МУ Общая электротехника и радиоэлектроника СПГ (1). Методические указания по выполнению контрольной работы 1 для студентов заочной формы обучения по специальности 21. 05. 01 Прикладная геодезия, направлению подготовки 21. 03. 03 Геодезия и дистанционное зондирование
 Скачать 3.2 Mb.
|
|
Устройство и принцип действия биполярного транзистора Схематическое изображение структуры биполярных транзисторов приведено на рисунке 32 . 57 Рисунок 32. Возможные структуры и уловное изображение биполярного транзистора Биполярные транзисторы бывают либо n-р-n, либо р-n-р типа. Условно их можно представить в виде соединения двух диодов с центральным выводом. Центральная область (а также вывод от нее) называется базой (Б), крайние, имеющие иной тип проводимости по сравнению с базой, - коллектором (К) и эмиттером (Э). К каждой из областей припаяны выводы, при помощи которых прибор включается в схему. Переход между базой и эмиттером называется эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным. Конструктивно транзисторы различаются в зависимости от мощности и метода образования р-n переходов. Физические процессы, протекающие в транзисторах обоих типов, аналогичны. В зависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам транзистора, различают четыре режима его работы: Активный режим. На эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Этот режим является основным режимом работы транзистора при работе с аналоговыми сигналами. Режим отсечки. К обоим переходам подводятся обратные напряжения. Поэтому через них проходит лишь незначительный ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда. Транзистор в режиме отсечки 58 оказывается запертым. Этот режим является основным режимом работы транзистора при работе с дискретными (цифровыми) сигналами. Режим насыщения и инверсный режим. Эти режимы используются значительно реже. Инверсный режим не соответствует нормальным условиям эксплуатации транзистора. Схемы включения биполярного транзистора, В конкретных электронных схемах он включается как четырехполюсник, у которого имеются входная и выходная цепи. Один из электродов транзистора является общим. Возможны 3 схемы включения: схема с общей базой (ОБ, рис33 а), схема с общим эмиттером (ОЭ, рис33 б) и схема с общим коллектором (ОК, рис33 в) – показанные на рисунке 33 а, б, в. Рисунок 33. Схемы включения транзистора Принцип работы биполярного транзистора в активном режиме рассмотрим на примере транзистора n-р-n типа для схемы с общей базой как наиболее простой. Для этого на эмиттерный переход подадим прямое напряжение (U бэ ), а на коллекторный – обратное (U кб , рисунок 34). Получается схема четырёхполюсника, где вход со стороны эмиттера, а выход со стороны коллектора, база – электрод управления. І Б І К + + І Э п п р U бэ U кб R н Рисунок 34. Принцип работы биполярного транзистора Для отпирания р-п перехода требуется незначительное напряжение, поэтому величина U бэ небольшая, в то время как обратное напряжение на коллекторном переходе может быть существенно больше. Ток, проходящий через эмиттерный переход, получил название эмиттерного тока. Этот ток равен сумме дырочной и электронной составляющих 59 Бр Эп Э I I I , І Эп – составляющая эмиттерного тока, обусловленная инжекцией электронов из области эмиттера; І Бр – составляющая эмиттерного тока, обусловленная инжекцией дырок из области базы. В транзисторах, как было сказано выше, концентрация носителей заряда в базе значительно меньше, чем в эмиттере. Это приводит к тому, что число электронов, инжектированных из эмиттера в базу, во много раз превышает число дырок, движущихся в противоположном направлении. Следовательно, почти весь ток через эмиттерный переход обусловлен электронами: Эп Э I I Инжектированные через эмиттерный переход электроны проникают вглубь базы, частично рекомбинируют и оставшаяся часть достигает коллекторного перехода. Электрическое поле этого перехода переносят электроны в область коллектора. Ток, возникший в коллекторной цепи: Э рек Э К I I I I Последнее упрощение в сделано на основе того, что число рекомбинаций незначительно, т.к. база узка и имеет мало примесей. Таким образом, практически весь ток, возникший в цепи эмиттера, переносится в цепь коллектора. Вследствие того, что напряжение в цепи коллектора значительно превышает напряжение, подведенное к эмиттерному переходу, а токи в цепях эмиттера и коллектора практически равны, следует ожидать, что мощность полезного сигнала на выходе схемы (в коллекторной цепи) может оказаться намного больше, чем во входной (эмиттерной) цепи транзистора (напомним: мощность IU P ). Если под воздействием U бэ ток эмиттера возрастет на некоторую величину, то соответственно возрастут и остальные токи транзистора. Рассмотрим рабочие статические характеристики транзистора. Статические характеристики транзистора Статические характеристики транзистора отражают зависимость между токами и напряжениями на его входе и выходе. 