|
|
Б.И. Дубовик. Конспект лекций по электронике для студентов направления 550200 (Автоматизация и управ. Б.И. Дубовик. Конспект лекций по электронике для студентов напра. Конспект лекций для студентов направления 550200 (Автоматизация и управление) специальности
рис. 1.5.6. Схема включения с общей базой.
В схеме с общей базой (ОБ) входными характеристиками транзистора является семейство iэ = f(Uбэ) при Uбэ = const (рис. 1.5.7). Характеристика этого семейства при Uкб = 0 представляет собой ВАХ эмиттерного перехода. Взаимодействие коллекторного и эмиттерного переходов приводит к изменению ширины базы, за счет чего меняется ток iэ. При Uкб < 0 ширина базы увеличивается, а ток iэ уменьшается. Все входные характеристики располагаются близко друг к другу, что говорит о слабом влиянии напряжения Uкб.
рис. 1.5.7. Входные вольтамперные характеристики.
Выходными характеристиками транзистора в схеме с ОБ является семейство iк = f(Uкб) при iэ = const (рис. 1.5.8).
Характеристика этого семейства при iэ = 0 представляет собой ВАХ коллекторного перехода. При Uкб > 0 она почти параллельна оси абсцисс, т.к. в этом случае выходным током транзистора будет обратный ток коллектора IкбО, который мало зависит от напряжения на коллекторном переходе. При Uкб < 0 выходным током транзистора является ток коллекторного перехода, который связан с напряжением коллекторного перехода, поэтому в этой области наблюдается резкое изменение тока iк. При Iэ > 0 и Uкб > 0 основное влияние на выходной ток транзистора оказывает ток через эмиттерный переход, поэтому при небольших положительных напряжениях на коллекторе характеристики рассматриваемого семейства представляют собой ряд прямых, идущих почти параллельно оси абсцисс. При больших положительных Uкб выходные характеристики транзистора начинают заметно изгибаться, т.к. напряжение на коллекторном переходе приближается к пробивному напряжению.
рис. 1.5.8. Выходные вольтамперные характеристики.
На рис. 1.5.9 показаны каскады с общей базой, причем приводятся схемы подключения питания и для транзисторов n-p-n и p-n-p.
рис. 1.5.9. Усилительные каскады с общей базой.
Так как входной сигнал подается между базой и эмиттером, а вы ходной возникает между базой и коллектором, то этим обеспечивается минимальное значение входного полного сопротивления и очень высокое выходное сопротивление. Выходной сигнал совпадает по фазе с входным.
Разделительный конденсатор С1 используется для того, чтобы воспрепятствовать прохождению постоянных составляющих входного сигнала. Напряжение входного сигнала возникает на резисторе R1. Он же образует цепь для прохождения тока в цепи эмиттер-база. Протекание коллекторного тока вызывает напряжение на резисторе R2. Переменная составляющая данного напряжения представляет собой выходной сигнал усилителя. Конденсатор С2 является разделительным, он пропускает на выход только переменную составляющую.
в) Схема с общим коллектором.
Схемы транзисторного каскада с общим коллектором транзисторов n-p-n и p-n-p показаны на рис. 1.5.10.
рис. 1.5.10. Схемы усилителей с общим коллектором.
Схему с общим коллектором называют также ЭМИТТЕРНЫМ ПОВТОРИТЕЛЕМ, поскольку выходной сигнал снимается с эмиттерного резистора, и повторяет по фазе входной. Действительно, при росте входного сигнала на первой схеме транзистор приоткрывается и, следовательно, увеличивается ток через резистор R2, а значит и падение напряжения на нем. При уменьшении Uвх транзистор прикрывается, и напряжение на R2 уменьшается. Аналогичные рассуждения можно провести и для второй схемы.
Основной особенностью работы эмиттерного повторителя является высокое входное сопротивление, которое определяется приближенным выражением Rвх *R2, а выходное равно R2, т.о. входное соп ротивление в раз больше выходного.
Предельные значения напряжения и тока биполярного транзистора.
Величина максимально допустимой мощности рассеяния для данного транзистора зависит от его размеров, конструкции, а также от температуры окружающей среды. Величина допустимой рассеиваемой мощности ограничивается максимально допустимой температурой прибора (150-200 С для кремниевых транзисторов).
