Сделай Сам Свою Работу на 5

Усилительные свойства транзистора.





Способность транзистора распределять ток эмиттера в заданном соотношении между коллектором и базой может быть использована для усиления электрических сигналов. Отношение изменения силы тока в цепи коллектора к изменению тока в цепи базы при постоянном напряжении на коллекторе для каждого транзистора есть величина постоянная, называемая интегральным коэффициентом передачи базового тока :

Для транзисторов различных типов значение этого коэффициента лежит в пределах от 15—20 до 200—500. Следовательно, вызывая каким-то способом изменения тока в цепи базы транзистора, можно получить в десятки и даже в сотни раз большие изменения тока в цепи коллектора.

 

 

Используя параметр , связь между током коллектора IK и током базы IБ, можно приближенно записать в виде:

При включении транзистора по схеме, представленной на рисунке (схема с общим эмиттером), отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы является отношением изменения выходного тока к изменению входного тока . Это отношение называется коэффициентом усиления по току Кт:

Так как параметр B у транзистора может иметь значения от ~ 20 до ~ 500 , электрическая схема с использованием одного транзистора может усиливать электрические сигналы по току в десятки и даже сотни раз.



Для усиления сигнала по напряжению в цепь коллектора должен быть включен резистор Rк, значение электрического сопротивления которого должно быть рассчитано для каждого конкретного случая.

Изменение тока коллектора на некоторую величину приводит к изменению напряжения между выходными клеммами на величину

Отношение этого изменения напряжения на выходе транзистора к вызвавшему его изменению напряжения на входе называется коэффициентом усиления каскада по напряжению Кн :

Изменением знака напряжения, подаваемого между базой и эмиттером, можно включать и выключать ток, протекающий через коллекторный вывод транзистора. В качестве бесконтактных переключательных элементов транзисторы используются в различных приборах автоматического управления, электронных вычислительных машинах.

ТИРИСТОРЫ

 

Тиристорами называются полупроводниковые приборы с тремя (и более) p-n- переходами, предназначенными для использования в качестве электронных ключей в схемах переключения электрических токов.



В зависимости от конструктивных особенностей и свойств тиристоры делят на диодные (динисторы) и триодные (тринисторы).

Динисторы подразделяют на: запираемые в обратном направлении; роводящие в обратном направлении; и симметричные.

Тринисторы подразделяют на: запираемые в обратном направлении по аноду или катоды; проводящие в обратном направлении с управлением по аноду или катоду; симметричные (двунаправленные). Кроме того, в их состав входит группа выключаемых тринисторов.

 

Область , в которую попадает ток из внешней цепи, называется анодом, а область катодом; области , - базами.

Если к аноду подключить плюс источника напряжения, а к катоду – минус, то переходы и окажутся открытыми, а переход - закрытым. Его называют коллекторным переходом.

Так как коллекторный p-n-переход смещен в обратном направлении, то определенного значения напряжения почти всё приложенное напряжение падает на нем. Такая структура легко моет быть представлена в виде двух транзисторов разной электропроводности, соединенных между собой так, как показано на рис. 2, б, в.

 

Рис. 2. Структура динистора (а); структура (б) и схема двухтранзисторного эквивалента динистора (в).

 

Ток цепи определяется током коллекторного перехода . Он однозначно зависит от потока дырок из эмиттера транзистора p-n-p-типа и потока электронов из эмиттера транзистора n-p-n-типа, а также обратного тока p-n-перехода.



Так как переходы и смещены в прямом направлении, из них в области баз инжектируются носители заряда: дырки – из области , электроны – из области . Эти носители заряда, диффундируя в областях баз , приближаются к коллекторному переходу и его полем перебрасываются через p-n-переход. Дырки, инжектированные из -области, и электроны из движутся через переход в противоположных направлениях, создавая общий ток I.

При малых значениях внешнего напряжения всё оно практически падает на коллекторном переходе . Поэтому к переходам имеющим малое сопротивление, приложена малая разность потенциалов и инжекция носителей заряда невелика. В этом случае ток I мал и равен обратному току через переход , т.е. . При увеличении внешнего напряжения ток в цепи сначала меняется незначительно. При дальнейшем возрастании напряжения, по мере увеличения ширины перехода , все большую роль начинают играть носители заряда, образовавшиеся вследствие ударной ионизации. При определенном напряжении носители заряда ускоряются настолько, что при столкновении с атомами в области p-n-перехода ионизируют их, вызывая лавинное размножение носителей заряда.

