора є спільним, розрізняють три схеми включення транзистора. (В схемах, що наведені нижче, показані тільки джерела живлення вхідних і вихідних ланцюгів і не показані джерела вхідних сигналів і опори навантаження).

Схема включення транзистора зі спільною базою (СБ).

У цій схемі (рис. 2.2, ліворуч) вхідним струмом є струм емітера, а вихідним – струм колектора. Залежність між цими струмами визначається формулою (2.2). Відповідно властивість транзистора з управління струмом полягає в тому, що величина вихідного струму – струму колектора, залежить від величини вхідного струму – струму емітера.

Схема включення транзистора зі спільним емітером (СЕ). В цій схемі (рис. 2.2, праворуч) вхідним струмом є струм бази, а вихідним – струм колектора. Залежність колекторного струму від базового показано формулою (2.3).

 Схема включення транзистора зі спільним колектором (СК).

 При такому включенні транзистора вхідним струмом є струм бази, а вихідним – струм емітера. Зв'язок між цими струмами подано формулою (2.4). Управління струмом у цій схемі полягає в тому, що будь-яке змінення струму бази призведе до відповідного змінення емітерного струму.

В даному завданні визначаються вольт-амперні характеристики транзистора, підключеного за схемою зі спільним емітером. Ця схема найчастіше застосовується в електронних пристроях. На основі вольт-амперних характеристик визначаються основні параметри транзистора для цієї ж схеми підключення.

Польові (уніполярні) транзистори

У транзисторах цього типу струм утворюється носіями одного типу – електронами або дірками, тому вони і називаються уніполярними (від лат. "unus" – один). Управління струмом здійснюється зміненням провідності каналу за допомогою електричних полів, через який протікає струм транзистора, внаслідок чого вони також називаються польовими. Широке застосування уніполярних транзисторів обумовлюється низкою їх позитивних якостей: великим вхідним опором, високою технологічністю і, як наслідок, достатньою повторюваністю параметрів, відносно низькою вартістю та ін.

Існує два основних типи польових транзисторів: з p-n-переходом і з ізольованим затвором.

Структура кристалу такого транзистора і його схемне позначення показані на рис. 2.3.

В пластині напівпровідника p-типу зверху і знизу створюються електрично з’єднані області з провідністю n-типу. Область кристалу, від якої рухаються основні носії заряду (в даному випадку – дірки) називають витоком. Область кристалу, до якої рухаються ці носії, називають стоком. Від цих областей кристалу робляться електричні виводи – електроди, які називаються відповідно. Область n-типу називається затвором, від неї також робиться вивід. Між двома областями затвору розташований канал транзистора, по якому основні носії рухаються від витоку до стоку, створюючи струм через транзистор. (Польові транзистори іноді називають канальними). Тип провідності каналу відповідає типу провідності пластини. В наведеному прикладі канал має провідність p-типу, а затвор – провідність n-типу. Такі транзистори називають транзисторами з каналом p-типу. Абсолютно аналогічну структуру мають транзистори з каналом n-типу і затвором p-типу. Головною рисою цих транзисторів є те, що між каналом і затвором утворюється p-n-перехід.

Важливо відмітити, що концентрація домішок у каналі набагато менша, ніж в області затвору. В областях витоку і стоку концентрація домішок також дещо підвищена порівняно з каналом. Це робиться для того, щоб зменшити марні втрати напруги і потужності в цих областях.

Величина струму, що протікає по каналу транзистора, залежить як від напруги на затворі, так і від напруги на стоку. Тому управління струмом транзистора можна здійснювати зміною напруги як на затворі, так і на стоку.

Управління струмом транзистора напругою на затворі.

Для цього транзистор треба підключити до джерел напруги так, як показано на рис. 2.4. Оскільки основними носіями в каналі р-типу є позитивно заряджені дірки, то до стоку треба підключити негативний полюс джерела напруги Е_СВ. При такому підключенні дірки будуть рухатися від витоку до стоку. Перехід між затвором і каналом повинен бути ввімкнений у зворотному напрямку, тому до затвору підключається позитивний полюс джерела напруги U_ЗВ.

Якщо U_ЗВ = 0, то ширина переходу в каналі мінімальна і визначається тільки концентрацією домішок у ньому N_канал:

(Dj₀ – контактна різниця потенціалів в p-n-переході).

При збільшенні напруги U_ЗВ перехід розширюється, а канал, відповідно, звужується. Його опір збільшується, а струм через канал (І_С – струм стоку) зменшується. При деякій напрузі на затворі, яка називається напругою відсікання (U_ЗВ,4 = U_відс) перехід займає весь канал, його опір стає дуже великим і струм через транзистор припиняється.