60 Для схемы с общим эмиттером (эта схема встречается чаще других) статической входной характеристикой является график зависимости тока базы I Б от напряжения при постоянном значении напряжении коллектора: при ) ( const U U f I КЭ БЭ Б Выходные характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером представляют собой зависимости тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы: при ) ( const I U I Б KЭ K Типичные входные и выходные статические характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером показаны на рисунке 35. Она имеет вид обычной характеристики прямого тока р–n-перехода, на которую оказывает влияние напряжение на коллекторе. Из рисунка 35 видно, что с ростом напряжения U кэ ток I б уменьшается. Это объясняется тем, что при увеличении U кэ растет напряжение, приложенное к коллекторному переходу в обратном направлении, переход расширяется, захватывая часть базы и, соответственно, уменьшается вероятность рекомбинации носителей заряда в ней (в соответствии с формулой, рассмотренной выше рек Бр Б I I I ток рекомбинации является частью тока базы). Рисунок 35. Статические характеристики транзистора для схемы ОЭ: входные - слева; справа – выходные Выходные характеристики имеют начальный участок быстрого роста, нелинейную зону, переходящую в область насыщения. Вопросы для самоконтроля 1. Как управляется биполярный транзистор 2. Биполярный транзистор как соединение двух P-N переходов 3. Принцип работы биполярного транзистора Полевые транзисторы К классу полевых относят транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов 61 или дырок). Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала под воздействием электрического поля. Каналом полевого транзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения. Вследствие этого транзисторы называют полевыми. Управляющий электрод полевого транзистора называют затвором. По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р-n перехода и с изолированным затвором (МДП транзисторы структуры металл-диэлектрик-полупроводник, или другое название МОП транзисторы структуры металл-окисел-полупроводник). Транзисторы МДП и МОП структуры могут быть: со встроенным каналом и индуцированным каналом. В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы с каналом р типа и n типа. Канал р типа обладает дырочной проводимостью, а n типа – электронной. Полевые транзисторы с управляющим р-n переходом Полевой транзистор с управляющим р-n переходом – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от его канала р-n-переходом, смещенным в обратном направлении. Uзи Uси запирающий (обедненный) слой З 1 Ic С З 2 И Р + + - Р + + - n Рисунок 36. Устройство полевого транзистора с управляющим р-n- переходом и каналом n-типа 62 Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р-n переходом и каналом п типа Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение Uзи, так и напряжение Uси. а – стоковые (выходные), б – стоко - затворная Рисунок 37. Вольтамперные характеристики полевого транзистора При Uси = 0 выходной ток Iс = 0. При Uси 0 (Uзи = 0) через канал протекает ток Ic, в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток-сток равно Uси. Повышение напряжения Uси вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечения, а следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении Uси происходит сужение канала, при котором границы обоих р-n- переходов смыкаются и сопротивление канала становится высоким. Такое напряжение Uси называют напряжением перекрытия или напряжением насыщения Uси нас. При подаче на затвор обратного напряжения Uзи происходит дополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения Uси нас. В рабочем режиме используются пологие (линейные) участки выходных характеристик. 63 Стоко-затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока Iс от напряжения Uзи при фиксированном напряжении Uси: Ic = f(Uси) при Uси = const (рис. 37 б). З С И З С И а) б) Рисунок 38. Условное обозначение полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n- типа (а), каналом р- типа (б) Электрод (вывод), через который в канал входят основные носители заряда, называют истоком «И» (рисунок 38 ). Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком «С». Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения, называют затвором «З». Как правило, выпускаются кремниевые полевые транзисторы. Кремний применяется потому, что ток затвора, т.