Лачин Электроника. Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты

• Название: Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты
• Анкор: Лачин Электроника.doc
• Дата: 28.01.2017
• Размер: 7.57 Mb.
• Имя файла: Лачин Электроника.doc
• Тип: Учебное пособие; #535
• страница: 5 из 17

Примеры обозначения приборов:




КТ937А-2 — кремниевый биполярный, большой мощ­ности, высокочастотный, номер разработки 37, группа А, бескорпусный, с гибкими выводами на кристаллодержа-теле.

Биполярные транзисторы, разработанные до 1964 г. и выпускаемые по настоящее время, имеют систему обозна­чений, включающую в себя два или три элемента.

Первый элемент обозначения — буква П, характеризу­ющая класс биполярных транзисторов, или две буквы МП — для транзисторов в корпусе, герметизируемом спо­собом холодной сварки.

Второй элемент — двух- или трехзначное число, кото­рое определяет порядковый номер разработки и указывает на подкласс транзистора по роду исходного полупро­водникового материала, значениям допустимой рассеива­емой мощности и граничной частоты:

от 1 до 99 — германиевые маломощные низкочастот­ные транзисторы;

от 101 до 199 — кремниевые маломощные низкочастот­ные транзисторы;

от 201 до 299 — германиевые мощные низкочастотные транзисторы;

от 301 до 399 — кремниевые мощные низкочастотные транзисторы;

от 401 до 499 — германиевые высокочастотные и СВЧ маломощные транзисторы;

от 501 до 599 — кремниевые высокочастотные и СВЧ маломощные транзисторы;

от 601 до 699 — германиевые высокочастотные и СВЧ мощные транзисторы;

от 701 до 799 — кремниевые высокочастотные и СВЧ мощные транзисторы.

Третий элемент обозначения (у некоторых типов он может отсутствовать) — буква, условно определяющая классификацию по параметрам транзисторов, изготовлен­ных по единой технологии.

1.3. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор является очень широко использу­емым активным (т. е. способным усиливать сигналы) по­лупроводниковым прибором. Впервые он был предложен в 1930 г.

Полевыми транзисторами называют активные полу­проводниковые приборы, в которых выходным током уп­равляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током). В англоязычной литературе эти транзисторы называют транзисторами типа FET (Field Effect Transistor).

Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока уча­ствуют только основные носители.

Различают два вида полевых транзисторов: с управля­ющим переходом и с изолированным затвором. Для оп­ределенности вначале обратимся к так называемому по­левому транзистору с управляющим p-n-переходом с каналом p-типа.

1.3.1. Устройство и основные физические процессы

Устройство транзистора. Дадим схематическое изоб­ражение структуры полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа. (рис. 1.85) и условное графи­ческое обозначение этого транзистора (рис. 1.86,а). Стрел­ка указывает направление от слоя р к слою и (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисто­ров могут быть меньше 1 мкм.




Рис.1.86

Удельное сопротивление слоя n (затвора) намното меньше удельного сопротивления слоя р (канала), поэто­му область p-n-перехода, обедненная подвижными носи­телями заряда и имеющая очень большое удельное сопро­тивление, расположена главным образом в слое р.

Если типы проводимости слоев полупроводника в рас­смотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим р-п-переходом и каналом n-типа, его условное графическое обо­значение представлено на рис. 1.86, б.

Основные физические процессы. Подадим положительное напряжение между затвором и истоком транзистора с ка­налом р-типа: U_зи > 0. Оно сместит р-n-переход в обратном направлении.

При увеличении обратного напряжения на р-п-переходе он расширяется в основном за счет канала (в силу указанного выше различия в удельных сопротивлениях). Увеличение ширины р -п -перехода уменьшает толщину канала и, следовательно, увеличивает его сопротивление. Это приводит к уменьшению тока между истоком и сто­ком. Именно это явление позволяет управлять током с помощью напряжения и соответствующего ему электри­ческого поля. Если напряжение U_зи достаточно велико и равно напряжению отсечки U_зи.omc, канал полностью пере­крывается областью p-n-перехода.

