Тема 5. транзисторы. интегральные схемы на полупроводниковых приборах

ВВЕДЕНИЕ

Понятие электроника включает с себя широкий круг вопросов и проблем. Это и рассмотрение систем, работающие в диапазоне рентгеновских и ультрафиолетовых частот, это и устройства, работающие в диапазоне видимых и инфракрасных частот, это и обширная номенклатура приборов СВЧ диапазона частот, это и еще более широкий класс устройств дециметрового и метрового диапазона волн и т.д.

В настоящем учебном пособии в соответствии с утвержденными учебными планами и стандартами основное внимание уделяется интегральной полупроводниковой электронике и электронике больших мощностей, а также проблемам построения управляемых выпрямителей для систем автоматического управления электроприводом.

В мощных электронных устройствах в настоящее время в основном используются биполярные дискретные транзисторы. Маломощные интегральные устройства преимущественно строятся на полевых МДП-транзисторах с изолированным затвором. Полевые канальные транзисторы с управляющим р-п переходом в основном используются во входных каскадах измерительных усилителей и приемных устройств. Интегральные полупроводниковые микросхемы для ЭВМ и устройств автоматики в настоящее время в основном выполняются на КМДП-транзисторах и МДП-конденсаторах. Размеры интегральных полупроводниковых транзисторов очень малы (порядка 100 нм), потребляемая мощность составляет доли микроватт. Напряжение питания интегральных схем снижено до 2 Вольт. Как правило, интегральные схемы строятся на одних МДП-транзисторах и конденсаторах и не содержат других элементов. Это позволяет размещать на одном монокристалле размером в один квадратный дюйм до миллиона МДП - транзисторов. Интегральные схемы характеризуются высокой надежностью и устойчивостью к изменениям параметров внешней среды.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Транзисторами называются управляемые полупроводниковые приборы, способные усиливать мощность электрических сигналов.

По принципу работы они делятся на два класса: биполярные и униполярные. Термин "биполярный" подчёркивает роль как носителей отрицательных зарядов-(электронов-«п»), так и положительных зарядов(дырок-«р») в образовании проводящих каналов. Термин "униполярный" говорит о том, что проводящий канал образуется одним типом носителей (электронами или положительными зарядами).

Биполярный транзистор представляет собой совокупность двух включенных навстречу взаимодействующих между собой р-n переходов. В соответствии с чередованием областей с различными типами электропроводности биполярные транзисторы подразделяются на два класса «p-n-р» и «n-p-п».

Центральный слой полупроводника между «р-п»-переходами в транзисторах называется базой, слой, являющийся источником носителей зарядов (электронов или дырок), называется эмиттером, слой, принимающий заряды от эмиттера, называется коллектором.

Напряжение на «р-п»-переход эмиттер-база подается в прямом направлении. Поэтому даже при небольших напряжениях через него протекает ток базы (Iб).Это обстоятельство определяет сравнительно небольшую величину входного сопротивления транзистора, которое для постоянного тока определяется выражением Rвх_= Uбэ/Iб (см. рис 5.1.).

На переход коллектор-база напряжение подается в обратном направлении. Так как при включении транзистора один электрод является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК). Наиболее часто в усилителях мощности на биполярных транзисторах используются схемы включения транзисторов с общим эмиттером и общим коллектором.

На рис.5.1.приведены входная: Iб=F(Uбэ) при Uкэ-const и переходная: Iк=F(Uбэ) при Uкэ-const статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора.

Рис. 5.1. Входная и переходная статические вольтамперные характеристики

биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Из рассмотрения характеристик видно, что характерной особенностью биполярного транзистора является протекание тока во входной цепи при любых значениях входного напряжения Uбэ.

По входной характеристике транзистора можно определить его входное сопротивление переменному току на низких частотах. Для этого в рабочей точке Т (см, рис. 5.2.) строится характеристический треугольник. Рабочая точка Т лежит посередине его гипотенузы, а катеты параллельны осям. Затем определяются приращения напряжения и тока базы. По найденным приращениям тока базы ∆Iб и напряжения ∆Uбэ определяется входное сопротивление Rвх=∆Uбэ/∆lб при Uкэ= const.

По переходной характеристике транзистора таким же методом можно определить ее крутизну Sк=∆lк/∆Uбэ.Зная значение Sк и величину сопротивления нагрузки Rн можно определить приближенное значение коэффициента усиления по напряжению Кu=Sк*Rн. Более точно значения коэффициента усиления по напряжению на низких частотах можно определить с учетом сопротивления транзистора переменному току Rк.

Для того необходимо воспользоваться выходными вольтамперными характеристиками транзистора. На рис. 5.2. приведено семейство выходных вольтамперных характеристик Iк=F(Uкэ) при Iб-const биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Рис. 5.2. Выходные вольтамперные характеристики биполярного

транзистора типа п-р-п при включении по схеме с общим эмиттером.

Из рассмотрения характеристик видно, что по мере увеличения
напряжения Uкэ ot нуля до небольших значений порядка вольта ток коллектора (Iк) резко возрастает. Этот участок соответствует линии насыщения тока транзистора и малой величине сопротивления транзистора переменному току. При дальнейшем увеличении Uкэ ток коллектора возрастает медленнее, что соответствует резкому увеличению сопротивления транзистора переменному току.

Величина сопротивление транзистора переменному току определяется следующим образом. Около выбранной рабочей точки Т строится характеристический треугольник, из которого определяются значения приращений тока коллектора ∆lк, ∆lб и напряжения ∆Uкэ. Величина сопротивления транзистора переменному току ( Rк ) определяется по формуле: Rк =∆Uкэ. /∆lк.

Сопротивление транзистора постоянному току также определяется из выходных характеристик транзистора. В точке Т оно равноормуле Rк=Uкэ/Iк.

Величина коэффициента усиления по току (Кi) определяется по формуле Кi=∆Iк₂/∆Iб.

Величина коэффициента усиления по напряжению по формуле Кu=Sк*Rн/Rк+Rн.

Рабочая точка по постоянному току Т выбирается в зависимости от мощности и предназначения транзистора. При необходимости усилить слабые сигналы без существенных искажений рабочая точка выбирается как это показано на рис 5.2. При использовании биполярных транзисторов типа п-р-п для усилении положительных импульсных сигналов рабочая точка выбирается таким образом, чтобы при отсутствии сигнала транзистор находился практически в запертом состоянии (точка А). В этом случае при подаче положительного сигнала транзистор за время равное длительности переднего фронта импульса переходит из запертого состояния в открытое (точка Б).

В том случае, когда необходимо усиливать отрицательные импульсы используется транзистор типа р-п-р. В тех случаях, когда надо усиливать сигналы обеих полярностей используется схема двухтактного (компементароного) усилителя на транзисторах двух типов п-р-п и р-п-р. Рассмотрение схемы такого усилителя приведено в следующем параграфе.

МОЩНЫЕ ВЫХОДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