Параметры транзисторов. Параметры и характеристики транзисторов: основные типы, режимы работы и особенности применения — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Какие основные параметры характеризуют работу транзисторов. Как классифицируются транзисторы по типам и режимам работы. Каковы особенности применения различных типов транзисторов в электронных схемах. Как влияют параметры транзисторов на их характеристики и возможности использования.

Содержание

Основные типы и классификация транзисторов

Транзисторы являются одними из ключевых элементов современной электроники. Они широко используются в различных электронных устройствах и схемах для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. По принципу работы транзисторы делятся на два основных типа:

Биполярные транзисторы — работают за счет инжекции неосновных носителей заряда
Полевые транзисторы — работают за счет изменения проводимости канала под действием электрического поля

Биполярные транзисторы в свою очередь подразделяются на:

npn-транзисторы
pnp-транзисторы

Основные типы полевых транзисторов:

МОП-транзисторы (металл-оксид-полупроводник)
JFET-транзисторы (полевые транзисторы с управляющим p-n переходом)

По мощности транзисторы классифицируются на:

Маломощные (до 0,3 Вт)
Средней мощности (0,3-1,5 Вт)
Мощные (свыше 1,5 Вт)

По частотным свойствам выделяют:

Низкочастотные (до 3 МГц)
Среднечастотные (3-30 МГц)
Высокочастотные (30-300 МГц)
Сверхвысокочастотные (свыше 300 МГц)

Основные параметры биполярных транзисторов

Работа биполярных транзисторов характеризуется следующими основными параметрами:

Коэффициент усиления по току (β или h21) — отношение изменения тока коллектора к вызвавшему его изменению тока базы
Граничная частота коэффициента передачи тока (fT) — частота, на которой коэффициент усиления по току уменьшается до единицы
Максимально допустимый ток коллектора (ICmax)

Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер (UCEmax)
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UCEsat)
Входная емкость (Cin)
Выходная емкость (Cout)

Какие ключевые параметры определяют возможности применения биполярных транзисторов?

Коэффициент усиления по току влияет на усилительные свойства
Граничная частота ограничивает работу на высоких частотах
Максимальные токи и напряжения определяют предельные режимы работы
Емкости влияют на быстродействие в импульсных схемах

Основные параметры полевых транзисторов

Для полевых транзисторов наиболее важными являются следующие параметры:

Крутизна характеристики (S) — отношение изменения тока стока к вызвавшему его изменению напряжения затвор-исток
Пороговое напряжение (Vth) — минимальное напряжение на затворе, при котором начинает протекать ток стока

Максимальный ток стока (IDmax)
Максимальное напряжение сток-исток (VDSmax)
Входная емкость (Ciss)
Выходная емкость (Coss)
Проходная емкость (Crss)

На какие характеристики полевых транзисторов влияют эти параметры?

Крутизна определяет усилительные свойства
Пороговое напряжение влияет на чувствительность управления
Максимальные токи и напряжения задают границы безопасной работы
Емкости ограничивают быстродействие на высоких частотах

Режимы работы транзисторов

В зависимости от приложенных напряжений и протекающих токов выделяют следующие основные режимы работы транзисторов:

Активный (линейный) режим — транзистор работает как усилитель сигнала
Режим отсечки — транзистор закрыт и ток через него не протекает
Режим насыщения — транзистор полностью открыт и через него протекает максимальный ток

Инверсный активный режим — для биполярных транзисторов при обратном включении эмиттера и коллектора

Как выбор режима работы влияет на применение транзистора?

Активный режим используется в усилителях сигналов
Режимы отсечки и насыщения применяются в ключевых схемах
Инверсный режим иногда используется в специальных схемах

Схемы включения биполярных транзисторов

Для биполярных транзисторов используются три основные схемы включения:

С общим эмиттером (ОЭ) — входной сигнал подается на базу, выходной снимается с коллектора
С общей базой (ОБ) — входной сигнал подается на эмиттер, выходной снимается с коллектора
С общим коллектором (ОК) — входной сигнал подается на базу, выходной снимается с эмиттера

Каковы особенности и области применения различных схем включения?