е. обратный ток р-n- перехода, получается во много раз меньше, чем у германия. При напряжении Uзи =0 (снято управляющее напряжение) сечение канала наибольшее, его сопротивление наименьшее и ток Iс получается наибольшим. Напряжение Uзи, при котором канал полностью перекрывается, а ток стока Iс становится весьма малым (десятые доли микроампер), называют напряжением отсечки Uзи отс. Полевые транзисторы с изолированным затвором Полевой транзистор с изолированным затвором имеет затвор, отделенный в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда другое название этих транзисторов – МОП – транзисторы. Особенности МДП транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рисунке 39. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, которую называют подложкой, с помощью диффузионной технологии созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности – n. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Между истоком и стоком имеется тонкий 64 приповерхностный канал с электропроводностью n- типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет в таком полевом транзисторе подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей. Рисунок 39 Конструкция МДП - транзистора со встроенным каналом При подаче на затвор положительного напряжения, электрическим полем, которое при этом создается, дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны вытягиваться из подложки в канал. Канал обогащается основными носителями заряда – электронами, его проводимость увеличивается и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения. При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основными носителями заряда, его проводимость уменьшается, и ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения. Особенности МДП транзисторов с индуцированным каналом. Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины (подложки) в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком n-типа расположен только кристалл р- типа и на одном 65 из р-n- переходов получается обратное напряжение (Рисунок 40). В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком очень велико, т.е. транзистор заперт. Рисунок 40 Конструкция МДП - транзистора с индуцированным каналом n- типа Если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р- области (подложки) по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое, значение Uзи пор, то в приповерхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и в этом слое произойдет инверсия типа электропроводности, т.е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области истока и стока, и транзистор начинает проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения. Условное обозначения МДП - транзисторов приведены на рисунке 41. 66 З С И а) З С И б) З С И б) З С И в) З С И г) З С И д) З С И П З С И е) П Рисунок 41 Условное обозначение МДП - транзисторов: а − со встроенным каналом n- типа; б − со встроенным каналом р- типа; в − с выводом от подложки; г − с индуцированным каналом n- типа; д − с индуцированным каналом р- типа; е − с выводом от подложки Статические характеристики МДП - транзисторов Стоковые (выходное) характеристики полевого транзистора со встроенным каналом n- типа Ic = f(Uси) показаны на рисунке 42 а,б. Рисунок 42 Статические характеристики При Uзи = 0 через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. В случае приложения к затвору напряжения Uзи 0 поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны – носители заряда в канале, что приводит к уменьшению их концентрации в канале и проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при Uзи 0 располагаются ниже кривой, соответствующей Uзи = 0. При подаче на затвор напряжения Uзи 0 поле затвора притягивает электроны в канал из полупроводниковой пластины (подложки) р- типа. 67 Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, проводимость канала возрастает, ток стока Iс увеличивается. Стоковые характеристики при Uзи 0 располагаются выше исходной кривой при Uзи = 0. Стоковые (выходные) характеристики Ic=f(Uси) и стоко-затворная характеристика Ic = f(Uзи) полевого транзистора с индуцированным каналом n- типа приведены на рис. 43, б; в. 0 5 10 15 20 5 10 15 20 Uси,В I , с мА 3 4 5 6 Uзи=7В б) 0 Uзи, В Uзи пор Ic, мА в) Uси=10В 5 10 15 20 2 4 6 Рисунок 43.ВАХ полевого транзистора с индуцированным каналом Отличие стоковых характеристик заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения Uси. Ток Ic = 0 при Uси = 0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока. Область применения Полевые транзисторы применяются в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением, ключевых и логических устройствах, при изготовлении интегральных схем и др. Основные схемы включения полевых транзисторов Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ) (рис. 44). 68 Рисунок 44 Схемы включения полевого транзистора: а) ОИ; б) ОЗ; в) ОС На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение. Вопросы для самопроверки 1. Как управляется полевой транзистор? 2. Какое основное преимущество полевого транзистора по сравнению с биполярным? 3. Принцип работы полевого транзистора? |