Униполярный транзистор. 12 Униполярные транзисторы рефер. 12 Униполярные транзисторы Униполярный (полевой) транзистор
 Скачать 110.49 Kb.
|
|
12 Униполярные транзисторы Униполярный (полевой) транзистор – это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда, протекающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем. Униполярные транзисторы подразделяются на два больших класса: с управляющими р-п переходами и изолированным затвором. Если в униполярном транзисторе с изолированным затвором в качестве изоляционного слоя между металлическим затвором и проводящим каналом используется оксид полупроводника, то такие транзисторы называют МОП - транзисторы (металл – окисел – полупроводник) или MOS - транзисторы (metal – oxide – semiconductor). Если в униполярном транзисторе с изолированным затвором в качестве изоляционного слоя между металлическим затвором и проводящим каналом используется диэлектрик, то такие транзисторы называют МДП-транзисторы (металл – диэлектрик – полупроводник). В свою очередь униполярные транзисторы с изолированным затвором подразделяются на транзисторы с индуцированным (наведенным) каналом и транзисторы со встроенным каналом. Ус  ловно-графические обозначения униполярных (полевых) транзисторов приведены на рис.12.1.12.1 Структура и принцип работы униполярного транзистора с управляющим р-п переходом Полевой транзистор с управляющим р-п переходом – это униполярный транзистор, управление потоком основных носителей в котором происходит с помощью выпрямляющего перехода, смещенного в обратном направлении. В качестве выпрямляющего перехода может использоваться р-п переход или выпрямляющий переход Шотки. Полевой транзистор и управляющим р-п переходом имеет два омических контакта к области полупроводника, по которой протекает управляемый поток основных носителей заряда, и один (рис.12.2 а) или два (рис.12.2 б) управляющих р-п перехода, смещенных в обратном направлении (рис.12.2 в). При изменении обратного напряжения на управляющем р-п переходе изменяется его толщина, а следовательно и толщина области, по которой проходит управляемый поток основных носителей заряда. Эта область называется проводящим каналом. Электрод полевого транзистора, через который в проводящий канал входят носители заряда, называется истоком (на рис.12.1 а, б - это нижний правый вывод). Электрод полевого транзистора, через который из проводящего канала выходят носители заряда, называется стоком (на рис.12.1 а, б это верхний правый вывод). Электрод полевого транзистора, на который подают сигнал, управляющий шириной проводящего канала, называется затвором (на рис.12.1 а, б это нижний левый вывод). Пр  оводящий канал может иметь как п-, так и р-тип проводимости. Соответственно этополевые транзисторы с п- и р-каналом. Полевые транзисторы с разными типами проводящего канала называются комплементарными. Комплементарные транзисторы оказываются удобными для построения ряда схем, поскольку полярности напряжений смещений, подаваемых на электроды комплементарных полевых транзисторов, противоположны.Управление током стока, т.е. током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на р-п переходе затвора (или на двух р-п переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая мощность от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электрических сигналов как по мощности, так по току и напряжению. При отсутствии напряжения на затворе (UЗИ=0) проводящий канал полностью открыт и поток основных носителей заряда легко переносится от истока к стоку, создавая максимальный ток стока, который называется начальным током стока (рис.12.2 в, область 1). При подаче обратного (отрицательного) напряжения на затвор (UЗИ<0)происходит расширение обратно смещенного р-п перехода и проводящий канал сужается, уменьшая поток основных носителей заряда, а соответственно и ток стока (рис.12.2 в, область 2). При некотором отрицательном напряжении на затворе (UЗИ = UОТС), которое называется напряжением отсечки UЗИотс, области обратно смещенных р-п переходов смыкаются, полностью перекрывая проводящий канал (рис.12.2 в, область 3). Поток основных носителей заряда прекращается, и ток стока практически становится равным нулю. При дальнейшем изменении напряжения на затворе ток стока практически не изменяется. В отличие от биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом осуществляется входным током, а в полевом транзисторе - входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление, что обусловлено обратным смещением управляющего р-п перехода. В-третьих, из-за отсутствия процессов инжекции и рекомбинации неосновных носителей заряда (что имеет место в биполярных транзисторах) полевые транзисторы обладают низким уровнем шумов, особенно низкочастотных. Поскольку полевые транзисторы имеют большие входные и выходные сопротивления, статические характеристики полевых транзисторов следует исследовать с помощью источников напряжения в качестве источников питания. Важнейшими характеристиками полевого транзистора является семейство выходных статических характеристик и семейство передаточных характеристик: Выходная характеристика – это зависимость выходного тока от выходного напряжения при фиксированном значении входного напряжения:  .Характеристика передачи тока - это зависимость выходного тока от входного напряжения при фиксированном значении выходного напряжения:  .