Образовавшиеся при этом дырки под влиянием электрического поля переходят в область , а электроны – в область . Ток через переход увеличивается, а его сопротивление и падение напряжения на нем уменьшаются. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам , и увеличению инжекции через них, что вызывает дальнейший рост коллекторного тока и увеличение токов инжекции. Процесс протекает лавинообразно и сопротивление перехода становится малым.

Носители заряда, появившиеся в областях вследствие инжекции и лавинного размножения, приводят к уменьшению сопротивления всех областях динистора, и падение напряжения на приборе становится незначительным. На вольт-амперной характеристике этому процессу соответствует участок 2 с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 3). После переключения воль-амперная характеристика аналогична ветви характеристики диода, смещенного в прямом направлении (участок 3). Участок 1 соответствует закрытому состоянию динистора.

Для определения тока, протекающего через динистор, рассмотрим его двухтранзисторную модель (рис. 2, в). Токи коллекторов транзисторов - - - и - - - типов соответственно равны

где , - обратные токи коллекторных переходов транзисторов VT1, VT2; , - коэффициенты передачи эмиттерного тока.

Так как I = + , то получим:

Тринисторы (рис. 4, а) отличаются от динисторов тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом.

 

Рис. 4. Тринистор:

а – структура; б – вольт-амперная характеристика; в – характеристики, поясняющие процесс включения; 1 – линия нагрузки

 

При подачи в цепь управляющего электрода тока управления ток через - - переход увеличивается. Дополнительная инжекция носителей заряда через p-n- переход приводит к увеличению тока на величину :

Изменяя ток, можно менять напряжение, при котором происходит переключение тринистора, и тем самым управлять моментом его включения. Семейство вольт-амперных характеристик тринистора показано на рисунке 4, б. Процесс включения и выключения тиристора поясняет рисунок 4, в.

Отношение амплитуды тока тиристора к амплитуде импульса, выключающего тока управляющего электрода, называется коэффициентом запирания: . Он характеризует эффективность выключения тринистора с помощью управляющего электрода и в ряде разработок составляет 4…7.

Тринисторы с повышенным коэффициентом запирания часто называют выключаемыми или запираемыми.

 

Симметричные тиристоры (симисторы). В настоящее время выпускаются симметричные тиристоры, у которых вольт-амперные характеристики одинаковые в I и III квадрантах (рис. 5. а). Они выполнены на основе пятислойных структур и носят название симисторов. При подаче на управляющий электрод сигнала одной полярности симисторы включаются как в прямом, так и в обратном направлениях.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика симистора (а); подключение напряжений, обеспечивающих включение тиристоров: с управлением по катоду (б), по аноду (в); управление симистором (г)

 

Используя участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, можно создавать генераторы релаксационных колебаний (рис. 6, в), принцип действия которых состоит в следующем.

 

Пока напряжение на тиристоре меньше напряжения переключения ( , конденсатор С заряжается через резистор R. Напряжение на нем увеличивается по экспоненциальному закону. При включении тиристора ( = конденсатор С быстро разряжается. Когда ток становится меньше , тиристор выключается. Процессы зарядки и разрядки периодически повторяются. Данная электрическая цепь генерирует периодические импульсы экспоненциальной формы.

 

Основные параметры тиристоров:

1. Напряжение переключения: постоянное - , импульсное - .

2. Напряжение в открытом состоянии - падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии.

3. Обратное напряжение – напряжение, при котором тиристор может работать длительное время без нарушения его работоспособности.

4. Постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии - максимальное значении прямого напряжения, при которм не проиходит включения тиристора.

5. Неотпирающее напряжение на управляющем электроде - наибольшее напряжение, не вызывающее отпирания тиристора.

6. Запирающее напряжение на управляющем электроде - напряжение, обеспечивающее требуемое значение запирающего тока управляющего электрода.

7. Ток в открытом состоянии - максимальное значение тока открытого тиристора.

8. Ток удержания .

9. Обратный ток .

10. Отпирающий ток управления - наименьший ток управляющего электрода, необходимый для включения тиристора.

11. Скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии – максимальная скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии.

12. Время включения - время с момента подачи отпирающего импульса до момента, когда напряжение на тиристоре уменьшится до 0,1 своего начального значения.