Схема ОЭ обеспечивает усиление по току и напряжению, широко используется
Схема ОБ имеет хорошие частотные свойства, применяется на высоких частотах
Схема ОК (эмиттерный повторитель) используется для согласования высокоомного входа с низкоомной нагрузкой

Особенности применения МОП-транзисторов

МОП-транзисторы имеют ряд особенностей, определяющих их широкое применение в современной электронике:

Очень высокое входное сопротивление (практически не потребляют ток по цепи затвора)
Управление напряжением, а не током
Возможность изготовления в интегральном исполнении с высокой плотностью элементов
Низкое энергопотребление в статическом режиме
Хорошая температурная стабильность

Для каких применений наиболее подходят МОП-транзисторы?

Цифровые интегральные схемы (процессоры, память и др.)
Аналоговые ключи
Преобразователи напряжение-ток

Усилители с высоким входным сопротивлением

Влияние температуры на параметры транзисторов

Температура оказывает существенное влияние на характеристики полупроводниковых приборов, в том числе транзисторов:

С ростом температуры увеличивается обратный ток коллекторного перехода
Уменьшается напряжение база-эмиттер при фиксированном токе
Снижается коэффициент усиления по току на высоких частотах
Уменьшается пороговое напряжение МОП-транзисторов
Снижается подвижность носителей заряда

Как учитывается влияние температуры при проектировании электронных устройств?

Используются схемы температурной стабилизации рабочей точки
Применяются транзисторы с расширенным температурным диапазоном
Вводится температурная компенсация в цепи обратной связи
Обеспечивается эффективный теплоотвод от мощных транзисторов

Шумовые характеристики транзисторов

Шумовые свойства транзисторов играют важную роль при их применении в малошумящих усилителях. Основные виды шумов в транзисторах:

Тепловой шум — вызван хаотическим движением носителей заряда
Дробовой шум — связан с дискретной природой электрического тока
Фликкер-шум (1/f шум) — преобладает на низких частотах
Генерационно-рекомбинационный шум — обусловлен флуктуациями концентрации носителей

Какие меры позволяют снизить уровень шумов в транзисторных усилителях?

Выбор малошумящих транзисторов с оптимизированной структурой
Работа транзистора в режиме с минимальным коэффициентом шума
Охлаждение входных каскадов усилителя
Применение параллельного включения транзисторов

Частотные свойства и быстродействие транзисторов

Частотные характеристики транзисторов определяют возможность их работы на высоких частотах и в быстродействующих схемах. Основные параметры, характеризующие быстродействие:

Граничная частота коэффициента передачи тока (fT)
Максимальная частота генерации (fmax)
Время нарастания и спада при работе в ключевом режиме
Входная и выходная емкости

Какие факторы ограничивают быстродействие транзисторов?

Время пролета носителей через базу
Барьерная емкость коллекторного перехода
Емкость монтажа и корпуса транзистора
Эффект Миллера в схеме с общим эмиттером

Характеристики транзистора- основные параметры

Характеристики транзистора – диаграмма, которая отображает взаимоотношения между электрическим током и напряжением транзистора в конкретной конфигурации. Учитывая, что схемы конфигураций транзисторов аналогичны по отношению к двухпортовым схемам, они могут быть проанализированы с использованием кривых для характеристик, которые могут быть следующих типов:

1. Характеристики входа: они описывают изменения в токе на входе с изменением значений напряжения на входе, удерживающим напряжение на выходе постоянным.

2. Характеристики выхода: это диаграмма, отображающая противостояние тока на выходе и напряжения на выходе при неизменном токе на входе.

3. Характеристики передачи тока: это кривая характеристик, показывающая изменение тока на выходе в соответствии с током на входе, при этом напряжение на выходе постоянное.

Транзистор, который включен по схеме с общей базой

При такой конфигурации базовый вывод транзистора будет общим между выводами входа и выхода, как показано на рисунке 1. Данная конфигурация демонстрирует низкое полное сопротивление на входе, высокое полное сопротивление на выходе, высокий коэффициент усиления сопротивления и высокий коэффициент усиления напряжения.

Рисунок 1 Схема с общей базой

Характеристики входа

Рисунок 2 показывает характеристики входа схемы вышеописанной конфигурации, которые описывают изменение тока на эмиттере, IE с напряжением на базе-эмиттере, VBE удерживает напряжение на коллекторе-базе, VCB постоянно.