В транзисторе, работающем в режиме усиления, подавляющая часть рассеиваемой мощности выделяется в области коллекторного перехода. Следовательно, эту мощность можно определить как про изведение Uкэ и iк:
Ррас = Uкэ*iк
Если Ррас max, то
Существуют пределы и на максимальные значения Uкэ и iк. Ток коллектора ограничен той предельной величиной, которую способны выдержать, не разрушаясь, тонкие проводнички, соединяющие кристалл проводника с внешними выводами. При превышении этого значения проводнички перегорают, что приводит к внутреннему разрыву цепи в одном или нескольких местах.
На рис. 1.5.11. выделена область допустимых положений рабочей точки для транзистора.
рис. 1.5.11. Область допустимых положений рабочей точки.
В паспорте транзистора указывается максимально допустимый ток коллектора iк, превышать который не разрешается. Максимально допустимое напряжение на коллекторном переходе транзистора опре деляется процессом лавинного размножения в этом переходе. Т.е. увеличение Uкэ приводит в конце концов к лавинному пробою кол лекторного перехода (рис. 1.5.12).
рис. 1.5.12. Поведение вольтамперных характеристик при приближении к напряжению пробоя.
Лекция №5. Модели биполярных транзисторов.
План лекции.
1. Модель биполярного транзистора в режиме большого сигнала;
2. Низкочастотная малосигнальная модель транзистора.
Модель биполярного транзистора в режиме большого сигнала (модель 1).
Если изменения напряжений и токов достаточно велики, т.е. схема работает в режиме большого сигнала, то при расчете таких схем необходимо учитывать всю нелинейную характеристику транзистора.
Работу транзистора в этом случае можно промоделировать, если входную цепь реального транзистора, представляющую собой эмиттерный переход, заменить полупроводниковым диодом с экспоненциальной ВАХ, а действие смещенного в обратном направлении коллекторного перехода представить эквивалентным генератором тока (рис. 1.5.13).
рис. 1.5.13. Модель транзистора в режиме большого сигнала.
Iэо – обратный ток насыщения диода в цепи Э - Б.
Эта модель справедлива как в режиме усиления, так и в режиме отсечки. Действительно, если Uбэ уменьшится до 0,6 В, то ток базы, а вместе с ним и ток коллектора станут равными 0. В режиме же насыщения эта модель представляет собой транзистор, не совсем корректно. Поэтому при использовании этой модели и в случае, когда может возникнуть режим насыщения будем считать, что он наступает при некотором значении напряжения Uкэ = Uкэнас. Практическая ценность приведенной модели справедливой при Uкэ > Uкэнас и iб > 0 состоит в том, что ее можно использовать при расчетах рабочей точки транзисторных схем.
Низкочастотная малосигнальная модель транзистора (модель 2).
На практике очень часто возникает задача усиления малых ана логовых сигналов. В этом случае полная ВАХ транзистора не требуется. Вместо этого важно знать его поведение в достаточно узкой области изменений напряжения и тока. При малых изменениях интересующий нас участок характеристики можно считать линейным. Это дает возможность построить П-образную модель транзистора, позволяющую проводить анализ различных усилительных схем на биполярных транзисторах.
В рассматриваемом случае ток коллектора и базы транзистора можно представить в следующем виде:
где , – постоянные составляющие тока базы и коллектора, соответствующие выбранной рабочей точке.
, – переменные составляющие тока базы и коллектора, несущие полезную информацию и представляющие собой малые величины.
Как было ранее установлено:
По аналогии можно записать:
Различие между 0 и состоит в том, что 0 представляет собой коэффициент усиления транзистора по току в определенной рабочей точке, тогда как является средней величиной, одинаковой для всех рабочих точек. Численное значение 0 обычно достаточно близко к .
Используя выражение (1.5.2) можно записать:
Но , где – значение напряжения в рабочей точке ()
– малый переменный сигнал
(1.5.3)
Т.к. Uбэ – малая величина, то можно разложить в ряд Маклорена. Ограничиваясь линейными членами разложения, запишем:
Подставляя это выражение в (1.5.3) получим:
с другой стороны:
Тогда:
(1.5.4)
а так как
(1.5.5)
(1.5.6)
Представим себе, что линейной зависимости (1.5.5) соответствует включенный в коллекторную цепь эквивалентный генератор тока с амплитудой и линейную связь между и представим сопротивлением между базой и эмиттером. Это сопротивление обозначим rбэ и его величина определяется из соотношения:
rбэ = 0 (1.5.7)
Следует заметить, что rбэ должно быть положительно, а т.к. единственная переменная, которая влияет на знак rбэ есть , то в выражении для rбэ нужно брать по модулю т.е.
rбэ = 0 (1.5.8)
В этом случае (1.5.8) будет справедливо для транзисторов n-p-n и p-n-p типов. Исходя из приведенного описания, модель транзистора можно представить в следующем виде (рис. 1.5.14):
рис. 1.5.14. Модель транзистора.
