Основные параметры биполярных транзисторов

Как и у диодов, параметры БТ делятся на электрические и предельные эксплуатационные. [ возможных параметров – сотни ]

Основные электрические параметры:

1. Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ (β или h_21Э). Задается при определенных значениях I_К, U_КБ и Т°. Указывается не менее или диапазон. Типично для транзисторов малой мощности 40…100, 100…250; для мощных транзисторов м/б 10…50. Выпускаются также составные транзисторы по схеме Дарлингтона (простой и комплементарной) в стандартном трехвыводном корпусе (как обычные транзисторы), у них м/б 750…18000. [Показать и пояснить схемы].

2. Граничная частота коэффициента передачи тока – частота, при которой | h_21Э | = 1.

3. Напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер.

4. Обратные токи коллектора и эмиттера.

5. Емкости К и Э переходов (единицы или доли пФ).

Типичные предельные эксплуатационные параметры:

1. Постоянные напряжения К-Б (иногда еще К-Э) и Б-Э: это допустимые обратные напряжения на переходах. [Типичные значения]

2. Допустимые токи. Обязательно указывается постоянный ток коллектора, м/б также постоянный ток базы. Для многих транзисторов указывается импульсный ток коллектора (тж базы) в течение определенного времени. [Типичные значения]

3. Рассеваемая мощность. Для маломощных транзисторов типично 100…250 мВт, для мощных максимально 100 Вт (с теплоотводом).

4. Температура окружающей среды (типично для кремния
– 60°С…+100°С (125°С), и/или температура перехода (типично для кремния +125°С, +150°С, максимум +175°С.

Полевые транзисторы

Полевой транзистор (ПТ) — полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, которые протекают через проводящий канал, и управляются электрическим полем (отсюда и название — полевой). Электрическое поле осуществляет изменение площади поперечного сечения проводящего канала, в результате изменяется выходной ток транзистора.

Управление электрическим полем предполагает отсутствие статического входного тока, что позволяет уменьшить мощность, требуемую для управления транзистором.

ПТ в отличие от БТ иногда называют униполярным, так как его работа основана на использовании только основных носителей заряда – либо электронов, либо дырок. Поэтому в ПТ отсутствуют процессы изменения (накопления и рассасывания) объемного заряда неосновных носителей, оказывающие заметное влияние на быстродействие БТ.

ПТ бывают двух видов: с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. Последние называют также транзисторами со структурой металл – диэлектрик – полупроводник (МДП-, МОП- или MOS-транзисторы; у немцев – FET).

Транзистор с управляющимр-n-переходом(рис. 4.6) представляет собой пластину из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от концов ко­торой сделаны два вывода (электроды). Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком И, а электрод, к которому движутся основные носители заряда, называют стоком С. Вдоль пластины выполнен p-n-переход, от которого сделан третий вывод — затвор З. Внешние напряжения прикладывают так, что между электродами стока и истока протекает электрический ток, а напряжение, приложенное к затвору относительно истока, смещает электрический переход в обратном направлении.

Сопротивление области, расположенной под электрическим переходом, которая носит название канала, зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему обратного напряжения, а увеличение области, обедненной носителями заряда, приводит к повышению электрического сопротивления канала.

Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим р-n-переходом основана на изменении сопротивления канала за счет изменения размеров области, обедненной основными носителями заряда, которое происходит под действием приложенного к затвору обратного напряжения. Канал может быть почти полностью перекрыт, и тогда сопротивление между истоком и стоком будет очень высоким (от нескольких до десятков мегаом).

На рис. 4.7 показаны важнейшие характеристики полевого транзистора: передаточная (стокзатворная) I_c(U_зи) и выходная I_c(U_си) .

Напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока достигает заданного низкого значения, называют напряжением отсечки U_отс. Строго говоря, при U_отс транзистор должен закрываться полностью, но наличие утечек заставляют считать напряжением отсечки то напряжение, при котором ток достигает определенного малого значения. В справочных данных транзистора всегда указывают, при каком токе стока произведено измерение U_отс (например, 10 мкА).