Выражение для сопротивления на входе выглядит следующим образом:

Характеристики выхода

Характеристики выхода для такой конфигурации (Рисунок 3) демонстрируют изменение тока на коллекторе, IC с VCB, где ток на эмиттере, IE является удерживаемой постоянной. Из показанного графика следует, что сопротивление на выходе может быть получено как:

Рисунок 3 Характеристики выхода

Характеристики передачи тока

Рисунок 4 демонстрирует характеристики передачи тока для вышеназванной конфигурации, которые объясняют изменение IC с IE, удерживающим VCB постоянным. Получившийся коэффициент усиления тока имеет значение меньше единицы и может быть математически выражен следующим образом:

Рисунок 4 Характеристики передачи тока

Транзистор, который включен по схеме с общим коллектором

Эта конфигурация транзистора имеет общий вывод коллектора между выводами входа и выхода (Рисунок 5) и также имеет отношение к конфигурации эмиттера. Это обеспечивает высокое полное сопротивление на входе, низкое полное сопротивление на выходе, коэффициент усиления напряжения меньше единицы и значительный коэффициент усиления тока.

Рисунок 5 Схема с общим коллектором

Характеристики входа

Рисунок 6 демонстрирует характеристики входа для этой конфигурации, которые описывают изменение в IB в соответствии с VCB, для обеспечения постоянного значения напряжения на коллекторе-эмиттере, VCE.

Рисунок 6 Характеристики входа

Характеристики выхода

Рисунок 7 показывает характеристики выхода для данной конфигурации, которые демонстрируют изменения в IE против изменений в VCE для постоянных значений IB.

Рисунок 7 Характеристики выхода

Характеристики передачи тока

Эти характеристики данной конфигурации (Рисунок 8) показывают изменение IE с IB, удерживающим VCE постоянным.

Транзистор, который включен по схеме с общим эмиттером

В данной конфигурации вывод эмиттера является общим между выводами входа и выхода, как показано на рисунке 9. Эта конфигурация обеспечивает среднее полное сопротивление на входе, среднее полное сопротивление на выходе, средний коэффициент усиления тока и коэффициент усиления напряжения.

Рисунок 9 Схема с общим эмиттером

Характеристики входа

Рисунок 10 показывает характеристики входа для данной конфигурации, которая объясняет изменение в IB в соответствии с VBE, где VCE является постоянной.

Рисунок 10 Характеристики входа

Исходя из рисунка, сопротивление на входе может быть представлено как:

Характеристики выхода

Характеристики выхода у такой конфигурации (Рисунок 11) также рассматриваются как характеристики коллектора. Этот график показывает изменение в IC с изменениями в VCE, когда IB удерживается постоянной. Исходя из графика, можно получить сопротивление на выходе следующим образом:

Рисунок 11 Характеристики выхода

Характеристики передачи тока

Эти характеристики данной конфигурации показывают изменение IC с IB, удерживающим VCE в качестве постоянной. Это может быть математически выражено как:

Это соотношение рассматривается как коэффициент усиления тока с общим эмиттером, и оно всегда больше единицы.

Рисунок 12 Характеристики передачи тока

Наконец, важно отметить, что несмотря на то, что кривые характеристик были объяснены касательно биполярных плоскостных транзисторов, аналогичный анализ является подходящим даже по отношению к полевым транзисторам.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Характеристики и параметры транзисторов | Основы электроакустики

Характеристики и параметры транзисторов

Транзисторы разделяются на типы (подтипы) по классификационным параметрам. Например,маломощные низкочастотные и среднечастотные транзисторы классифицируются по таким параметрам, как коэффициент усиления по току и предельная частота усиления или генерации. В отдельных случаях особо выделяют шумовые свойства транзисторов, характеризуемые коэффициентом шума, или способность транзисторов работать при повышенных напряжениях на коллекторе.

Маломощные высокочастотные транзисторы классифицируются по статическому коэффициенту усиления тока в схеме с общим эмиттером (ОЭ) и модулю коэффициента усиления тока на частоте 10…20 МГц.