Или т.к. , то приведенную модель можно представить еще так (рис. 1.5.15)
рис. 1.5.15. Гибридная П-образная модель транзистора.
Коэффициент g называют КРУТИЗНОЙ и он определяется выражением:
(1.5.9)
Отметим, что для любого транзистора величина g зависит только от постоянной составляющей тока коллектора , температуры p-n-перехода транзистора T и констант q и k. Нахождение величины , определяющей положение рабочей точки, – задача нелинейная, которая требует анализа схемы в режиме большого сигнала и может быть решена либо графически, либо при помощи соответствующей модели, справедливой в режиме большого сигнала (модель 1).
Но после того как величина найдена, можно сразу же вычислить g. Например, при комнатной температуре получим:
g[См] = 0,04*[мА]
В заключении заметим, что построенная здесь П-образная модель транзистора содержит только активные сопротивления и не учитывает инерционные свойства транзистора. Такая резистивная модель обычно справедлива в диапазоне звуковых частот, т.е. до 10 кГц.
Лекция № 6. Модели биполярных транзисторов.
План лекции.
1. Модель транзистора, содержащая энергоемкие элементы;
2. Методика определения параметров гибридных П-образных схем транзисторов.
Модель транзистора, содержащая энергоемкие элементы.
При частотах сигналов, лежащих в верхней части звукового диапазона и выше, собственное быстродействие прибора может оказаться существенным при определении реального отклика на внешнее воздействие. Если необходимо точно определить время задержки и его влияние на сигнал, то нужно учесть особенности прибора, связанные с внутренними энергоемкими параметрами.
В режиме малого сигнала емкостные эффекты можно учесть, введя в малосигнальную модель транзистора постоянные идеальные конденсаторы.
Итак, более полная гибридная П-образная модель транзистора показана на рис. 1.5.16.
рис. 1.5.16. Модель транзистора с учетом энергоемких элементов
В этой модели введены два новых элемента rб, Сбэ и Сбк.
rб представляет собой сопротивление толщи полупроводникового материала между выводом базы и ее активной областью, примыкающей к той части базы, через которую происходит диффузия неосновных но сителей. Величина этого сопротивления сильно зависит от типа транзистора и положения рабочей точки и может изменяться в пре делах от нескольких единиц до сотен Ом. Т.к. резистор rб не является энергоемким элементом, то его можно бы включить в модель 2 транзистора. Однако влияние этого элемента в основном проявляется на высоких частотах, т.к. через него проходит заряд двух внутренних конденсаторов Сбэ и Сбк.
Появление конденсаторов Сбэ и Сбк в модели транзистора связано с особенностями физических свойств базовой области и примыкающих к ней эмиттерного и коллекторного переходов. Так, например, Сбк характеризует емкость смещенного в обратном направлении коллекторного перехода. При изменении напряжения между коллектором и базой величина объемного заряда, возникающего в обедненном слое p-n-перехода, также будет изменяться. Следовательно, сам обедненный слой действует подобно конденсатору: изменение напряжения на нем сопровождается изменением заряда. Для лучших высококачественных транзисторов величина Сбк не превышает 2 пФ, а для типовых пФ.
Появление емкости Сбэ обусловлено, во-первых, емкостью эмит терного перехода, характер изменения которой аналогичен емкости коллекторного перехода, что дает первую компоненту этой емкости и, во-вторых, при среднем и большем появлением избыточных неосновных носителей в ранее электрически нейтральной области базы между p-n-переходами, что дает вторую компоненту этой емкости. Появление второй компоненты емкости иллюстрируется рис. 1.5.17.
рис.1.5.17. Распределение не основных носителей заряда в области базы.