13. Время выключения - минимальное время, в течение которого к тиристору должно прикладываться запирающее напряжение.

14. Рассеиваемая мощность P.

 

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полупроводниковые приборы, работа которых основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем, называются полевыми транзисторами. У них в создании электрического тока участвуют носители заряда только одного типа (электроны или дырки).

Полевые транзисторы бывают двух видов:

- с управляющим p-n-переходом;

- со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП)

 

Транзистор с управляющим p-n-переходом представляет собой пластину (участок) из полупроводникового материала с электропроводностью p- либо n-типа, к торцам которой подсоединены электроды - сток и исток. Вдоль пластины выполнен электрический переход (p-n-переход или барьер Шоттки), от которого выведен электрод - затвор.

 

Внешние напряжения прикладываются так, что между электродами стока и истока протекает электрический ток, а напряжение, приложенное к затвору, смещает электрический переход в обратном направлении. Сопротивление области, расположенной под электрическим переходом, которая называется каналом, 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 p-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. Основные носители заряда в канале начинают движение от истока и движутся к стоку. При подаче на затвор обратного напряжения канал может быть почти полностью перекрыт и тогда сопротивление между истоком и стоком очень высокое (десятки мегаом), ток Ic→0, , а такое напряжение называют напряжением отсечки полевого транзистора UЗИ отс.

Ширина p-n-перехода зависит также от величины тока, протекающего через канал. Пусть UСИ > 0, тогда ток IC, протекающий через транзистор, создает падение напряжения, которое окажется запирающим для перехода затвор-канал. Это приводит к увеличению ширины p-n-перехода, т.е. уменьшению сечения канала и его проводимости. При этом ширины p-n-перехода увеличивается по мере приближения к области стока, где будет наибольшее падение напряжения, вызванное током IC на сопротивлении канала RСИ. У края около истока действует напряжение UЗИ, а у края около стока |UЗИ |+UСИ . При малых значениях напряжения UCИ и малом IC транзистор ведет себя как линейное сопротивление: увеличение UCИ приводит к линейному возрастанию IC и наоборот. По мере роста UCИ характеристика UЗИ = f(UCИ) становится нелинейной, что обусловлено сужением канала у стокового конца. При определенном значении тока наступает режим насыщения. Его возникновение связано с тем, что при большом напряжении UCИ канал стока стягивается в узкую горловину, наступает динамическое равновесие - при увеличении UCИ рост тока IC приводит к дальнейшему сужению канала и соответствующему уменьшению тока IC. Напряжение насыщенно зависит от UЗИ.

 

 

При дальнейшем увеличении напряжения UCИ у стокового конца наблюдается пробой p-n-перехода. Область ОА называют крутой областью характеристики, АВ - пологой или областью насыщения.

В усилительных каскадах транзистор работает на пологом участке характеристики. За точкой. В возникает пробой транзистора. Входная характеристика полевого транзистора с управляющим p-n-переходом представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики p-n-перехода. Хотя ток затвора изменяется при изменении напряжения UCИ и достигает максимума при коротком замыкании выводов истока и стока (ток утечки затвора IЗ ут ) им можно пренебречь. Изменение напряжения UЗИ не вызывает существенных изменений тока затвора, что характерно для обратного тока p-n-перехода.

При работе в пологой области вольтамперной характеристики ток стока при заданном напряжении UЗИ определяется выражением

Введем для количественной характеристики управляющего действия затвора понятие крутизны характеристики

Получаем

 

 

Таким образом, крутизна характеристики полевого транзистора уменьшается при увеличении напряжения, приложенного к его затвору.

Усилительные свойства полевых транзисторов характеризуются коэффициентом усиления

который связан с крутизной характеристики и внутренним сопротивлением уравнением

- дифференциальное внутреннее сопротивление транзистора.

Действительно, в общем случае IC = f(UCИ, UЗИ) и

 

 

Если при одновременном изменении UСИ и UЗИ ток IC = const, то dIC = 0, откуда

 

Схемы включения полевых транзисторов в усилительных каскадах:

Постоянное напряжение UCM обеспечивает получение заданного сопротивления канала RCИ и тока стока . При подаче входного усиливаемого напряжения Uвх потенциал затвора меняется, и, соответственно, меняются токи стока и истока, т.е. падение напряжения на нагрузочном резисторе.

Если R >> 1, то Δ >> за счет этого осуществляется усиление сигнала.