Для схемы включения полевого транзистора с управляющим р-п переходом с общим истоком выходная и передаточная характеристики приведены на рис.12.3. Рассмотрим вначале характер одной зависимости  . Эта характеристика выходи из начала координат под углом, соответствующим начальному статическому сопротивлению канала и сопротивлениям областей стока и истока, прилегающих к проводящему каналу с тем же типом проводимости. Статическое сопротивление канала определяется его технологическими размерами. Первая часть характеристики, которую называют крутой частью, сублинейна, т.е. ток стока растет замедленно с возрастанием напряжения на стоке. Это связано с неэквипотенциальностью прохождения тока стока по каналу, поскольку последний имеет более узкую часть в области, прилегающей к ст оку (см.рис.12.2 в). После перекрытия проводящего канала, ток стока практически не зависит от выходного напряжения, и выходная характеристика имеет пологую часть. ПриUЗИ=0 ток стока будет максимальным и называется начальным током стока IСТнач.По мере увеличения UЗИ значение максимального тока стока уменьшается, что связано с уменьшением размеров проводящего канала. При некотором напряжении на затворе равном напряжению отсечки UЗИотс, канал полностью перекрывается и ток стока становится равным нулю, что хорошо видно на передаточной характеристике (рис.12.3 б). 12.3 Малосигнальные параметры униполярных транзисторов При работе МДП-транзисторов в режиме усиления малых сигналов используются участки выходных ВАХ в области насыщения. В этой области при оптимальных значениях малосигнальных параметров можно получить минимальные нелинейные искажения усиливаемых сигналов. Униполярные транзисторы характеризуются следующими малосигнальными параметрами: крутизна  ; (12.1)внутреннее сопротивление  ; (12.2)коэффициент усиления  . (12.3)Малосигнальные параметры связаны следующим соотношением:  (12.4)12.4 Основные схемы включения униполярных транзисторов и особенности их применения У  ниполярные транзисторы, как и биполярные транзисторы, имеют три основных схемы включения: с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором.Схема включения транзистора с общим истоком (рис.12.8 а) позволяет получить усиление по напряжению, току и по мощности. Входное и выходное сопротивление схемы достаточно высокое. Эта схема широко применяется в технике. Схема включения транзистора с общим стоком (рис.12 8 б) является аналогом схемы эмиттерного повторителя, обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями, и поэтому широко применяется для согласования источников сигнала с высоким выходным сопротивлением и последующих каскадов с низким входным сопротивлением. Схема включения с общим затвором (рис.12.8 в) является аналогом включения биполярного транзистора по схеме с общей базой, и усиливает сигнал только по току. По сравнению с биполярными транзисторами униполярные транзисторы управляются не током, а напряжением, вследствие чего имеют малую потребляемую мощность, высокое входное сопротивление. Униполярные транзисторы с управляемым р-п переходом, кроме того, имеют очень низкий уровень шумов, что связано с протеканием тока стока в объеме полупроводника, где отсутствуют поверхностные дефекты. Низкий уровень шумов также связан с отсутствием процессом инжекции и рекомбинации неосновных носителей заряда. Технологически униполярных транзисторы имеют меньшую площадь, что позволяет их широко использовать в интегральных микросхемах. Особенно широко МДП-транзисторы применяются в импульсных (цифровых) интегральных микросхемах. Кроме того, МДП-транзисторы могут работать в режиме, позволяющем их использование в качестве МДП-резисторов. Однако применение МОП-транзисторов в усилительных схемах ограничивается малой крутизной и нестабильностью их характеристик, что обусловлено перемещением зарядов в слое подзатворного диэлектрика под действием электрического поля. 12.5 Основные параметры униполярных транзисторов Параметры и обозначения параметров униполярных транзисторов устанавливаются ГОСТ 19095-73. Все параметры биполярных транзисторов можно разбить на четыре группы. Параметры постоянного тока. Они характеризуют неуправляемые токи транзистора, связанные с обратными токами переходов. К ним относятся: Начальный ток стока (IСнач) – ток стока при напряжении затвор-исток равном нулю. Остаточный ток стока (IСост) – ток стока при напряжении затвор-исток, превышающем напряжение отсечки. Ток утечки затвора (IЗутеч) – ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор-сток при разомкнутом выводе (IЗС0) – ток, протекающий в цепи затвор – сток, при заданном обратном напряжении между затвором и стоком и разомкнутыми остальными выводами. Обратный ток перехода затвор-исток при разомкнутом выводе (IЗИ0) – ток, протекающий в цепи затвор – исток, при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутыми остальными выводами. Напряжение отсечки (UЗИотс) – напряжение между затвором и истоком транзистора с р-п переходом или изолированным затвором, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного. Пороговое напряжение (UЗИпор) – напряжение между затвором и истоком транзистора с изолированным затвором, работающего в режиме обогащения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения. Малосигнальные параметры. Они характеризуют работу униполярного транзистора при воздействии малого сигнала и подробно рассмотрены в разделе 12.4. Параметры униполярных транзисторов определяют в системе проводимостей, т.