На рисунке схематически изображено распределение не основных носителей заряда в области базы для двух несколько отличающихся значений разности потенциалов между эмиттером и базой Uбэ1 и Uбэ2. Через смещенный в прямом направлении эмиттерный переход в базу инжектируется большое количество не основных носителей, в то же время благодаря обратному смещению на коллекторном переходе концентрация не основных носителей вблизи него весьма мала. Полное количество не основных носителей, "запасенных" в области базы при данном напряжении между базой и эмиттером, графически представляется площадью под соответствующей прямой. Следовательно, заштрихованная область между прямыми Uбэ1 и Uбэ2 характеризует изменение этого количества не основных носителей, которое должно произойти, если напряжение на Э-Б изменится от Uбэ1 до Uбэ2. Одновременно с этим для поддержания электрической нейтральности в области базы через выход базы из внешней цепи должно войти или выйти такое же количество основных носителей. Элементом электрической цепи, отражающим это явление, является конденсатор, потому что изменение напряжения между эмиттером и базой вызывает протекание электрического заряда в цепи. Таким образом, полная емкость конденсатора Сбэ определяется как сумма емкости, связанной с накоплением не основных носителей в области базы, и емкости, обусловленной пространственным зарядом в области эмиттерного перехода. Величина Сбэ приблизительно линейно зависит от коллекторного тока транзистора, причем типовые значения этой емкости лежат в диапазоне нескольких сотен пикофарад.
Алгоритм определения параметров гибридной П-образной модели транзистора.
Хотя параметры рассмотренной П-образной модели и изменяются в зависимости от положения рабочей точки транзистора, однако они не зависят от частоты усиливаемого сигнала. Этот факт объясняет широкое использование указанной модели. В литературе рассматриваются и другие модели транзисторов, например, использующие системы h-параметров или y-параметров. Однако в связи с тем, что параметры этих моделей зависят от частоты, они должны быть представлены в гармоническом виде. Параметры гибридной П-образной модели можно получить из паспортных данных транзистора, после чего работа транзистора на любых интересующих нас частотах будет характеризоваться эквивалентной схемой, содержащей RC-цепи.
Рассмотрим алгоритм определения параметров гибридных П-образных схем транзисторов по паспортным данным транзистора.
1. Прежде всего, по постоянному току коллектора находим:
Причем (kt/q) 25 мВ при комнатной температуре.
2. Затем из паспортных данных транзистора выписывают малосигнальный коэффициент усиления по току . В паспорте он обычно обозначается как эквивалентный h-параметр . Т.е. .
3. Далее определяется rбэ как для чисто резистивной схемы:
4. Значение емкости Сбк может быть записано непосредственно из паспортных данных, где она обычно фигурирует как выходная емкость в схеме с общей базой.
5. Передаточную функцию для коэффициента усиления (S) можно за писать в виде:
рис. 1.5.18. График изменения коэффициента усиления по току от частоты.
– частота, соответствующая полюсу передаточной функции, т.е. значение частоты, начиная с которого наблюдается заметное уменьшение усиления по току.
– частота, соответствующая точке пересечения высокочастотной асимптоты и прямой, определяемой выражением (j) = 1. Этой частоте соответствует частота:
которая является параметром, приводимым в паспортных данных транзистора. Иногда вместо fТ в паспорте транзистора приводят значение или на частоте f, заведомо лежащей в диапазоне, соответствующем высокочастотной асимптоте. В этом случае . Например, дано на частоте 50 мГц, тогда fТ = 50*2 = 100 мГц.
6. Из выражения для fТ находим:
7. Сопротивление rб на низких частотах задается в паспортных данных. В противном случае берется в диапазоне 50 - 100 Ом. На высоких частотах rб определяется по зависимости:
rб = Re(1/yie) a
где yia – входной параметр транзистора.
yie = S(Сбэ + Скб)/1 + S*rбэ(Сбэ + Скб)
yie имеет единственный полюс на частоте a. Если данные yie на высоких частотах отсутствуют, то оценочное значение rб для этих частот примерно равно 25 Ом.
Лекция № 7. Полевые транзисторы.
План лекции.
1. Полевой транзистор с p-n –переходом;
2. Полевой транзистор со структурой типа металл-окисел-полупроводник.
Биполярные транзисторы управляются током, вследствие чего они имеют малое входное сопротивление, что в ряде случаев является недостатком. Поэтому были разработаны специальные транзисторы с большим входным сопротивлением – полевые транзисторы. Термин "полевой" подчеркивает, что управление в этом полупроводниковом приборе осуществляется электрическим полем, а не током, как в биполярных транзисторах.