В рабочем (не аварийном) режиме p-n-переход должен находиться под обратным или нулевым напряжением. Поэтому в рабочем режиме ток затвора примерно равен нулю (i_з 0), а ток стока i_cпримерно равен току истока i_и

(i_и=i_c).

Важно учитывать, что на ширину p-n-перехода и тол­щину канала прямое влияние может оказывать напряже­ние между истоком и стоком и_ис

Пусть и_из= 0 (между истоком и затвором включена закоротка) и подано положительное напряжение и_ис (рис. 1.87). Это напряжение через закоротку окажется по­данным на промежуток затвор — сток, т. е. окажется, что и_зс =и_ис и что p-n-переход находится под обратным напря­жением.

Обратное напряжение в различных областях р-n-пере-хода различно. В областях вблизи истока это напряжение практически равно нулю, а в областях вблизи стока это напряжение равно величине и_ис. Поэтому p-n-переход бу­дет шире в тех областях, которые ближе к стоку. Обычно считают, что напряжение в канале от истока к стоку уве­личивается линейно.

Можно утверждать, что при и_ис =U_зи.omcканал полнос­тью перекроется вблизи стока. При дальнейшем увеличе­нии напряжения и_иста область канала, в которой он пе­рекрыт, будет расширяться (рис. 1.88).



1.3.2. Характеристики и параметры

Кратко охарактеризуем различные схемы включения полевого транзистора и рассмотрим его характеристики и параметры.

Схемы включения транзистора. Для полевого транзис­тора, как и для биполярного, выделяют три схемы вклю­чения. Для полевого транзистора это схемы с общим за­твором (03), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используются схемы с общим истоком.

Для понимания особенностей работы некоторого элек­тронного устройства очень полезно уметь относить конк­ретное решение к той или иной схеме включения (если схема такова, что это в принципе возможно).

Моделирующие программы при замене транзистора математической моделью никак не учитывают способ включения транзистора. Важно понять, что если даже на стадии разработки математической модели имеет место ориентация на конкретную схему включения, то на ста­дии использования эта модель должна правильно модели­ровать транзистор во всех самых различных ситуациях.

При объяснении влияния напряжения и_исна ширину p-n-перехода фактически использовалась схема с общим истоком (см. рис. 1.87). Рассмотрим характеристики, со­ответствующие этой схеме (что общепринято).

Так как в рабочем режиме i_з=0, i_ui_с, входными харак­теристиками обычно не пользуются. Например, для тран­зистора КП10ЗЛ, подробно рассматриваемого ниже, для тока утечки затвора 1_3.утпри t<85°С выполняется условие 1_3.ут< 2 мкА.

Изобразим схему с общим истоком (рис. 1.89).

Выходные (стоковые) характеристики. Выходной ха­рактеристикой называют зависимость вида

const,

где f— некоторая функция.

Изобразим выходные характеристики для кремниево­го транзистора типа КП10ЗЛ с p-n-переходом и каналом p-типа (рис. 1.90).

Обратимся к характеристике, соответствующей усло­вию и_зи=0. В так называемой линейной области (и_ис< 4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой

области представляют собой почти прямые линии, вееро­образно выходящие из начала координат). Она определя­ется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, можно использовать в качестве линей­ного управляемого сопротивления.

При и_ис = 3 В канал в области стока перекрывается. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к очень незначительному росту тока i_c, так как с увеличением на­пряжения область, в которой канал перекрыт (характери­зующаяся очень большим удельным сопротивлением), расширяется. При этом сопротивление на постоянном токе промежутка исток-сток увеличивается, а ток i_cпрак­тически не изменяется.

Ток стока в области насыщения при и_зи = 0 и при за­данном напряжении u_ucназывают начальным током сто­ка и обозначают через 1_с.нач. Для рассматриваемых характеристик 1_снач = 5 мА при U_ис=10В. Для транзистора типа КП10ЗЛ минимальное значение тока 1_сначравно 1,8 мА, а максимальное — 6,6 мА. При и_ис> 22 В возникает пробой р-п -перехода и начинается быстрый рост тока.

