Принцип действия, схема включения, режимы работы, статические характеристики, параметры, электрические модели, частотные и импульсные свойства биполярного транзистора.

Биполярным тр-ром наз. трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя и более взаимодействующими электронно-дырочными переходами. В тр-ре чередуются по типу электропроводности 3 области полупроводника: коллектор, база и эмиттер.

На границе эмиттерной области с базой и на границе базовой области с коллектором образуется 2 p-n-перехода: эмиттерный и коллекторный. Переходы взаимодействуют, если расстояние между ними (ширина базы W_Б) гораздо меньше диффузионной длины подвижных носителей заряда. Диффузионная длина ( ) – расстояние, которое электрон и дырка от момента появления в полупроводнике до момента рекомбинации. Площадь коллекторного перехода больше площади эмиттерного перехода.

Принцип работы транзистора.

Когда ключ 5 на рис. 5.16 разомкнут, ток в цепи эмиттера отсутствует. При этом в цепи коллектора имеется не­большой ток - обратный ток коллектораи обозна­чаемый Iкво(буква Oв индексе от слова «обратный»). Этот ток очень мал, так как при обратном смещении коллекторного перехода потенциальный барьер велик и непреодолим для основ­ных носителей — дырок коллектора и свободных электронов базы. Коллектор легирован примесью значительно сильнее, чем база. Вследствие этого неосновных носителей в коллекторе значительно меньше, чем в базе, и обратный коллекторный ток создается глав­ным образом неосновными носителями: дырками, генерируемыми в результате тепловых колебаний решетки в базе, и электронами, генерируемыми в коллекторе.

Схемы включения.

Рис. 5.1. Плоская одномерная модель и условное обозначение БТ.

В зависимостити от порядка чередования областей по типу электропроводности различают p-n-p и n-p-n-тр-ры.

Как элемент электрической цепи тр-р используют т.о., что один из его электродов является входным, а др. – выходным. 3й электрод явл-ся общим относительно входа и выхода.

Режимы работы.При работе тр-ра к его электродам прикладывают напряжение от внешних ист-ков питания. В зав-ти от полярности напр-й, прикладываемых к электродам, каждый из p-n-переходов тр-ра м/б включен в прямом или обратном направлении, т.е. возможны 4 режима работы тр-ра.

Название перехода	Включение перехода	Режим работы тр-ра
ЭП КП	Обратное Обратное	Режим отсечки
ЭП КП	Прямое Прямое	Режим насыщения
ЭП КП	Прямое Обратное	Активный режим
ЭП КП	Обратное Прямое	Инверсный режим

Статические характеристики. Стат-е хар-ки тр-ров показывают функциональные связи между постоянными токами и напр-ями электродов тр-ров. Для каждой схемы включения в активном режиме существует своя совокупность семейств характеристик, описывающих связь токов и напряжений в транзисторе. Их 4 вида:

1) Входные характеристики: I_вх = f(U_вх) при I_вых = const или U_вых = const.

2) выходные характеристики: I_вых = f(U_вых) при I_вх = const или U_вх = const.

3) характеристики управления (характеристики прямой передачи): Iвых = f(Iвх) при Uвых = const.

4) характеристики обратной связи (действия): Uвх = f(Uвых) при Iвх = const.

Рассмотрим некоторые характеристики для схемы с ОЭ:

1) Семейство входных (базовых) хар-к: IБ = f(UБЭ) при UКЭ = const	2) Семейство выходных (коллекторных) хар-к: IК = f(UКЭ) при IБ = const
3) семейство хар-к прямой передачи по току: IК = f(IБ) при UКЭ = const:	4) семейство хар-к обратного действия: UБЭ = f(UКЭ) при IБ = const

Частотные и импульсные св-ва.