Для того, чтобы управлять током в полупроводнике с помощью электрического поля, нужно менять либо площадь проводящего полупроводникового слоя, либо его удельную проводимость. В полевых транзисторах используют два способа, и соответственно различают 2 разновидности полевых транзисторов: транзистор с управляющим p-n-переходом и МОП-транзистор (структура металл-окисел-полупроводник).
МОП-транзисторы, в свою очередь, подразделяют на МОП-транзисторы с индуцированным и со встроенным каналом. Работа полевых транзисторов основана на использовании только одного типа носителей – основных, поэтому их еще называют униполярными.
Полевые транзисторы с p-n-переходом.
Основная часть структуры, сделанная из полупроводника n(p-)-типа называется КАНАЛОМ, а выводы от двух его торцов носят названия СТОК и ИСТОК. Вдоль одной из боковых сторон бруска располагается полупроводник p(n-)-типа; в результате на границе раздела двух областей образуется p-n-переход. Область p(n-)-типа называется ЗАТВОРОМ; именно к ней подключается третий, или управляющий вывод структуры.
рис. 1.6.1. Структура полевого транзистора с р-n-переходом.
Внутри p-n-перехода образуется область пространственного заряда (обедненный слой), где практически нет свободных носителей заряда, причем эта область расширяется по мере увеличения обратного смещения. Так, например, для транзистора с каналом n-типа, при подаче отрицательного напряжения на затвор, область пространственного заряда проникает вглубь канала, при этом сужается сечение той его части, в которой находятся свободные носители заряда. И хотя физические размеры структуры остаются неизменными, сечение токонесущей части канала регулируется приложенным к затвору напряжением. Т.о., изменяя величину отрицательного напряжения на затворе, можно управлять проводимостью канала между его истоком и стоком.
Максимальная проводимость достигается при напряжении между затвором и истоком Uзи = 0, т.к. глубина проникновения обедненного слоя в этом случае минимальна, а сечение проводящей части канала максимально. При некоторой величине напряжения на затворе обедненный слой проникает на всю толщу канала, полностью перекрывая его, что приводит к падению проводимости до 0 (разрыв цепи). Напряжение Uзи, при котором наступает этот эффект, называется напряжением отсечки и обозначается Uотс. Для полевых транзисторов с p-n-переходом и каналом n-типа Uотс отрицательно. При малых значениях Uси, выходные характеристики транзисторов практически линейны (рис. 1.6.2).
рис. 1.6.2. Вольтамперные характеристики полевого транзистора при малых Uси.
В случае, когда напряжение Uси по величине сравнимо или больше Uотс, выходные характеристики транзистора отличаются от линейных. Это объясняется тем, что напряжение увеличивает обратное смещение на переходе на том конце структуры, где расположен сток (рис. 1.6.3).
рис. 1.6.3. Зависимость тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении Uзи.
Семейство полных выходных характеристик для типичного полевого транзистора с p-n-переходом и каналом n-типа имеет вид (рис. 1.6.4):
рис. 1.6.4. Выходные вольтамперные характеристики полевого транзистора.
Управляющее напряжение меняется в пределах и имеет знак смещающий p-n-переход в обратном направлении. Т.к. ток, смещенный через переход в обратном направлении, пренебрежимо мал, то мощность, расходуемая во входной цепи ничтожна. Поэтому на полевом транзисторе можно получить большое усиление сигнала по мощности.
Полевые транзисторы со структурой типа металл-окисел-полупроводник (МОП-транзисторы).
Схематически структура полевых транзисторов с каналами n-типа и p-типа имеет вид, представленный на рис. 1.6.5
рис. 1.6.5. Структура МОП-транзисторов со встроенным каналом.
Из рисунка видно, что металлический электрод затвора отделен от проводящего канала тонким слоем диэлектрика (слой двуокиси кремния толщиной 0,1 мкм). Сток и исток выполнен в виде более сильно легированных областей n или р. Такая структура называется транзистором с изолированным затвором или МОП-транзистор со встроенным каналом. Подложка (кристалл кремния) служит для создания на ней канала n-типа или р-типа необходимых размеров и для придания структуре прочности и прямой роли в работе прибора не играет. Конструкция затвор-окисел-канал в МОП-транзисторе представляет собой плоский конденсатор. При подаче на n-канальный транзистор отрицательного напряжения на затвор, металлический электрод заряжается отрицательно и одновременно у прилегающей к диэлектрику поверхности канала образуется обедненный слой, появляющийся вследствие ухода из него свободных электронов.