Теперь кратко опишем работу транзистора при различ­ных напряжениях и_зиЧем больше заданное напряжение и_зи, тем тоньше канал до подачи напряжения и_иси тем ниже располагается характеристика.

Как легко заметить, в области стока напряжение на р-n-переходе равно сумме и_зи+и_ис. Поэтому чем больше на­пряжение и_зи, тем^меньше напряжение и_ис, соответствую­щее началу пробоя.

Когда и_зи = 3 В, канал оказывается перекрыт областью p-n-перехода уже до подачи напряжения и_ис. При этом до пробоя выполняется условие i_c=0. Таким образом, U_3Uотс =
=ЗВ.

Для рассматриваемого типа транзистора минимальное напряжение отсечки +2 В, а максимальное +5 В. Эти ве­личины соответствуют условию i_c=10 мкА. Это так назы­ваемый остаточный ток стока, который обозначают через I_c.отс.

Полевой транзистор характеризуется следующими пре­дельными параметрами (смысл которых понятен из обо­значений): U_{ис.макс}, U_{зс.макс},P_макc.

Для транзистора КП10ЗЛ U_{ис.макс}=10 В, U_{зс.макс}=15 В, Р_макс=120 мВт (все при t = 85'С).

Графический анализ схем с полевыми транзисторами.

Для лучшего уяснения принципа работы схем с полевы­ми транзисторами полезно провести графический анализ одной из них (рис. 1.91). Пусть Е_С=4В; определим, в ка­ких пределах будет изменяться напряжение и_испри изме­нении напряжения и_зиот 0 до 2В.

При графическом анализе используется тот же подход, который был использован при анализе схем с диодами и биполярными транзисторами. Для рассматриваемой схемы, в которой напряжение между затвором и истоком рав­но напряжению источника напряжения и_зи, нет необходи­мости строить линию нагрузки для входной цепи. Линия нагрузки для выходной цепи задается выражением



Построим линию нагрузки на выходных характеристи­ках транзистора, представленных на рис. 1.92. Из рисун­ка следует, что при указанном выше изменении напряже­ния и_зинапряжение и_исбудет изменяться в пределах от 1 до 2,6 В, что соответствует перемещению начальной рабо­чей точки от точки А до точки В. При этом ток стока бу­дет изменяться от 1,5 до 0,7 мА.

Стокозатворные характеристики (характеристики пе­редачи, передаточные, переходные, проходные характерис­тики). Стокозатворной характеристикой называют зави­симость вида


где f— некоторая функция.

Такие характеристики не дают принципиально новой информации по сравнению с выходными, но иногда бо­лее удобны для использования. Изобразим стокозатвор­ные характеристики для транзистора КП10ЗЛ (рис. 1.93).
Для некоторых транзисторов задается максимальное (по модулю) допустимое отрицательное напряжение и_зи, например, для транзистора 2П103Д это напряжение не должно бытьпо модулю больше чем 0,5 В.

Параметры, характеризующие свойства транзистора усиливать напряжение.

Крутизна стокозатворной характеристики S (крутизна

характеристики полевого транзистора):

Обычно задается и_зн=0. При этом для транзисторов рас­сматриваемого типа крутизна максимальная. Для КП10ЗЛ S = 1,8...3,8 мА/В при и_ис= 10В, и_зн= 0, t= 20°С.

Внутреннее дифференциальное сопротивление R_{uc диф}

(внутреннее сопротивление)







Для КП10ЗЛ R_ucдиф = 25 кОм при и_ис=10В, и_зи=0.

Коэффициент усиления

Можно заметить, что

Для КП10ЗЛ при S=2mA/B и R_ucдиф= 25кОм М = = 2 (мА/В) • 25 кОм = 50.

Инверсное включение транзистора. Полевой транзистор, как и биполярный, может работать в инверсном режиме. При этом роль истока играет сток, а роль стока — исток.