В рабочей области передаточной характеристики

(4.4)

При малых значениях напряжения U_си и малом I_с транзистор ведет себя как линейное управляемое сопротивление (управляется напряжением U_зи). По мере роста U_си выходная характеристика все сильнее отклоняется от линейной, и далее (правее пунктира) наступает так называемый режим насыщения,при котором с увеличением U_си ток стокаменяется незначительно. В усилительных каскадах транзистор работает на пологом участке характеристики.

Так как управление полевым транзистором осуществляется напряжением на затворе, для количественной оценки управляющего действия затвора используют крутизну характеристики

S = dI_С/dU_ЗИ » ΔI_С/ΔU_ЗИ . (4.5)

Крутизна характеристики – это важнейшая паспортная х-ка полевого транзистора. Обычно приводится в справочниках при U_ЗИ = 0 (поскольку здесь она максимальна), либо при конкретном I_C. Можно определить S по графику I_c(U_зи): наклон касательной.

Из (4.4) легко найти

(4.4)

где S₀ – крутизна при U_ЗИ = 0

Динамические характеристики ПТ определяются наличием входной и выходной емкостей. Отсутствие объемного заряда – преимущество ПТ перед БТ, однако емкости ПТ больше. Считается, что по частотным свойствам ПТ не имеют преимуществ перед БТ.

При изменении температуры параметры и характеристики ПТ с управляющим переходом изменяются из-за воздействия ряда факторов, таких, как изменение обратного тока закрытого перехода и изменение удельного сопротивления канала. Обратный ток у закрытого p-n-перехода возрастает по экспоненциальному закону при увеличении температуры (ориентировочно удваивается при увеличении температуры на 6...8 °С). Если в цепи затвора ПТ стоит большое внешнее сопротивление, то падение напряжения на нем, вызванное изменившимся током, может существенно изменить напряжение на затворе. Современные ПТ, выполненные на основе кремния, работоспособны до температуры 120...150 °С.

Основные схемы включения ПТ в усилительных каскадах – с общим истоком и общим стоком (рис. 4.8).

В схеме c общим истоком (аналог ОЭ для БТ) постоянное напряжение U_см обеспечивает получение определенного значения сопротивления канала и определенный (рабочий) ток стока. При подаче входного усиливаемого напряжения ~ U_вх потенциал затвора меняется, соответственно изменяются токи стока и истока, а также падение напряжения на резисторе R. Приращение падения напряжения на резисторе R при большом его значении значительно больше приращений входного напряжения, следовательно, сигнал усиливается:

U_вых = R∙ΔI_C = R∙S∙ΔU_ЗИ Þ К_U = SR.

В схеме с ОС (аналог ОК) ПТ работает как повторитель напряжения, правда с худшими характеристиками, чем повторитель на БТ, так как при широком изменении I_C U_ЗИ меняется в более широких пределах, чем U_БЭ у БТ.

Ввиду малой распространенности включение с общим затвором не показано. Есть еще специфическое включение ПТ как источника тока (показать схему и как определить ток на СЗХ).

При изменении типа электропроводности канала меняются только полярность приложенных напряжений и направление токов.

Основными преимуществами полевых транзисторов с управ­ляющим p-n-переходом перед биполярными являются высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления, отсутствие в открытом состоянии остаточного напряжения между истоком и стоком открытого транзистора.

Полевой транзистор с изолированным затвором (МОП-транзистор) – это транзистор, имеющий один или несколько затворов, электрически изолированных от проводящего канала. Металлический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Поэтому входное сопротивление таких транзисторов велико (для лучших современных транзисторов достигает 10¹⁷ Ом).

МОП-транзисторы могут быть двух типов: транзистор с встроенным каналом (канал создается при изготовлении) и транзистор с индуцированным каналом (канал возникает под действием напряжения, приложенного к затвору).

Полевой транзистор со встроенным каналом

ПТ с изолированным затвором и встроенным каналом (рис. 4.9) представляет собой монокристалл полупроводника, обычно кремния, где создана электропроводность какого-либо типа (на рис. – p-типа). В нем созданы также две области с электропроводностью противоположного типа (в нашем случае n-типа), которые соединены между собой тонким приповерхностным слоем этого же типа проводимости. От этих двух зон сформированы электрические выводы – исток и сток. На поверхности канала имеется слой диэлектрика (обычно диоксида кремния SiO₂) толщиной порядка 0,1 мкм. а на нем методом напыления наносится тонкая металлическая пленка, от которой также делается электрический вывод – затвор. Иногда от основания
(называемого подложкой – П) также делается вывод, который накоротко соединяют с истоком.