Плотность заряда и ширина обедненного слоя зависит от напряжения Uзи, что и обуславливает механизм модуляции проводимости между истоком и стоком. При достаточно большом отрицательном напряжении Uзи весь канал перекрывается обедненным слоем, что приводит к эффекту отсечки (рис. 1.6.6).
рис. 1.6.6. Выходные вольтамперные характеристики.
Т.к. в рассматриваемом транзисторе отсутствует p-n-переход, то ему не свойственно ограничений на полярность Uзи.
Если приложено к затвору положительное напряжение, то поверхность металлического электрода затвора заряжается положительно, и в канале у поверхности раздела с диэлектриком появляется отрицательный заряд, т.е. увеличивается концентрация свободных электронов по сравнению с равновесной и, значит, увеличивается проводимость канала.
Такой режим работы МОП-структуры, при котором в приповерхностном слое канала концентрация носителей выше равновесной, называется РЕЖИМОМ ОБОГАЩЕНИЯ (рис. 1.6.7).
рис. 1.6.7. Выходные вольтамперные характеристики МОП-транзис тора со встроенным каналом.
Структура МОП-транзистора другого типа с индуцированным каналом имеет вид (рис. 1.6.8):
рис. 1.6.8. Структура МОП-транзисторов с индуцированным каналом.
В этих транзисторах отсутствует встроенный канал n-типа или p-типа. Рассмотрим прибор первого вида, т.е. с подложкой p-типа. При положительном напряжении Uзи, превышающем некоторую пороговую величину Uпор в приповерхностном слое подложки p-типа из сильно легированной области истока к стоку начинается движение электронов. Этот слой, называемый слоем ИНВЕРСНОЙ ПРОВОДИМОСТИ, представляет собой индуцированный канал, который, причем, не отличается от встроенного канала n-типа, соединяющего n-области истока и стока.
Поскольку в рассматриваемом приборе индуцированный канал по является лишь при положительном напряжении на затворе, то работа прибора ограничивается режимом обогащения (рис. 1.6.9):
рис. 1.6.9. Выходные вольтамперные характеристики МОП-тран зистора с индуцированным каналом.
Лекция № 8. Полевые транзисторы.
План лекции.
1. Предельные значения напряжения и тока для полевых транзисторов;
2. Модель для полевого транзистора.
Предельные значения напряжения и тока для полевых транзисторов.
Как и для других элементов, предельно допустимые значения тока и напряжения для полевых транзисторов определяется их способностью рассеивать поглощаемую электрическую мощность и условием пробоев.
Для максимальной рассеиваемой мощности имеем:
Предельно допустимые величины напряжений обычно определяются приложенным к затвору запирающим напряжением для транзистора с p-n-переходом или напряжения пробоя тонкого слоя диэлектрика для МОП-транзистора. Резкое возрастание тока стока при увеличении Uси свидетельствует о наступлении пробоя. В МОП-транзисторе пробой обычно приводит к необратимому разрушению диэлектрического слоя. Величина предельно допустимого напряжения указывается в паспорте прибора. МОП-транзисторы являются в основном приборами с ограниченным током, максимально допустимая величина которого обычно ограничивается способностью прибора рассеивать поглощаемую электрическую мощность. Тем не менее, в режиме обогащения большое напряжение на затворе может вызвать достаточно большой ток, который способен расплавить внутренние контактные проволочки. Поэтому в паспорте транзистора указывается величина максимально допустимого тока стока. Описанные величины представлены на рис. 1.6.10.
рис. 1.6.10. Графическое представление области допустимых положений рабочей точки.
Заштрихованная часть первого квадранта соответствует области безопасной работы полевого транзистора.
Вследствие очень большого входного сопротивления МОП-транзистор может выйти из строя из-за накопления чрезмерного статического заряда. Чтобы избежать этого, выводы транзистора, если он не включен в схему, должны быть соединены вместе, прибор следует держать за корпус, а не за выводы и не вставлять прибор в цепь при включенном питании.
Модель полевого транзистора.