Прямые (нормальные) характеристики могут отличать­ся от инверсных, так как области стока и истока различа­ются конструктивно и технологически.

Частотные (динамические) свойства транзистора. В

полевом транзисторе в отличие от биполярного отсутству­ют инжекция неосновных носителей и их перемещение по каналу, и поэтому не эти явления определяют динамичес­кие свойства. Инерционность полевого транзистора опре­деляется в основном процессами перезаряда барьерной емкости р-п -перехода. Свое влияние оказывают также па­разитные емкости между выводами и паразитные индук­тивности выводов.

В справочных данных часто указывают значения сле­дующих дифференциальных емкостей, которые перечис­лим ниже:

• 
  входная емкость С_зи — это емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменно­му току выходной цепи;
  
• 
  проходная емкость С_зс — это емкость между затвором и стоком при разомкнутой по переменному току входной цепи;
  
• 
  выходная емкость С_ис— это емкость между истокоми стоком при коротком замыкании по переменно­му току входной цепи.
  

Для транзистора КП10ЗЛ С_зи < 20 пФ, C_3C« 8 пФ при и_ис= 10В и и_зи=0.

Крутизну S, как и коэффициент Bбиполярного тран­зистора, в ряде случаев представляют в форме комплекс­ного числа S. При этом, как и для коэффициента B, оп­ределяют предельную частоту f_npед. Это та частота, на которой выполняется условие:


где S_пт — значение S на постоянном токе.

Для транзистора КП103Л данные по f_npedв использован­ных справочниках отсутствуют, но известно, что его отно­сят к транзисторам низкой частоты (предназначенным для работы на частотах до 3 МГц).

1.3.3. Математические модели полевого транзистора

Рассмотрим две математические модели полевого тран­зистора.

Универсальная модель.

Опишем с некоторыми несущественными упрощени­ями модель, использующуюся в пакете программ Micro-Cap П.

Приведем эквивалентную схему транзистора (рис. 1.94), где обозначено:

• r_и иr_с— соответственно объемные сопротивления истока и стока (это малые величины);

• i_у — источник тока, управляемый напряжениями.
Приведем выражения, описывающие управляемый источник и полученные на основе анализа физических процессов:



Рис. 1.94

для области отсечки

i_у = 0 при и_зи> и_зи.отс;

для линейной области

при 0uc3_Uomc-u_зи

где β — так называемая удельная крутизна;

для области насыщения

при U_3Uотс- и_зи< и_ис.

Продифференцируем последнее выражение по и_зи:

Отсюда следует, что при U_3Uотс— и_зи=1В β = S, что и объясняет название — удельная крутизна (но следует учи­тывать, что размерность B — А/В² или мА/В²).

В соответствии с приведенными выражениями точки выходных характеристик, соответствующие началу режи­ма насыщения, должны лежать на параболе, которая опи­сывается следующим образом. На границе режима насы­щения выполняется условие: U_зи.omc—u_зи=u_uc. Из выражений для тока i_yкак в линейной области, так и в области насыщения получим:


Дадим графическую иллюстрацию (рис. 1.95).



Рис. 1.95

Для реальных транзисторов такое разграничение ли­нейной области и области насыщения имеет место не все­гда (отрицательный пример — транзистор КП10ЗЛ).

С учетом сделанного замечания транзистор КП10ЗЛ в первом приближении можно описать приведенными вы­ражениями при β 1,1 мА/В².

Упрощенная эквивалентная схема для переменных со­ставляющих сигналов. Для учебных целей, а также имея в виду простые приближенные расчеты, рассмотрим экви­валентную схему, которую можно использовать, если из­вестно, что транзистор работает в режиме насыщения (которому соответствует область насыщения), и если ам­плитуда и частота сигнала достаточно малы (рис. 1.96). Знаком «» отмечено, что используются переменные со­ставляющие сигналов.