Если в отсутствие напряжения на затворе приложить между истоком и стоком напряжение U_СИ любой полярности, то через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через подложку ток не потечет, так как один из переходов будет находиться под действием обратного напряжения.

При подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока, в канале возникает поперечное электрическое поле, которое будет выталкивать электроны из области канала в основание. Канал обедняется основными носителями – электронами, его сопротивление увеличивается, и ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение на затворе, тем меньше этот ток. Такой режим называется режимом обеднения.

При подаче на затвор положительного напряжения относительно истока направление поперечного электрического поля изменится на противоположное, и оно будет, наоборот, притягивать электроны из областей истока и стока, а также из кристалла полупроводника. Проводимость канала увеличивается. и ток стока возрастает. Такой режим называется режимом обогащения.

Рассмотренный транзистор, таким образом, может работать как в режиме обеднения, так и режиме обогащения токопроводящего канала, что иллюстрируют его стокзатворная и выходные характеристики (рис. 4.10). Как видно, выходные характеристики МОП-ПТ подобны выходным характеристикам ПТ с управляющим p-n-переходом.

Если исходный кристалл полупроводника имеет проводимость n-типа, токопроводящий канал должен быть p-типа. При этом полярность напряжений необходимо изменить на противоположную.

Полевой транзистор с индуцированным каналом

От предыдущего транзисто­ра он отличается тем, что у него нет встроенного канала между областями истока и стока. При отсутствии напряжения на затворе ток между истоком и стоком не потечет ни при какой полярности напряжения, так как один из переходов будет обязательно заперт. Если подать на затвор напряжение положительной полярности относительно истока, то под действием возникающего поперечного электрического поля электроны из областей истока и стока, а также из областей кристалла, будут перемещаться в приповерхностную область по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе превысит некоторое пороговое значение. то в приповерхностном слое концентрация электронов повысится настолько, что превысит концентрацию дырок в этой области и здесь произойдет инверсия типа электропроводности, т.е. образуется тонкий канал n-типа и в цепи стока появится ток. Чем больше положительное напряжение на
затворе, тем больше проводимость канала и больше ток стока.

Таким образом, такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Вид его выходных характеристик и характеристики управления показан на рис. 4.12.

Если кристалл полупроводника имеет электропроводность n-типа, то области истока и стока должны быть p-типа. Такого же типа проводимости будет индуцироваться и канал, если на затвор подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Большим достоинством МОП-транзисторов является их высокая технологичность. Поэтому они широко применяются в микросхемах.

В настоящее время полевые транзисторы вытесняют биполярные в ряде применений. Это связано с тем, что, во-первых, управляющая цепь полевых транзисторов потребляет ничтожную энергию, т.к. входное сопротивление этих приборов очень велико. Поэтому усиление по мощности в МДП-транзисторах много больше, чем в биполярных. Во-вторых, вследствие того, что управляющая цепь изолирована от выходной цепи, значительно повышаются надежность работы и помехоустойчивость схем на МДП-транзисторах. В-третьих. МДП-транзисторы имеют низкий уровень собственных шумов, что связано с отсутствием инжекции носителей заряда. В-четвертых, мощные полевые транзисторы обладают более высоким быстродействием, т.к. в них нет инерционных процессов накопления и рассасывания носителей заряда. В результате мощные МДП-транзисторы все больше вытесняют биполярные транзисторы там, где требуется высокое быстродействие и повышенная надежность.

Недостатком ПТ, проявляющимся прежде всего в силовых ключах, является большое сопротивление открытого канала и как следствие большие потери напряжения (а значит, и мощности) в силовых ключах. (Вообще о силовых ППП речь впереди – это отдельная тема).

Для ПТ с изолированным затвором используются такие же схемы включения, как и для ПТ с управляющим p-n-переходом: ОИ и ОК. Характеристики такие же.