Если для биполярного транзистора можно построить кусочно-линейную модель, которую можно использовать для определения положения рабочей точки, то для полевого транзистора такую модель построить нельзя. Положение рабочей точки в данном случае определяют с помощью графических или аналитических методов.
После того, как рабочая точка найдена, можно построить низко частотную модель полевого транзистора. Она будет иметь вид, представленный на рис. 1.6.11:
рис. 1.6.11. Схема низкочастотной модели полевого транзистора.
На этой модели цепь сток-исток представлена в виде эквивалентного генератора тока, что справедливо в области усиления, где выходные характеристики горизонтальны. Для описания этой модели необходимо знать g – называемый крутизной характеристики полевого транзистора и rзи - активная составляющая входного сопротивления. Крутизна характеризует зависимость тока выходного сигнала от напряжения входного сигнала и является основной характеристикой для всех видов полевых транзисторов и, как правило, приводится в паспорте транзистора. Практически крутизну можно найти из выходных характеристик транзистора, если в окрестности рабочей точки определять величину приращения iс при изменении Uзи на 1 В. Типичные значения крутизны 0,5 – 5 МА/В. Что касается rзи, то здесь можно сказать следующее. Т.к. в МОП-транзисторах затвор отделен от канала диэлектриком, а в полевых транзисторах с p-n-переходом, переход смещен в обратном направлении, то входные токи измеряются единицами наноампер, а типовые значения активной составляющей входного сопротивления лежат выше 10 МОм.
Описанная модель применима при низких частотах входного сигнала. При рассмотрении работы полевых транзисторов в высокочастотной области необходимо пользоваться моделью полевого транзистора, содержащей энергоемкие элементы. Как следует из структуры полевого транзистора между затвором и каналом существует емкостная связь: через конденсатор, заполненный диэлектриком, в МОП-транзисторах или через емкость смещенного в обратном направлении p-n-перехода в полевом транзисторе с p-n-переходом. Полевые транзисторы обоих типов могут быть представлены моделью, содержащей конденсаторы (рис.1.6.12).
рис. 1.6.12. Высокочастотная модель полевого транзистора.
Значения емкостей в схеме на этом рисунке невелики – порядка нескольких пикофарад. Однако во многих практических применениях, когда полевые транзисторы включаются вместе с источниками с большим внутренним сопротивлением, результирующая постоянная времени может серьезно ограничивать быстродействие схемы на высоких частотах.
Лекция № 9. Интегральные микросхемы.
План лекции.
1. Основные определения и классификация интегральных схем (ИС);
2. Пленочные ИС;
3. Полупроводниковые ИС.
Интегральной микросхемой (ИС) называют микросхему, часть компонентов которой нераздельно связана и электрически соединена между собой так, что устройство рассматривается как единое целое.
Микросхему, состоящую из однотипных элементов, которые имеют отдельное конструктивное оформление и могут быть испытаны до сборки и монтажа (диодов, транзисторов, резисторов и т.д.) называют сборкой.
Функциональную сложность любой ИС принято характеризовать степенью интеграции – количеством элементов и компонентов N в ИС. Если , схему называют простой, если – средней ИС, при – большой ИС (БИС), а при N > 1000 – сверхбольшой ИС (СБИС).
В настоящее время применяют два вида интегральных микросхем: пленочные и полупроводниковые.
ПЛЕНОЧНЫЕ ИС – это микросхемы, элементы которых выполнены в виде пленок нанесенных на диэлектрическую подложку. В зависимости от нанесения пленок такие ИС подразделяются на толстопленочные (толщиной 10-20 мкм) и тонкопленочные (толщиной 1-2 мкм).
Поскольку до сих пор не удалось создать пленочные транзисторы, пленочные ИС содержат только пассивные элементы, а в качестве активных применяют диоды и транзисторы, которые подпаивают к пленочной ИС. Такую микросхему называют гибридной, а входящие в нее дискретные компоненты – навесными.
Толстопленочные ИС изготавливают следующим образом. На диэлектрическую пластинку (подложку) размером в несколько квадратных сантиметров через трафареты (маски) наносят пасты различного состава. Проводящие пасты образуют соединения между элементами ИС, обкладки конденсаторов, выводы ИС; резистивные пасты – проводящий слой резисторов; диэлектрические пасты – пространство между обкладками конденсаторов. При нанесении каждого слоя пасты применяют свой трафарет, в котором имеются окна в тех местах, куда должна попасть паста данного слоя. После того как паста затвердевает, на заранее отведенные места приклеивают навесные компоненты и соединяют их выводы со специальными контактными площадками.
