+U
п
VT2
U
вх2
= –U
п
+ U
вх1
Рис. 20 Схема инвертора на комплементарных МДП-транзисторах
Если входное напряжение инвертора равно нулю (логический ноль), то транзистор VT1 закрыт (его сопротивление R
1
→
∞
), так как индуцированный канал в нем отсутствует. Транзистор VT2 открыт (R
2
≈
0): на его затворе возникает отрицательное по отношению к истоку
–U
п
U
вых
VT1
U
вх1
напряжение ( Uп > Uпор2 ). Поэтому в данном состоянии выходное напряжение инвертора равно напряжению источника питания Uп , т.е. на выходе формируется логическая единица. При смене логического состояния на вход транзистора подается положительный скачок напряжения Uвх1 > Uпор1 . Транзистор VT1 открывается ( R1 ≈ 0), а на затворе второго транзистора напряжение − Uп + Uвх1 становится меньше порогового, и VT2 закрывается ( R2 → ∞). Видно, что в любом логическом состоянии схема инвертора практически не потребляет электрическую мощность: протекающий ток – это ничтожный ток утечки закрытого МДП-транзистора. Такие схемы расходуют энергию только при переключении. ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР КАК УСИЛИТЕЛЬ МАЛОГО ПЕРЕМЕННОГО СИГНАЛА При работе транзистора в схеме усилителя в цепь стока включается либо активный, либо реактивный нагрузочный элемент (резистор, катушка индуктивности, обмотка трансформатора). Рассмотрим работу усилителя на полевом транзисторе с активной нагрузкой (рис. 21 ). Рис. 21 . Простейшая схема усилителя переменного сигнала на полевом транзисторе Rc + Vc – + − Uзи0 В цепи стока включен нагрузочный резистор Rc . Таким образом, к источнику питания Vc подключается делитель напряжения, состоящий из нагрузочного резистора Rc и сопротивления проводящего канала полевого транзистора. Выходным напряжением усилительного каскада является падение напряжения на полевом транзисторе Uси . Увеличение тока через транзистор при соответствующем изменении напряжения на затворе происходит за счет уменьшения сопротивления канала; это приводит к уменьшению выходного напряжения и к возрастанию падения напряжения на R
c
Вольтамперная характеристика такого усилителя (нагрузочная прямая) показана на рис. 22…. Она представляет собой линейную зависимость выходного напряжения U
си от тока стока: U
си
= V
с
– I
c
·R
c
, при этом R
c
= ctg α.
Рис. 22. Нагрузочная прямая для усилительного каскада на полевом транзисторе.
U
зи0
– напряжение на затворе, соответствующее выбранной рабочей точке.
I
c c
c
V
При малом изменении входного переменного сигнала падение напряжения на транзисторе изменится на величину: си c
c
dU
R dI
,
Изменение тока стока при этом описывается следующим образом: c
зи cи
1
i
dI
S dU
dU
R
,
Д вых
22 1
i
R
r
g
или c
c зи c
i
R
dI
S dU
dI
R
; c
c зи
1
i
R
dI
S dU
R
Отсюда выводится так называемая «рабочая крутизна»: c
р c
зи c
1
i
i
i
dI
S
SR
S
R
dU
R
R
R
Ее величина меньше статической крутизны S. График передаточной характеристики полевого транзистора при наличии нагрузочного резистора R
c идет более полого из-за того, что падение
U
си
0
R
V
с
α
U
зи0
U
зи1
I
с1
U
зи2
I
с2
U
си2
U
си1
напряжения на транзисторе Uси уменьшается с ростом тока стока (см. рис. 18 ). Рабочий коэффициент усиления по напряжению: си c c р c зи зи UdUR dIKS RdUdU c iUicSR RKRR Его величина обычно составляет несколько единиц, что значительно меньше статического коэффициента усиления μ ус = SRiТипичные значения крутизны и внутреннего сопротивления для маломощных полевых транзисторов составляют 2 мА/В и 20 кОм соответственно. Выбрав Rc = 2 кОм, легко подсчитать, что при этом μ ус = 40, а KU = 3,6. Рабочий коэффициент усиления по напряжению можно определить, используя графики на рис. 22 . Пусть на вход подается малый переменный сигнал: uзи = uм sinωt. Тогда Uзи1 = Uзи0 + uм , Uзи2 = Uзи0 − uм . Выходное напряжение при этом будет изменяться в пределах Uси1 до Uси2 . Следовательно, си2 си1 зи1 зи2 UUUKUU Рабочую крутизну с помощью тех же графиков можно выразить следующим отношением: с1 с2 р зи1 зи2 IISUU МДП-ТРАНЗИСТОРЫ ДЛЯ УСТРОЙСТВ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Главными достоинствами полевых транзисторов с изолированным затвором является ничтожная электрическая мощность, потребляемая в управляющей цепи затвора и достаточно высокое быстродействие. В связи с этим были разработаны мощные МДП-транзисторы для устройств силовой электроники. Известно, что для горизонтальной структуры зависимость тока стока насыщения от геометрических параметров канала и от напряжения на затворе выглядит следующим образом: зи U 2 c нас зи пор 2 bIUUl , где b и l – ширина и длина канала, Uпор – пороговое напряжение транзистора. Поэтому для увеличения тока стока в «горизонтальном» транзисторе следовало бы уменьшать длину канала, но при этом неизбежно уменьшилось бы напряжение пробоя, что нежелательно при использовании транзистора в устройствах большой мощности. В отличие от маломощных элементов интегральных схем и дискретных приборов мощные МДП-транзисторы имеют вертикальную структуру: вывод стока расположен снизу, а не на одном уровне с истоком (рис. 23). При этом, несмотря на небольшую длину канала (1-2 мкм), напряжение пробоя достигает значений многих сотен вольт. затвор исток Рис. 23 . Структура мощного МДП-транзистора с индуцированным каналом. Нижняя граница канала обозначена пунктиром. Области истока и « p- подложки» имеют общий вывод. При превышении порогового напряжения на затворе ( Uзи > U пор ) на участках p-областей, находящихся под затвором у границы с диэлектриком, возникают индуцированные n-каналы длиной l, через которые проходят электроны из истока в n -область. Затем они увлекаются вниз ускоряющим полем и через n -слой попадаютвобласть стока (стрелки на рис. 23 ). Наличие слаболегированной n - области позволяет подавать высокое напряжение между стоком и истоком; наибольшая величина этого напряжения зависит от концентрации примеси в n - слое и его толщины. сток n+ n+n+ n llpp
Понятие «канал» в таких транзисторах включает в себя не только возникающий индуцированный канал длиной l, но и области n
и n
+
, через которые проходят электроны к выводу стока. Это – области, определяющие сопротивление, через которое в транзисторе протекает ток стока. В низковольтных транзисторах основной вклад в сопротивление канала дает n
+
-слой, т.к. толщина n
-слоя невелика. В транзисторах с номинальными напряжениями сток-исток в несколько сотен вольт сопротивление канала определяется n
-слоем.
Величина порогового напряжения в таких транзисторах составляет
2-4 В, напряжение сток-исток может достигать нескольких сотен вольт, ток стока – десятков ампер.
Такие транзисторы предназначены, как правило, для работы в ключевом режиме в устройствах управления и переключения в мощных электрических цепях.
| 
Скачать 461.62 Kb.