Знак«минус» в выражении — S и_зиотражает тот факт, что при увеличении напряжения между затвором и исто­ком ток стока уменьшается.
1.3.4. Разновидности полевых транзисторов

Полевые транзисторы с изолированным затвором. В транзисторах этого типа затвор отделен от полупроводни­ка слоем диэлектрика, в качестве которого в кремниевых приборах обычно используется двуокись кремния. Эти транзисторы обозначают аббревиатурой МОП (металл-окисел-полупроводник) и МДП (металл-диэлектрик-по­лупроводник). В англоязычной литературе их обычно обо­значают аббревиатурой MOSFET или MISFET (Metal-Oxide (Insulator) — Semiconductor FET).

В свою очередь МДП-транзисторы делят на два типа.

В так называемых транзисторах со встроенным (соб­ственным) каналом (транзистор обедненного типа) и до подачи напряжения на затвор имеется канал, соединяю­щий исток и сток.

В так называемых транзисторах с индуцированным ка­налом (транзистор обогащенного типа) указанный выше канал отсутствует.

МДП-транзисторы характеризуются очень большим входным сопротивлением. При работе с такими транзис­торами надо предпринимать особые меры защиты от ста­тического электричества. Например, при пайке все выво­ды необходимо закоротить.

МДП-транзистор со встроенным каналом. Канал может иметь проводимость как p-типа, так и n-типа. Для опре­деленности обратимся к транзистору с каналом р-типа. Дадим схематическое изображение структуры транзисто­ра (рис. 1.97), условное графическое обозначение транзи­стора с каналом p-типа (рис. 1.98, а) и с каналом n-типа (рис. 1.98, б). Стрелка, как обычно, указывает направле­ние от слоя р к слою п.

Рассматриваемый транзистор (см. рис. 1.97) может ра­ботать в двух режимах: обеднения и обогащения.

Режиму обеднения соответствует положительное на­пряжение и_зи. При увеличении этого напряжения концен-

трация дырок в канале уменьшается (так как потенциал затвора больше потенциала истока), что приводит к уменьшению тока стока.

Если напряжение и_забольше напряжения отсечки, т. е. если и_зи> U_3Uomc, то канал не существует и ток между исто­ком и стоком равен нулю.

Режиму обогащения соответствует отрицательное на­пряжение и_зиПри этом чем больше модуль указанного напряжения, тем больше проводимость канала и тем больше ток стока.

Приведем схему включения транзистора (рис. 1.99).

На ток стока влияет не только напряжение и_зи, но и напряжение между подложкой и истоком и_пи. Однако уп­равление по затвору всегда предпочтительнее, так как при этом входные токи намного меньше. Кроме того, наличие напряжения на подложке уменьшает крутизну.

Подложка образует с истоком, стоком и каналом р-n-переход. При использовании транзистора необходи­мо следить за тем, чтобы напряжение на этом переходе не смещало его в прямом направлении. На практике подлож­ку подключают к истоку (как показано на схеме) или к точке схемы, имеющей потенциал, больший потенциала



истока (потенциал стока в приведенной выше схеме мень-шь потенциала истока).

Изобразим выходные характеристики МДП-транзистора (встроенный р-канал) типа КП201Л (рис. 1.100) и его стокозатворную характеристику (рис. 1.101).

МДП-транзистор с индуцированным (наведенным) кана-лом. Канал может иметь проводимость как р-типа, так и

n-типа. Для определенности обратимся к транзистору с каналом p-типа. Дадим схематическое изображение струк­туры транзистора (рис. 1.102), условное графическое обо­значение транзистора с индуцированным каналом р-типа (рис. 1.103, а) и каналом n-типа (рис. 1.103, б).

При нулевом напряжении и_зиканал отсутствует (рис. 1.102) и ток стока равен нулю. Транзистор может работать только в режиме обогащения, которому соответствует от­рицательное напряжение и_зи. При этом и_из>0.