К достоинствам толстопленочных схем следует отнести сравни тельную простоту их изготовления и относительно низкую стоимость. Основной недостаток - невозможность получения малых допусков на сопротивления резисторов и емкости конденсаторов (из-за механического способа нанесения пленок).
Тонкопленочные ИС изготавливают по более сложной технологии, в основе которой лежит осаждение пленки на подложку из газовой фазы. Это делают на специальных вакуумных установках, когда на диэлектрическую подложку напыляют пленки из различного материала также через специальные маски. Основным достоинством тонкопленочных ИС является возможность получения пленок с малым разбросом основных параметров, недостаток – сложность изготовления. В тонкопленочных ИС резисторы могут иметь сопротивления, измеряющиеся от единиц Ом до единиц МОм с допуском около 5%. Максимальная емкость тонкопленочных конденсаторов достигает нескольких тысяч пикофарад.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИС – это микросхемы, элементы которых созданы в приповерхностном слое полупроводникового кристалла. Они составляют основную часть ИС, выпускаемую отечественной промышленностью.
Полупроводниковые ИС изготавливаются по планарно-эпитаксиальной технологии. На поверхности шлифованной кремниевой пластины (подложки) наращивают тонкий слой полупроводника с проводимостью, отличной от проводимости подложки. Этот слой называют ЭПИТАКСИАЛЬНЫМ. В Современных ИС обычно используют подложку р-типа, а эпитаксиальный слой является полупроводником n-типа. Далее на поверхности пластинки создают защитную пленку двуокиси кремния, путем окисления ее при высокой температуре. Затем формируют полупроводниковые области с разными типами электропроводности и разной электрической проводимостью. Для этого используют фотолитографию, травление и диффузию. Сначала поверхность эпитаксиального слоя покрывают специальными светочувствительными полимером-фоторезистом. Затем на фоторезист проецируют рисунок, соответствующий в каждом конкретном случае конфигурациям областей определенного типа. После проявления на фоторезисте образуются "окна" (где окисная пленка не закрыта фоторезистом), через которые проводят травление защитной пленки, а затем осуществляют диффузию в эпитаксиальный слой, либо р- либо n-примесей.
Проводя последовательно несколько циклов окисления, фотолитографирования, травления и диффузии, образуют в эпитаксиальном слое все компоненты ИС – активные и пассивные. Соединения между компонентами ИС создают с помощью напыления на кремниевую пластинку проводникового материала (алюминия), который затем подвергается фотолитографическому травлению. Изоляция между отдельными компонентами ИС проводится с помощью как закрытых p-n-переходов, так и окисной пленки.
Планарно-эпитаксиальная технология позволяет формировать и биполярные транзисторы n-p-n и p-n-p типов, и униполярные. В качестве диодов в ИС обычно используют p-n-переходы транзисторов. Роль резисторов играют участки полупроводниковой пластинки со строго дозированным количеством примесей. В качестве конденсаторов используют закрытые p-n-переходы.
Характерной особенностью полупроводниковых ИС является то, что в них нельзя создать катушки индуктивности и тем более трансформаторы. Если они необходимы, приходится применять дискретные элементы. Для защиты микросхем от внешних воздействий их помещают в герметизированные корпуса. Все корпуса стандартизованы.
Для того чтобы отличить микросхемы, их корпуса маркируют. Условные обозначения микросхем состоят из четырех элементов.
Первый элемент (3 цифры) указывает номер серии, первая цифра обозначает конструктивно-технологическое исполнение (1,5 – полупроводниковые; 2, 4, 8 – гибридные, 3 – пленочные, 7 – бескорпусные), а вторая и третья – порядковый номер разработки серий.
Второй элемент (2 буквы) отражает функциональное назначение микросхемы (например, УД – операционные усилители; ЕН – стабилизаторы напряжения и т.д.).
Третий элемент (цифра) соответствует порядковому номеру одноименных по функциональному признаку микросхем данной серии.
Четвертый элемент (буква) обозначает различные группы микросхем данного типа. Перед условным обозначением микросхем бытовой аппаратуры ставится буква К.
Лекция № 10. Электронные усилители.
|
|
|
Скачать 0.94 Mb.