Процес управління струмом транзистора напругою на затворі описується статичною стоко-затворною характеристикою, яка відображає залежність струму стоку від напруги на затворі при постійній напрузі на стоку:

І_С = f(U_ЗВ) при U_СВ = const.

Приклад типової стоко-затворної характеристики для транзистора з p-n-переходом наведено на рис. 2.5. Слід звернути увагу на її нелінійний характер.

Управління струмом транзистора напругою на стоку. Схема увімкнення транзистора показана на рисунку 2.6. Для простоти пояснення затвор і виток перемкнуті коротко, тобто U_ЗВ = 0. Напруга на стоку U_СВ змі

Різниця потенціалів між затвором і каналом у точці а не залежить від напруги на стоку і дорівнює контактній різниці потенціалів

Dj_а = Dj₀.

Різниця потенціалів в точці b є сумою контактної різниці потенціалів і напруги між стоком і витоком транзистора

Dj_b = Dj₀ + U_СВ.

Таким чином, при збільшенні напруги на стоку транзистора ширина переходу в точці а не змінюється, а в точці b – збільшується. Тому структура p- n-переходу має такий вигляд, як показано на рис. 2.6.

Процес управління струмом транзистора напругою на стоку відображається статичною стоковою характеристикою, яка дає залежність струму стоку від напруги на стоку при постійній напрузі на затворі:

І_С = f(U_СВ) при U_ЗВ = const.

Ділянка а – b. Підвищення напруги на стоку викликає розширення переходу, і, як наслідок, звуження каналу. Це звуження ще незначне, але достатнє, щоб лінійна залежність між струмом і напругою порушилась.

 Ділянка b – с. Напруга на стоку достатня для того, щоб ширина переходу в точці b зрівнялася з шириною каналу. В цьому стані підвищення стокової напруги викликає лиш незначне зростання струму транзистора. 

Ділянка с – d. Канал повністю перекрито переходом і його опір пропорційний напрузі на стоку. Підвищення напруги на стоку викликає таке ж відносне зростання опору каналу. Тому теоретично струм через транзистор не змінюється. На практиці на цій ділянці струм стоку трохи зростає за рахунок протікання зарядів по поверхні кристалу. Подальше збільшення напруги на стоку викликає пробій переходу в області стоку і різке зростання струму, що протікає через транзистор.

Основні параметри польових транзисторів. Параметри транзисторів зручно розділити на дві групи – з постійного і змінного струмів; останні також називають диференційними.

Параметри транзистора з постійного струму:

Максимальна напруга стік – витік U_{СВ,МАКС}. Ця напруга звичайно в 1,2 – 1,5 рази менша напруги пробою переходу на ділянці стік – затвор при напрузі на затворі U_ЗВ = 0.

Напруга відсікання U_ВІДС. Це напруга на затворі, при якій струм стоку дорівнює нулю (див. рис. 2.5).

Величини міжелектродних ємностей С_СВ, С_СЗ, С_ЗВ.

Параметри транзистора зі змінного струму:

Крутизна стоко-затворної характеристики:

Цей параметр визначає дієвість затвору з управління струмом і вимірюється у позасистемних одиницях [мА/В]. Він показує, на скільки міліампер змінюється струм стоку, якщо напруга на затворі зміниться на 1 В.

Внутрішній (вихідний) опір

Цей параметр визначає опір транзистора між стоком і витоком (опір каналу) для змінного струму.

Коефіцієнтпідсилення з напруги

Цей параметр показує, у скільки разів сильніше діє на струм стоку зміна напруги на затворі, ніж зміна напруги на стоку.

Коефіцієнт підсилення зв‘язаний з крутизною і внутрішнім опором простою залежністю

Польові транзистори з ізольованим затвором.

В таких транзисторах металевий затвор відділено від напівпровідникового каналу тонким шаром ізолятора. Тому ці прилади також називають МДН-транзисторами (абревіатура слів метал – діелектрик – напівпровідник) або МОН-транзисторами (від слів метал – окисел – напівпровідник), тому що в якості діелектрика найчастіше застосовується діоксид кремнію SiO₂. Існують два типи транзисторів з ізольованим затвором: з вбудованим каналом і з індукованим каналом.

Розглянемо будову і принцип дії приладу на прикладі транзистора з каналом n-типу.

