Параметры транзисторов делятся на электрические и предельные эксплуатационные

Электроника и МПУ, Флёров А.Н

 Лекция 7, тезисы

 

Параметры транзисторов

 

Параметры транзисторов делятся на электрические и предельные эксплуатационные.

 

Электрические параметры:

1. Коэффициент передачи тока, K_I;

2. Граничная частота, f_ГР (частота на которой коэффициент передачи тока K_I уменьшается в 1,41 раза );

3. Обратные токи переходов при  заданных обратных напряжениях, I_KO;

4. Емкости переходов, С_i-j;

и т.д.

 

Кроме общих электрических параметров в зависимости от назначения

транзистора указывается ряд специфических параметров, присущих данной категории транзисторов.

 

Предельные эксплуатационные параметры.

Предельные эксплуатационные параметры - это максимально допустимые значения напряжений, токов, мощности, температуры, при которых гарантируются работоспособность транзистора и значений его электрических параметров в пределах норм технических условий.

 

Например, к предельным эксплуатационным параметрам относятся:

1. Максимально допустимые обратные  напряжения на переходах. U_{обр макс};

2. Максимально допустимая рассеиваемая мощность, P_{к макс};

3. Максимально допустимая температура  корпуса, t^o_{макс корп};

4. Диапазон рабочих температур, t^o_мин, t^o_макс.

 

 

Режимы работы транзистора

 

В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, возможны четыре режима его работы:

- активный;

- отсечки;

- насыщения;

- инверсный. 

 

Режимы насыщения и отсечки  объединяют одним термином – ключевой режим.

 

Активный режим работы используется при усилении малых сигналов, прямое напряжение подается на эмиттерный переход, а обратное - на коллекторный.

 

В режиме отсечки  оба перехода смещаются в обратном направлении. Ток транзистора в этом режиме мал, он практически заперт (транзистор заперт).

 

В режиме насыщения  оба перехода смещаются в прямом направлении, через транзистор протекает максимальный ток, он полностью открыт (транзистор открыт).

 

В инверсном режиме (используется редко), эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный в прямом. Этот режим чаще всего используют в быстродействующих ключевых схемах.

 

                            

 

 

режим	полярность
активный	+	-	+	-
отсечки	-	+	+	-
насыщения	+	-	-	+
инверсный	-	+	-	+

 

 Рис. 9.1 Полярности напряжений  на электродах транзистора при  различных режимах работы

 

Принцип действия транзисторов типа n-p-n такой же, только в область базы вводятся из эмиттера не дырки, а электроны; полярность напряжений Е_к и Е_э будет противоположной случаю p-n-р; направления токов изменится на противоположное, т.к. они обусловлены в данном случае не дырочной, а электронной проводимостью.

!!! Изучить ПРИЛОЖЕНИЕ 5 п.11

 

 

1. Усилительные свойства транзистора

Усилительные  свойства транзистора рассмотрим на примере схемы включения транзистора с общей базой, рис .9.2 

                                                           

               

              Рис.9.2

                         

На вход транзистора, относительно перехода база-эмиттер, подаются два  напряжения: постоянное напряжение смещения Е_Э и переменное напряжение подлежащее усилению U_вх, причем

 

U_вх<< Е_Э                             (9.1)

 

Соотношение источников питания  Е_К и смещения Е_Э:

 

Е_Э < Е_К.                              (9.2)

 

В коллекторную цепь транзистора включается сопротивление нагрузки R_H.

Т.к. выходное сопротивление транзистора (транзистор, со стороны коллекторного перехода является источником тока, его внутреннее сопротивление велико,1-10 МОм), то можно в цепь коллектора включать большие по номиналу сопротивления нагрузки, почти не влияя на величину коллекторного тока (R_H - единицы и десятки килоом).

 

 Соответственно в цепи нагрузки  может выделяться значительная  мощность (переменной составляющей)

 

                              P_вых~=1/2I_к²R_н                       (9.3)

 

Входное сопротивление схемы, напротив, весьма мало (прямо смещенного эмиттерного перехода, единицы - десятки Ом). Соответственно

 

     R_н >> R_вх,                                 (9.4)

 

Поэтому при почти одинаковых токах  коллектора и эмиттера I_к ~ I_э , (включение транзистора в схеме с общей базой) мощность, потребляемая в цепи эмиттера

 

                           P_вх~=1/2I_э²R_вх                           (9.5)

 

оказывается несравненно меньше, чем выделяемая в цепи нагрузки.

 

P_вых/ P_вх ~ R_н / R_вх                                     (9.6а)

 

Из (9.6) и (9.4) видно, что

 

                   P_вых>> P_вх                                (9.6б)

                     

!!! Т.о транзистор способен усиливать мощность, т.е. он является усилительным прибором.

 

 

Показатели,  характеризующие усилительные свойства транзистора

 

- коэффициент усиления по току;

- коэффициент усиления по напряжению;

- коэффициент усиления по мощности.

 

1. Коэффициент усиления по току: отношение изменения выходного тока DI к, к вызвавшего его изменение входного тока DIэ

                                                                                                                            

                                  К_I =DI_вых/DI_вх= DI_к/DI_э   (9.7)

 

Для приведенной схемы K_I < 1 (типовые значения К_I= 0,9 - 0,95), т.е. ток I_К в выходной цепи всегда несколько меньше тока Iэ, протекающего во входной цепи и транзистор, включенный по представленной выше схеме, усиления по току не дает.

 

Обычно отношение  DI_к/DI_э  обозначается a  (в системе h параметров, см. п.3 “Для самостоятельного изучения“, для схемы с ОБ обозначается  h_21б).

 

Чем больше коэффициент a, тем меньше отличаются между собой токи I_К и I_Э, и соответственно, тем большими оказываются коэффициенты усиления транзистора по напряжению и по мощности.