 

Основными преимуществами полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом перед биполярными является высокое входное сопротивление Ом, малые шумы, отсутствие остаточного напряжения между истоком и стоком открытого транзистора, малые нелинейные искажения.

 

МДП-транзисторы могут быть двух типов:

- со встроенными каналами

- с индуцированными каналами.

Транзисторы первого типа могут работать как в режиме обеднения канала носителями заряда, так и в режиме обогащения. Транзисторы второго типа можно использовать только в режиме обогащения.

У МДП-транзисторов металлический затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика и имеется дополнительный вывод от кристаллической пластинки - подложки.

Управляющее напряжение можно подавать как между затвором и подложкой, так и независимо на подложку и затвор. Под влиянием образующего электрического поля у поверхности полупроводника появляется канал p-типа за счет отталкивания электронов от поверхности вглубь полупроводника в транзисторе с индуцированным каналом. В транзисторе со встроенным каналом происходит расширение или сужение имевшегося канала под действием управляющего напряжения.

Существенным преимуществом МДП-транзисторов является высокое входное сопротивление, достигающее значений

 

МДП-транзисторы с диэлектриком из диоксида кремния SiO2 называются МОП-транзисторами. МОП-транзисторы с двумя изолированными затворами называются тетродными. Наличие второго затвора позволяет одновременно управлять током транзистора с помощью двух управляющих напряжений.

 

МДП-структуры специального назначения. Кроме рассмотренных полевых транзисторов, которые выпускаются в виде самостоятельных компонентов, применяется ряд МОП-структур со специфическими свойствами.

В структурах типа металл-нитрит-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором - двухслойный: SiO2 - тонкий слой, Si3N4 - толстый слой. При подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28 – 30 B) электроны из подложки туннелируют через тонкий слой SiO2 и захватываются в "ловушки" потенциала кристалла Si3N4. Появляются неподвижные отрицательно заряженные ионы. Созданный ими заряд повышает пороговое напряжение UЗИ пор1. Этот заряд может хранится несколько лет при отключении всех напряжений питания. Если на затвор подать отрицательное напряжение (28 – 30 B) , то накопленный заряд рассасывается. После этого пороговое напряжение для транзистора существенно уменьшается. На основе МНОП-структур выполняются запоминающие элементы, которые в зависимости от записанного в них "заряда" будут иметь малое или большое сопротивление при подаче одинакового напряжения UЗИ порядка 3 − 5B.

МОП-структуры с плавающим затвором и лавинной инжекцией имеют затвор, который выполнен из кристаллического кремния Si и не имеет электрических связей с другими частями структуры. При подаче высокого напряжения на сток или исток транзистора возникает лавинный пробой p-n-перехода, образованного в подложке. При этом электроны приобретают энергии, позволяющие им проникнуть в изолирующий слой и достигнуть затвора. На затворе появляется отрицательный заряд, который вследствие высоких изолирующих свойств SiO2 сохраняется на протяжении многих лет: уменьшается на 25% за 10 лет. Величину заряда выбирают такой, чтобы он обеспечил появление электропроводного канала, соединяющего сток и исток.

Транзистор становится неэлектропроводящим, если убрать электрический заряд с "плавающего" затвора. Для этого область затвора облучают ультрафиолетовым излучением. Мощность его должна быть достаточной для ионизации и возникновения в цепи затвора фототока, в результате чего электроны рекомбиниpуют с дырками и заряд исчезает. Облучение производят через кварцевые окошки в микросхемах.

В лавинно-инжекционных МОП-структурах с плавающим затвором имеется второй затвор. В них стирание информации может производится импульсами напряжения с амплитудой около 30B.

Рассмотренные МОП-структуры используются в микросхемах ПЗУ (постоянных запоминающих устройств), которые можно перепрограммировать.

 

Основные параметров полевых транзисторов(y-параметры):

1.Крутизна характеристики, проводимость прямой передачи. Она показывает, насколько ампер изменяется IС, если при постоянном UCИ UЗ изменяется на 1В.

 

2.Выходная проводимость (выходное сопротивление) :

Чаще используют понятие выходное (внутреннее) сопротивление:

3.Входное сопротивление:

4.Проводимость обратной связи:

Все эти параметры определяются по статическим характеристикам транзистора.

Кроме того, есть такой параметр, как статический коэффициент усиления (по напряжению). Он показывает во сколько раз увеличивается UCИ при увеличении UЗИ.

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.