Основою транзистора є кремнієва пластина р-типу – підшар. В ній створюються дві області з підвищеною провідністю типу n⁺ – кармани. Ці області є витоком і стоком. Від них роблять відповідні виводи. Між витоком і стоком створюють тонкий поверхневий канал з провідністю n-типу. Довжина каналу від витоку до стоку зазвичай становить кілька мікрометрів, а ширина залежить від робочого струму транзистора і може досягати сотень мікрометрів. Товщина ізолюючого шару між затвором і каналом 0,1 – 0,2 мкм. Над ізолюючим шаром розташований затвор у вигляді тонкої металевої плівки з відповідним виводом. Підшар транзистора найчастіше з’єднують з витоком; їх потенціал приймають за нульовий. Іноді від підшару робиться окремий вивід.

При подачі на стік відносно витоку позитивного потенціалу (при нульовому потенціалі затвору) електрони від витоку стануть рухатися по каналу до стоку. При цьому від стоку до витоку через транзистор потече струм, величина якого буде визначатися концентрацією домішок у каналі. Через підшар струм протікати не буде, тому що перехід між ним і каналом включено у зворотному напрямку. 

Якщо прикласти до затвору відносно витоку (або, що одне й те ж, – відносно підшару) позитивний потенціал, то електрони з карманів і підшару будуть втягуватися в канал; концентрація носіїв у каналі підвищиться, його опір зменшиться, а струм, що протікає по каналу, збільшиться. Чим більша величина позитивного потенціалу, тим більше електронів втягнеться в канал і величина стокового струму також буде більшою. Такий режим роботи транзистора називають режимом збагачення. При подачі на затвор відносно витоку негативного потенціалу процес буде зворотним: електрони з каналу будуть виштовхуватися в підшар і кармани, концентрація носіїв у каналі зменшиться, а, отже, зменшиться і стоковий струм транзистора. Цей режим називають режимом збіднення. Залежність величини стокового струму від напруги на затворі – стоко-затворна характеристика – наведена на рис. 2.9. Стокова ха­рак­теристика МДН-транзистора з вбудованим каналом подібна до стокових характеристик польового транзистора з p-n-переходом.

Структура кристалу МДН-транзистора з індукованим каналом n-типу і схемне позначення приладів показані на рис. 2.10. Від попереднього транзистора цей прилад відрізняється тим, що канал у ньому створюється тільки при подачі на затвор напруги певної полярності. За відсутності цієї напруги канал не створюється, і між витоком і стоком n⁺-типу розташована область підшару р-типу.

В цьому стані опір між витоком і стоком дуже великий, струм майже  не протікає і транзистор вважається закритим. При подачі на затвор позитивного потенціалу електрони з карманів і підшару рухаються в напрямку затвору. Коли напруга на затворі перевищить певне граничне значення, то в поверхневій області концентрація електронів стане більшою концентрації дірок, тобто відбудеться інверсія типу провідності, створиться канал n-типу і транзистор почне проводити струм. Чим вище позитивна напруга на затворі, тим більший струм протікає через транзистор. Таким чином, транзистор з індукованим каналом може працювати тільки в режимі збагачення. Його стоко-затворна характеристика наведена на рис. 2.11.

Транзистори з ізольованим затвором мають переваги перед транзисторами з p-n-переходом відносно температурних, шумових, радіаційних та інших властивостей. Вхідний опір постійному струму і на малих частотах визначається опором ізолюючого шару затвора і досягає 10¹² Ом при будь-якій полярності напруги на затворі. Вхідна ємність може бути менше 1 пФ, тому гранична частота може досягати сотень мегагерц. Розроблені потужні транзистори з ізольованим затвором, що мають крутизну 10 мА/В і більше. Виготовлення таких транзисторів за планарно-епітаксіальною технологією відносно не складне, тому вони знаходять широке застосування в мікроелектронних схемах.

Більш детальна інформація з теорії транзисторів міститься в [1 – 7].

Порядок виконання завдання

Мета виконання завдання: зняття вольт-амперних характеристик біполярного і польового транзисторів і визначення за ними основних параметрів транзисторів з постійного і змінного струмів.

1. Вольт-амперні характеристики біполярного транзистора.

1.1. Зібрати на робочому столі Multisim 11 схему для зняття вольт-амперних характеристик біполярного транзистора 2N3859A, включеного за схемою зі спільним емітером (рис. 2.12).

1.2. Визначити вхідні характеристики транзистора (залежність струму бази І_Б від напруги база-емітер U_БЕ) при постійній напрузі на колекторі U_КЕ. Для цього, змінюючи напругу джерела Е_Б, виміряти напругу U_БЕ і струм І_Б при напругах джерела Е_К, рівному 0 і 5 В. Дані занести в таблицю 2.1.

