Униполярный транзистор. 12 Униполярные транзисторы рефер. 12 Униполярные транзисторы Униполярный (полевой) транзистор
![]()
|
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 ![]() 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 ![]() 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 ![]() ![]() 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 ![]() внутреннее сопротивление ![]() коэффициент усиления ![]() Малосигнальные параметры связаны следующим соотношением: ![]() 12.4 Основные схемы включения униполярных транзисторов и особенности их применения У ![]() 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: ![]() 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 |