е. в системе у-параметров. Для схемы включения униполярного транзистора с общим истоком каждая из проводимостей имеет свой физический смысл. Входная проводимость определяется проводимостью участка затвор-исток: уЗИ= у11+у12; выходная проводимость определяется проводимостью участка сток-исток: уСИ= у22+у21; функция передачи определяется крутизной ВАХ: S= у21+у12; функция обратной передачи определяется проходной проводимостью: уЗС= у12. Важнейшим из этих параметров является крутизна S – отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком. Высокочастотные параметры. Они характеризуют работу транзисторов на высоких частотах и определяются постоянной времени RC-цепи затвора. Поскольку входная емкость С11и у транзисторов с управляющим р-п переходом велика, то их применение на высоких частотах ограничено по сравнению с униполярными транзисторами с изолированным затвором. К ним относятся: Входная емкость транзистора (С11и) – это емкость между стоком и истоком при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с общим истоком. Выходная емкость транзистора (С22и) – это емкость между затвором и стоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Проходная емкость транзистора (С12и) – это емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Граничная частота транзистора определяется по:  , (12.5)где fГР - частота в МГц; S - крутизна, мА/В; С11и - входная емкость, пФ. + Коэффициент шума (КШ) – это отношение мощности шумов на выходе транзистора к той ее части, которая обусловлена тепловыми шумами сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума мало зависит от напряжения сток-исток, тока стока и окружающей температуры, но монотонно возрастает с увеличением частоты и внутреннего сопротивления источника сигнала. Максимально допустимые параметры. Эти параметры ограничивают область допустимых режимов работы транзистора. Превышение максимально допустимых параметров резко снижает надежность работы транзистора. Основными максимально допустимыми параметрами являются: Постоянное (импульсное) напряжение сток-исток. Постоянное (импульсное) напряжение затвор-сток. Постоянное (импульсное) напряжение затвор-исток. Постоянный (импульсный) ток стока. Постоянная (импульсная) рассеиваемая мощность. Диапазон температур окружающей среды. 12.6 Классификация униполярных транзисторов Классификация униполярных транзисторов проводится по следующим признакам: + По роду исходного материала – кремниевые, арсенидогаллиевые. По типу управления каналом – с управляющим р-п переходом, с изолированным затвором и индуцированным каналом, с изолированным затвором и встроенным каналом. По типу проводящего канала – п-канал или р-канал. По технологическим особенностям – планарные, эпитаксиально-планарные, диффузионно-планарные и т.п. По рассеиваемой мощности – маломощные (до 300 мВт), средней мощности (от 0,3 Вт до 1,5 Вт) и большой мощности (более 1,5 Вт). По граничной частоте – низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (от 3 МГц до 30 МГц), высокочастотные (от 30 МГц до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (более 300 МГц). 12.7 Система обозначений униполярных транзисторов В основу системы обозначений полупроводниковых биполярных транзисторов согласно ОСТ 11 336.038-77 положен семизначный буквенно-цифровой код, первый элемент которого (буква – для приборов широкого применения, цифра – для приборов специального назначения) обозначает исходный полупроводниковый материал. Второй элемент обозначения – буква, определяет подкласс приборов (для униполярных транзисторов буква П), третий элемент – цифра или буква, определяет один из основных характеризующих данный прибор признаков. Четвертый, пятый и шестой элемент – трехзначной число, обозначающее порядковый номер разработки. Седьмой элемент – буква, характеризует классификацию по параметрам приборов, изготовленных по единой технологии. Для обозначения материала (первый элемент) используют: К или 2 – кремний и его соединения; А или 3 – арсенид галлия. Для обозначения подклассов приборов (второй элемент) используются букву П – биполярный транзистор. Значение третьего элемента (цифра), характеризующего основной признак прибора, для биполярных транзисторов определяет рассеиваемую мощность транзистора и его граничную частоту: 1 – рассеиваемая мощность не более 1 Вт и граничная частота не более 30 МГц; 2,3 – рассеиваемая мощность не более 1 Вт и граничная частота более 30 МГц, но не более 300 МГц; 4,5 – рассеиваемая мощность не более 1 Вт и граничная частота более 300 МГц; 6,7 – рассеиваемая мощность более 1 Вт и граничная частота не более 30 МГц; 8 – рассеиваемая мощность более 1 Вт и граничная частота более 30 МГц, но не более 300 МГц; 9 – рассеиваемая мощность более 1 Вт и граничная частота более 300 МГц; Примеры обозначений: КП103М – кремниевый диффузионно-планарный полевой транзистор с управляющим р-п переходом и каналом р-типа низкочастотный и маломощный, порядковый номер разработки 03, группа М. 2П9023В – кремниевый сверхвысокочастотный мощный транзистор с изолированным затвором и каналом п-типа, номер разработки 02, группа В. 13 |