Мощные низкочастотные транзисторы классифицируются по максимальному обратному напряжению между коллектором и базой и статическому коэффициенту усиления тока в схеме с ОЭ.

При практическом использовании транзисторов используются следующие параметры.

Параметры постоянного тока используются для расчета режима транзистора по постоянному току. К этим параметрам относятся:

Обратный ток коллекторного перехода Iко — ток через переход коллектор—база при отключенном эмиттере и заданном напряжении на коллекторе.
Обратный ток эмиттерного перехода Iэо — ток через переход эмиттер—база при отключенном коллекторе и заданном напряжении на эмиттере.
Начальный ток коллектора Iкн — ток в цепи коллектора при замкнутых эмиттере и базе и заданном напряжении на коллекторе. В некоторых случаях указывается начальный ток коллектора при включении между базой и эмиттером заданного сопротивления.
Ток коллектора запертого транзистора Iкз — ток коллектора при обратном смещении эмиттерного перехода и заданных напряжениях на эмиттере и коллекторе.

Параметры малого сигнала характеризуют работу транзисторов в различных усилителях. Переменные токи и напряжения на электродах транзисторов при измерениях этих параметров должны быть малыми по сравнению с постоянными токами и напряжениями, определяющими выбор начальной рабочей точки (начальное смещение). Сигнал считается малым, если при изменении (увеличении) переменного тока (или напряжения) в два раза значение измеряемого параметра остается неизменным в пределах точности измерений. Так как транзисторы имеют резко выраженные нелинейные свойства, параметры малого сигнала сильно зависят от выбора начального смещения. Для характеристики таких параметров чаще всего используется система Н-параметров в следующем составе:

входное сопротивление Н11 — отношение напряжения на входе к вызванному им изменению входного тока;
коэффициент обратной связи по напряжению h22 — отношение изменения напряжения на входе к вызвавшему его приращению напряжения на выходе;
выходная проводимость Н22 — отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению выходного напряжения при условии холостого хода по переменному току на входе;
коэффициент усиления тока h31 — отношение изменения выходного тока к вызвавшему его приращению входного при условии короткого замыкания выходной цепи.

В зависимости от схемы включения к цифровым индексам добавляется буквенный: б — для схемы с ОБ, э — в схеме ОЭ, к — для схемы с ОК. Применяются и другие символы для обозначения коэффициента усиления по току: для схемы с ОБ — а, а для схемы с ОЭ — В или р.

Измерение Н-параметров, как правило, производится на низкой частоте (50… 1000 Гц). Они используются при расчетах низкочастотных усилителей, преимущественно первых каскадов, работающих на малых сигналах. На высокой частоте коэффициенты усиления тока становятся комплексными величинами (так же как и другие Н-параметры). Усилительные свойства транзисторов на высокой частоте характеризуются модулем коэффициента усиления тока ¦а¦, ¦h31б] или ¦В¦. Частота, на которой значение ¦h31бl уменьшается на 3 дБ (около 30%) по сравнению с Наш, измеренным на низкой частоте, называется предельной частотой усиления тока fa.

Модуль усиления тока в схеме ОЭ уменьшается с ростом частоты более заметно, чем в схеме ОБ. В некоторой области частот параметр ¦h31э¦ обратно пропорционален частоте: ¦h31э¦=Fт/F. Частота F, — граничная частота усиления тока базы. На этой частоте модуль ¦Н21э¦ равен 1. Имеет место приближенное соотношение: fа=mFт где т=2 для бездрейфовых и т=1,6 для дрейфовых транзисторов.

К малосигнальным параметрам относятся также емкости переходов транзистора.