Частотные св-ва. С повышением частоты усиление, даваемое тр-ром, снижается. Имеются 2 главные причины этого явления. Во-первых, на более высоких частотах вредно влияет емкость коллекторного перехода Ск. Вследствии влияния емкости Ск на высоких частотах уменьшаются коэф-ты α и β. α -коэф-т передачи тока эмиттера, β-коэф-т передачи тока базы. Второй причиной снижения усиления на более высоких частотах является отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторному, а также инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. При повышении частоты коэф-т β уменьшается значительно сильнее, нежели α. Коэф-т α снижается от влияния емкости Ск, а на β влияет еще и фазовый сдвиг между Iк и Iэ за счет времени пробега носителей через базу. То схема ОЭ по сравнению со схемой ОБ обладает значительно худшими частотными св-ми. Принято считать предельным допустимым уменьшение значений α и β на 30% по сравнению с их значениями α₀ и β₀ на низких частотах. Те частоты, на которых происходит такое снижение усиления, наз. граничными или предельными частотами усиления для схем ОБ и ОЭ – fα и fβ соотв-но. Помимо этих частот существует максимальная частота генерации fmax, при кот. коэф-т усиления по мощности Kp снижается до 1. Тр-ры типа n-p-n при прочих равных условиях являются более высокочастотными, нежели тр-ры типа p-n-p.

Импульсные св-ва. Тр-ры широко применяются в различных импульсных устройствах. Работа тр-ров в импульсном режиме, или ключевом или режиме переключения, имеет ряд особенностей. Рассмотрим импульсный режим тр-ра с помощью его выходных хар-к для схемы ОЭ.

Если на вход тр-ра подан импульс тока I_{Б MAX}, то тр-р переходит в режим насыщения и работает в точке Т₂. Получается импульс тока коллектора I_{K MAX} очень близкий по значению к E2/Rн. Его иногданазывают током насыщения. В этом режиме тр-р выполняет роль замкнутого ключа и почти все напряжение источника Е₂ падает на R_н, a на тр-ре имеется лишь очень небольшоеостаточное напряжение а десятые доли вольта, называемое напряжением насыщения U_{КЭ НАС.}

Хотя напряжение u_КЭ в точке Т₂ не изменило свой знак, но на самом кол­лекторном переходе оно стало прямым, и поэтому точка Т₂ действительно соответствует режиму насыщения.

Конечно, если импульс входного тока будет меньше I_{Б MAX}, то импульс тока коллектора также уменьшится. Но зато увеличение импульса тока базы сверх I_{Б MAX} практически уже не дает возрастания импульса выходного тока. Таким образом, максимальное возможное значение импульса тока коллектора I_{К MAX}≈E2/Rн.

Помимо I_{K MAX,} I_{Б MAX} и U_{КЭ НАС} импульсный режим хар-ся также коэф-том усиления по току В, который в отличие от β опр-ся не через приращениятоков, а как отношение токов, соответствующих точке Т₂: В≈ I_{K MAX}/ I_{Б MAX}. Иначе говоря, β является параметром, хар-щим усиление малых сигналов, а В относится к усилению больших сигналов,в частности импульсов, и по значению несколько отличается от β.

Параметром импульсного режима тр-ра служит также его сопротивление насыщения Rнас= U_{КЭ НАС}/ I_{K MAX}. Значение Rнас у тр-ров для импульсной работы обычно составляет единицы, иногда десятки Ом.

Принцип действия, схема включения, режимы работы, статические характеристики, параметры, электрические модели, частотные и импульсные свойства полевого транзистора с управляющим электронно-дырочным переходом, транзистора со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП).

Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых прохождение тока обусловлено дрейфом основных носителей заряда под действием продольного электрического поля. Управление током в полевых транзисторах осуществляется путем изменения электропроводности токопроводящего участка полупроводника поперечным электрическим полем. Это поле создается напряжением, приложенным к управляющему электроду.

В настоящее время промышленностью выпускаются два типа полевых транзисторов: с управляющим р-п-переходом и изолированным затвором структуры металл-диэлектрик-полупроводник, называется кратко МДП-транзисторами.

Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом могут быть изготовлены на основе кристалла полупроводника п- или р- типа.

Упрощенная структура кристалла полевого транзистора с управляющим р-п-переходом, изготовленного на основе п-типа на рис. 1. Транзистор состоит из области п-типа и двух обрастей р-типа. Области р-типа соединяется вместе и образуют управляющий электрод, называемый затвором (З).