Если выполняется неравенство и_из> U_{из.порог}, где U_{из.порог} — так называемое пороговое напряжение, то между истоком и стоком возникает канал p-типа, по которому может про­текать ток. Канал p-типа возникает из-за того, что концен­трация дырок под затвором увеличивается, а концен­трация электронов уменьшается, в результате чего концентрация дырок оказывается больше концентрации электронов. Описанное явление изменения типа проводи­мости называют инверсией типа проводимости, а слой полупроводника, в котором оно имеет место (и который является каналом), — инверсным (инверсионным). Не­посредственно под инверсным слоем образуется слой, обедненный подвижными носителями заряда. Инверсный слой значительно тоньше обедненного (толщина инверсного слоя 1 • 10^-9 ...5 • 10^-9 м, а толщина обедненного слоя больше в 10 и более раз).

Изобразим схему включения транзистора (рис. 1.104), выходные характеристики (рис. 1.105) и стокозатворную характеристику (рис. 1.106) для МДП-транзистора с ин­дуцированным p-каналом КП301Б.

Полезно отметить, что в пакете программ Micro-Cap II для моделирования полевых транзисторов всех типов ис­пользуется одна и та же математическая модель (но, есте­ственно, с различными параметрами).

1.3.5. Применение принципа полевого транзистора

Рассмотрим использование идей, реализованных в по­левых транзисторах, в более сложных электронных устрой­ствах.

Ячейка памяти на основе полевого транзистора с изоли­рованным затвором (флэш-память). Рассмотрим структу­ру и принцип действия ячейки так называемой флэш-па­мяти.

Устройства флэш-памяти являются современными бы­стродействующими программируемыми постоянными за­поминающими устройствами (ППЗУ) с электрической записью и электрическим стиранием информации (ЭСП-ПЗУ; в аббревиатуре нет букв, соответствующих словам «электрическая запись», так как такая запись подразумевается).

Эти устройства являются энергонезависимыми, так как информация не стирается при отключении питания. Ячейки памяти выдерживают не менее 100 000 циклов записи/стирания.

Изобразим упрощенную структуру ячейки флэш-памя­ти (рис. 1.107).



Слои полупроводника, обозначенные через n+, имеют повышенную концентрацию атомов-доноров. Изоляция затворов для упрощения рисунка не показана. Структура ячейки в некотором отношении подобна структуре МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа.

Один из затворов называют плавающим, так как он гальванически не связан с электродами прибора и его по­тенциал изменяется в зависимости от заряда на нем («пла­вающий» потенциал).

При записи информации в ячейку памяти электроны из истока туннелируют через тонкий слой изолирующего окисла кремния (толщиной около 1 • 10^-8 м) и переходят на плавающий затвор. Накопленный отрицательный заряд на плавающем затворе увеличивает пороговое напряжение U_{из.порог}. Поэтому в будущем при обращении к транзистору такой ячейки он будет восприниматься как выключенный (ток стока равен нулю).

При стирании информации электроны уходят с плава­ющего затвора (также в результате туннелирования) в об­ласть истока. Транзистор без заряда на плавающем затво­ре воспринимается при считывании информации как включенный.

Длительность цикла считывания (чтения) информации составляет не более 85 нс. Состояние ячейки памяти мо­жет сохраняться более 10 лет.

Полупроводниковые приборы с зарядовой связью (ПЗС). Прибор с зарядовой связью имеет большое число распо­ложенных на малом расстоянии затворов и соответствую­щих им структур металл — диэлектрик — полупроводник (МДП). Изобразим упрощенную структуру прибора с за­рядовой связью (рис. 1.108).

При отрицательном напряжении на некотором затво­ре под ним скапливаются дырки, совокупность которых называют пакетом. Пакеты образуются из дырок, инжек­тированных истоком или возникающих в результате гене­рации пар электрон-дырка при поглощении оптического

излучения. При соответствующем изменении напряжений на затворах пакеты перемещаются в направлении от ис­тока к стоку.

Приборы с зарядовой связью используются:

• 
  в запоминающих устройствах ЭВМ;
  

• 
  в устройствах преобразования световых (оптических) сигналов в электрические.
  

Классификация полевых транзисторов такая же, как и биполярных транзисторов, т. е. используется буквенно-цифровой код, в котором второй элемент — буква П, оп­ределяющая подкласс [3].