 

 

2. Коэффициент усиления по напряжению - отношение изменения выходного DU_вых переменного напряжения к входному DU_вx,:

 

                                    K_U= DU_вых / DU_вx                          (9.8)

 

                             DU_вых= DI_K^{. .} R_н                           (9.9)

 

DU_вх =DI_вх r_эб,                           (9.10)

 

где r_эб сопротивление входной цепи транзистора (сопротивление участка эмиттер-база).

 

                               K_U = DI_K R_н/ DI_Э^. r_эб =a^. R_н/ rэб                                    (9.11а)

 

 т.к   I_э ~I_{к  ,} т.е. a~1 то

 

                          К_u ~ R_н/rэб          (9.11б)

 

3. Коэффициент усиления по мощности транзистора: отношение выходной мощности (выделяющейся на нагрузке) к входной

 

                            К_Р~ = P_вых/ P_вх=0.5I_K² R_н/ 0.5I_Э^2.rэб=a^.2 R_н/^.rэб  = R_н/^.rэб                       (9.12)

 

причем               

                                                 К_Р= K_U К_I                                    (9.13)

 

Для данной схемы (ОБ) К_Р численно равен K_U (К_I <1)  и может достигать величины в несколько сотен.

 

 Усиление сигнала с помощью транзистора происходит за счет потребления энергии от источника питания.

Сам транзистор выполняет функции своеобразного регулятора выходного тока, который под действием слабого входного сигнала, введенного в цепь с малым сопротивлением, изменяет ток в выходной цепи, обладающей большим сопротивлением.

 

!!! Изучить ПРИЛОЖЕНИЕ 5 пп. 7, 8, 9, 10

 

Полевые транзисторы

 

Полевой транзистор полупроводниковый прибор, ток которого изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным напряжением.

 

Полевые транзисторы (ПТ) в отличие от биполярных (БТ) ряд специфических особенностей:

   - высокое входное сопротивление;

  - малое потребление энергии по цепи управления

   

  ПТ нашли широкое применение и как дискретные элементы схем, также они широко используются в интегральных микросхемах (ИМС). Это объясняется простотой изготовления (в настоящее время) ПТ ИМС, по сравнению с БТ, малым потреблением энергии и высокой плотностью расположения элементов в ИМС.

 

 

Классификация полевых  транзисторов (упрощенная)

 

                                                       ПТ

       

                                                                                                                                                                                    с изолированным

                                                                                                                                                 затвором (МОП, МДП)

 

металл -п/п      с управляющим         встроенный канал       индуцированный канал

                             p-n переходом

     

 

 

 

р- канал                        n - канал                          р -канал                    n - канал             

 

Рис.9.3 Упрощенная классификация полевых транзисторов

    

Идея полевого транзистора с изолированным затвором была предложена

Ю. Лилиенфельдом в 1926-1928 годах, патент на принцип работы полевых транзисторов - в Германии в 1928 году. В 1934 году немецкий физик Оскар Хайл запатентовал полевой транзистор. 

Объективные научные и технологические  трудности в реализации этой конструкции  позволили создать первый работающий прибор этого типа (МОП-транзистор) только в 1960 году. В 90-х годах XX века МОП-технология постепенно стала доминировать над биполярной.

 

В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали другую конструкцию полевого транзистора - с управляющим p-n переходом.

 

Конструкция полевых транзисторов с барьером Шоттки - была предложена и реализована Мидом в 1966 году.

 

     Полевой транзистор с управляющим р-n переходом

 

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом - это полевой транзистор, управление потоком основных носителей в котором происходит с помощью выпрямляющего электрического перехода, смещенного в обратном направлении.

 

Конструкция

Схематическое устройство полевого транзистора  с управляющим p-n переходом представлено на рис. 9.4

                          

Рис. 9.4 Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом  представляет собой монокристалл полупроводника n-типа проводимости.

 

По торцам кристалла методом  напыления сформированы электроды, а посередине, с двух сторон, созданы две области p-типа проводимости также с электрическими выводами от этих областей, соединенные между собой (возможны и другие варианты структуры, например – цилиндрическая с кольцевым затвором).

 

На границе раздела областей с различным типом проводимости возникнет

 р-n переход.

 

ПТ содержит три полупроводниковые  области: две одного и того же типа проводимости, называемые соответственно истоком (И) и стоком (С), и противоположной им типа проводимости, называемой затвором (З).

Область между стоком и истоком  называется каналом.

 

К каждой из областей (стоку, истоку и затвору) присоединены соответствующие выводы (невыпрямляющие контакты, омические).

 

В транзисторе используется движение носителей заряда одного знака (основных носителей), которые, ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ, СОЗДАВАЕМОГО ВНЕШНИМ ИСТОЧНИКОМ (U_си), движутся из истока через канал в сток.

 

Этим объясняются названия: исток- область, из которой выходят носители заряда, и сток - область, в которую они входят.

 

p-n переход при нормальном режиме работы транзистора должен быть обратносмещенным.

 

 

Физика работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом

 

Действие прибора основано на зависимости  толщины p-n перехода в зависимости от

приложенного к нему напряжения.

 

 Источник напряжения U_3И создает отрицательное напряжение на затворе (относительно истока), p-n переход находится в запертом состоянии и почти полностью лишен подвижных носителей заряда, его проводимость практически равна нулю.

 

Увеличение запирающего напряжение на затворе приводит к увеличению ширины перехода (области обедненной носителями заряда) и соответственно к уменьшению сечения проводящего канала.

 

Если подключить к каналу источник питания U_ИС между стоком и истоком (невыпрямляющими контактами), то через кристалл полупроводника потечет ток.