На границах раздела полупроводников п- и р-типа образуются запирающие слои, обладающие высоким сопротивлением. Часть полупроводниковой области п-типа, заключенную между р-п-переходами, называются каналом (К). Если к каналу подсоединить внешний источник постоянного тока, в канале создается продольное электрической поле, под действием которого электроны в канале перемещаются в сторону положительного полюса источника напряжения.

рис. 1. Структура кристалла полевого транзистора с управляющим р-п-переходом и каналом п-типа

Полупроводниковая область, от которой начинают движение основные носители заряда в канате, называется источником (И), а область, к которой эти носители движутся, - стоком (С).

Движение основных носителей заряда в канале за счет напряжения на стоке относительно истока обусловливает прохождение тока в канале и в цепи стока .

При увеличении напряжения источника смещающее обратное напряжение на р-п-переходах увеличивается, запирающие слои расширяются, уменьшая сечение канала. При этом электропроводность канала и проходящий через него ток уменьшаются. Таким образом. Изменяя напряжение на затворе, можно управлять током, проходящим через канал полевого транзистора. При некотором напряжении на затворе может произойти смыкание областей объемного заряда, т.е. канал перекрывается. Напряжение на затворе (при =0), при котором канал перекрывается, называется напряжением отсечки и обозначается .

На рис. 1 показан транзистор с каналом п-типа. Если в качестве исходного материала используются полупроводник с дырочной электропроводностью, то транзистор имеет канал р-типа.

На рис. 2, а дано условное графическое изображение и схема включения полевого транзистора с управляющим р-п-переходом и каналом п-типа, а рис. 2, б – с каналом р-типа.

рис. 2. условные графические изображения и схемы включения полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом.

Статические стоковые характеристики. Стоковые характеристики полевого транзистора, выражающих зависимость при =const, изображены на рис. 3.

рис. 3. Семейство стоковых характеристик полевого транзистора с управляющим р-п-переходом и каналом п-типа.

Область стоковых характеристик, соответствующая напряжениям , называется крутой или омической. Последнее называние связано с тем, что дифференциальное сопротивление канала полевого транзистора в данной области определяется напряжением на затворе.

Участки стоковых характеристик, снятые при , соответствуют перекрытию канала (или насыщению). При напряжении , большем напряжения перекрытия, увеличиваются длина перекрытой части канала и его сопротивление (рис. 4).

рис.4 Иллюстрация сужения канала за счет тока стока .

Стоковые характеристики полевого транзистора с управляющим р-п-переходом могут быть достаточно представлены аналитической зависимостью тока от напряжений , и :

Для крутой области: , (1)

Для пологой области: . (2)

Статические вольт-амперные характеристики передачи. Статические вольт-амперная характеристика передачи, называемая также стоказатворной, проходной или характеристикой управления полевого транзистора, отображает зависимость в режиме перекрытия канала. Следовательно, эта характеристика описывается уравнением (2). Она может быть получена экспериментально либо путем перестроения стоковых характеристик, как показано на рис. 5. вид характеристик показывает, что при увеличения напряжения , смещающего р-п-переход в обратном направлении, ток стока уменьшается, а при = ток стока становится равным нулю.

рис. 5. Перестроение стоковых характеристик в стокзатворные.

Входные характеристики. Входные, или затворные, характеристики полевых транзисторов выражают графическую зависимость при =const. На рис. 6 показана входная характеристика полевого транзистора с управляющим р-п-переход и канала п-типа. При рабочих напряжениях на затворе р-п-переход затвор-канал смещается в обратном направлении и входной ток транзистора незначителен. При прямом на затворе р-п-переход затвор-канал отпирается и входной ток резко увеличивается. Изменение напряжения влияет на распределение поля в канале.

рис. 6. Входная характеристика полевого транзистора с управляющим р-п-переходом.

В полевых транзисторах с изолированным затвором затвор изготавливается в виде металлической пластины, изолированной пленкой диэлектрика от полупроводника. Роль канала в таких транзисторах выполняет тонкий поверхностный слой кристалла с измененным типом электропроводности.

В зависимости от способа изменения типа электропроводности на поверхности кристалла различают транзисторы с индуцированным и встроенным каналами. Такие приборы называют МДП-транзисторами, подчеркивая, что они имеют структуру металл-диэлектрик-полупроводник.