Емкость коллекторного перехода Ск — емкость, измеренная между коллекторным и базовым выводами транзистора при отключенном эмиттере и обратном смещении на коллекторе.
Емкость эмиттерного перехода Сэ — емкость, измеренная между выводами эмиттера и базы при отключенном коллекторе и обратном смещении на эмиттере. Значения емкостей Ск и Сэ зависят от приложенного напряжения. Если, например, указано значение Ск при напряжении U, то емкость Скх при напряжении U, можно найти из приближенной формулы: Скх = Cк(U/Uх)m, где m определяется таким же образом, как и в формуле .
Максимальная частота генерации Fмакс — наибольшая частота автоколебаний в генераторе на транзисторе. С достаточной точностью можно считать, что Fмакc — частота, на которой коэффициент усиления транзистора по мощности равен единице.
Коэффициент шума Кш — отношение полной мощности шумов на выходе транзистора к части мощности, вызываемой тепловыми шумами сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума выражается в децибелах. Его значение дается для определенного частотного диапазона. Для большинства транзисторов минимальные шумы наблюдаются при работе на частотах 1000.. .4000 Гц. На высоких и низких частотах шумы увеличиваются. Обычно минимальное значение Рш соответствует малым токам коллектора (0,1…0,5 мА) и малым коллекторным напряжениям (0,5… 1,5 В). Шумы резко увеличиваются при повышении температуры. Приводимые в справочных данных значения Рд, относятся к оптимальному внутреннему сопротивлению источника сигнала и режиму работы, которые и следует использовать при проектировании малошумящих усилителей.

Параметры большого сигнала характеризуют работу в режимах, при которых токи и напряжения между выводами транзистора меняются в широких пределах. Эти параметры используются для расчета ключевых схем, предоконечных и оконечных усилителей низкой и высокой частоты, автогенераторов.

Статический коэффициент усиления по току: Вcт=(Iк-Iко)/(Iб+Iко). В рассматриваемом случае ток коллектора и ток базы существенно превосходят тепловой ток коллектора 1„„, поэтому на практике пользуются формулой: Вст=Iк/Iб.
Статическая крутизна прямой передачи Sст — отношение постоянного тока коллектора к постоянному напряжению на входе транзистора. Параметр Sст используется для транзисторов средней и большой мощности, работающих в схемах, где источник входного сигнала имеет малое внутреннее сопротивление. Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме насыщения измеряется при определенном значении коллекторного и базового токов или определенной глубине насыщения.
Глубина насыщения — это отношение прямого тока базы к току, при котором транзистор находится на границе насыщения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора в режиме насыщения измеряется при тех же условиях, что и напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме насыщения.
Время рассасывания Тр — интервал времени между моментом подачи на базу транзистора запирающего импульса и моментом, когда напряжение на коллекторе достигает уровня (0,1…0,3)Е„ — напряжение питания коллекторной цепи). Время рассасывания зависит от глубины насыщения транзистора и измеряется при определенном значении коллекторного и базового токов.

Параметры предельных режимов работы.

Максимальная мощность, рассеиваемая прибором — Раакс- Так как в транзисторах подавляющая часть рассеиваемой мощности выделяется в области коллекторного перехода, то эта мощность практически равна максимальной мощности, рассеиваемой на коллекторном переходе.
Максимальный ток коллектора — определяет максимальный ток коллектора при максимальном напряжении на коллекторе и максимально допустимой рассеиваемой мощности.
Максимальное обратное напряжение между коллектором и базой транзистора — Этот параметр используется обычно для расчета режима работы запертого транзистора или при включении его по схеме ОБ и генератора тока в цепи эмиттера.
Максимальное обратное напряжение на переходе эмиттер—база . Этот параметр используется для расчета режима работы, когда на входе действует запирающее напряжение (усилители в режиме В, различные импульсные схемы).
Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора Uкэ макс при условии короткого замыкания эмиттера с базой. В ряде случаев этот параметр приводится при условии включения между базой и эмиттером резистора заданного сопротивления.Параметр Uкэ макс используется при расчетах режима работы транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и при отсутствии запирающего напряжения или когда оно мало, например, менее 1 В.
Максимальные значения токов, напряжений и мощности определяют границы области гарантированной надежности работы. Так как работа в предельном режиме соответствует самой низкой надежности, то использование предельных режимов в схемах, от которых требуется высокая надежность, не допускается.

Практика показывает, что при использовании полупроводниковых приборов в облегченных режимах надежность их работы повышается в десятки раз по сравнению с надежностью в предельном режиме.

Тепловые параметры полупроводниковых приборов устанавливают допустимые пределы или диапазоны температуры окружающей среды и самих приборов, при которых гарантируется их надежная работа Параметры предельных режимов устанавливаются исходя из условий обеспечения надежной работы транзисторов. Чтобы радиотехнические устройства на транзисторах работали безотказно, рабочие режимы транзисторов выбирают такими, при которых ток, напряжения и мощность не превышают 0,8 их максимально допустимых значений.