1.3. Установити напругу на колекторі Е_К = 10 В. Для декількох значень джерела вхідної напруги переконатися, що величина струму бази І_Б така ж, як і при Е_К = 5 В.

1.4. Побудувати графіки вхідних характеристик І_Б=f(U_БЕ) для Е_К = 0 і Е_К = 5 В в одних координатах.

Таблиця 2.1

1.5. Визначити вихідні характеристики транзистора (залежність струму колектора І_К від напруги колектор-емітер U_КЕ) при постійному струмі бази І_Б. Для цього:

1.5.1. Замінити резистор R1 у схемі на рис. 2.12 потенціометром з опором 250 кОм і підключити його так, як показано на рис. 2.13. Встановити прирощення потенціометра 1 %.

1.5.2. Змінюючи напругу вхідного джерела Еб і опір потенціометра R1, встановити значення струму бази 20 мкА.

Таблиця 2.2

1.5.3. Змінюючи   напругу  колекторного  джерела   Е_К  згідно  з  даними табл. 2.2 виміряти величину колекторного струму за допомогою амперметра  Ік. Дані занести в табл. 2.2.

1.5.4. Зняти вихідні характеристики транзистора при вхідних струмах 50 і 80 мкА. Дані занести в табл. 2.2.

1.5.5. Побудувати графіки вихідних характеристик в одних координатах.

2. Вольт-амперні характеристики польового транзистора.

2.1. Зібрати на робочому столі Multisim 11 схему для зняття вольт-амперних характеристик польового транзистора 2N3458 (рис. 2.14).

2.2. Зняти стоко-затворні характеристики транзистора I_С = f(U_ЗВ) при U_СВ = const. Для цього:

2.2.1. Установити напругу джерела Е_СВ = 20 В.

2.2.2. Змінюючи напругу джерела Е_ЗВ згідно з даними табл. 2.3 виміряти величини струму стоку І_С. Результати занести в табл. 2.3.

2.2.3. Установити напругу джерела Е_СВ = 30 В і повторити попередній пункт завдання.

2.3. Зняти стокові характеристики транзистора I_С = f(U_СВ) при U_ЗВ =const. Для цього:

2.3.1. Установити напругу джерела Е_ЗВ = 0.

2.3.2. Змінюючи напругу джерела Е_СВ згідно з даними табл. 2.4 виміряти величини струму стоку І_С. Результати занести в табл. 2.4.

2.3.3. Установити напругу джерела Е_ЗВ = –1 В, а потім Е_ЗВ = –2 В, і повторити попередній пункт завдання.

2.3.4. Побудувати графіки стоко-затворних і стокових характеристик транзистора 2N3458.

Таблиця 2.4.

Розрахункове завдання

1. За отриманими даними визначити наступні параметри біполярного транзистора з постійного струму: вхідний опір, вихідний опір, коефіцієнт підсилення.

2. Визначити параметри біполярного транзистора зі змінного струму: вхідний опір h_11Е, вихідний опір 1/h_22Е, коефіцієнт підсилення h_21Е.

3. За вольт-амперними характеристиками польового транзистора визначити його параметри з постійного струму: максимальний струм стоку, напругу відсічки.

4. Визначити параметри польового транзистора зі змінного струму: крутизну стоко-затворної характеристики, внутрішній (вихідний) опір, коефіцієнт підсилення з напруги.

Контрольні запитання

1. Дайте визначення біполярного транзистора.

2. Поясніть основні відмінності транзисторів n-p-n і p-n-p структур.

3. Як класифікуються біполярні транзистори?

4. Покажіть графічно структуру кристала транзистора і розподіл струмів в ньому на прикладі схеми СБ.

5. Назвіть основні схеми вмикання біполярних транзисторів і покажіть це на схемах.

6. Дайте визначення статичної характеристики біполярного транзистора.

7. Накресліть графіки вхідної і вихідної характеристик транзистора, ввімкненого за схемою СЕ.

8. Дайте визначення і поясніть фізичний зміст диференційних параметрів транзистора h₁₁, h₁₂, h₂₁, h₂₂.

9. Поясніть, чому польові транзистори називаються польовими або уніполярними.

10. Перелічіть основні типи польових транзисторів.

11. Поясніть принцип роботи польового транзистора з p-n-переходом.

12. Поясніть принцип роботи польового транзистора з ізольованим затвором і вбудованим каналом.

13. Поясніть принцип роботи польового транзистора з ізольованим затвором і індукованим каналом.

14. Поясніть, які залежності відображають стоко-затворна і стокова характеристики польового транзистора.

15. Дайте визначення і поясніть фізичний зміст диференційних параметрів польового транзистора.