Физические параметры биполярных транзисторов.

К физическим параметрам относятся такие величины, как коэффициенты передачи тока, дифференциальные сопротивления переходов, сопротивления областей, емкости и т. д.

Рассмотрим коэффициент передачи тока . Пренебрежем обратным током коллекторного перехода. Тогда

В нормальном режиме два последних слагаемых несущественны (а последний почти всегда). Рассматривается зависимость  от тока эмиттера и напряжения на коллекторном переходе. Это связано с четырехполюсником.

Зависимость от тока.

1. При малых токах, нужно учитывать ток рекомбинации эмиттерного перехода. Особенно это существенно для кремниевых транзисторов, где обратный ток мал и большую роль играет ток рекомбинации. Поскольку

Поэтому и уменьшается с уменьшением тока.

2. При увеличении тока коэфф. начинает возрастать. Этому способствует возрастание коэфф. инжекции. При большом уровне инжекции электроны не успевают рекомбинировать и создают дополнительное поле, которое увеличивает диффузию через базу. Это увеличивает .

3. При дальнейшем увеличении тока начинают проявляться противодействующие эффекты.

1. Эффект оттеснения. Базовый ток (не путать с током через базу от эмиттера в коллектор) идет параллельно переходу. Из-за сопротивления базы потенциал на краю перехода выше. (см. рис. транзистора). Поэтому ток инжекции там больше. Но это пассивная база и пока электроны дойдут до коллектора они рекомбинируют. уменьшается

2. Эффект Кирка. При больших токах электроны могут не успевать проходить по коллектору, т.к. их скорость ограничена скоростью насыщения. Они скапливаются около перехода. При низкой легированности коллектора их заряд сравним с зарядом доноров, т.е. заметно его компенсирует. В результате электроны добавляют заряд в области базы, где уже есть отрицательный заряд акцепторов, что сокращает базовую ширину обедненного слоя, и уменьшают положительный заряд в коллекторной области (заряд доноров), расширяя его. Это эквивалентно сдвигу отрицательной области базы по направлению коллектора и отодвиганию положительной области коллектора к подложке. Длина базы возрастает,  уменьшается.

3. С ростом тока возрастает концентрации дырок в базе в области прилегающей к переходу, и возрастает дырочная составляющая тока. (Уменьшается коэффициент инжекции).

Зависимость от напряжения на коллекторе.

1. Ударная ионизация. При больших напряжениях начинается ударная ионизация. Это увеличивает .

Итак, отмечаем два основных нежелательных эффекта, проявляющихся при больших токах эмиттера и напряжения коллектора: уменьшение и наличие обратной связи. Все это связано с малой легированностью базы. Проблему может решить применение эмиттерного гетероперехода.

2. Эффект Эрли. При увеличении напряжения на коллекторном переходе его толщина увеличивается. База уменьшается. Это увеличивает .

К физическим параметрам относятся также дифференциальные сопротивления переходов.

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (из ВАХ перехода):

Для коллекторного перехода, в режиме ОЭ дифференцируя (I_b = const) получим: Сопротивление уменьшается с ростом I и увеличивается с ростом U (Это следует из рассмотрения эффекта Эрли. При увеличении U толщина перехода и dL/dU уменьшается с ростом U. Вместе с этим уменьшаются dW_b/dU и d/dU).

Для схемы с ОБ (постоянный ток эмиттера) I_k = I_e. При I_e = const Учитывая , можно получить

Коэффициент обратной связи по напряжению

обязательно при I_Э = const. Описать эффект Эрли.

Емкости переходов самостоятельно.

Моделирование транзистора

Для удобства расчета схем на транзисторах они моделируются эквивалентными схемами из простых элементов. Основная задача моделирования – установить связь между физическими параметрами и электрическими характеристиками.

В простейшем случае транзистор моделируется двумя диодами, соединенными источниками тока, учитывающими взаимодействие переходов.

Вольт — амперные характеристики диодов:

В этих формулах положительными считаются токи и напряжения, соответствующие прямому включению перехода. Источники токов отображают взаимодействие переходов. Токи I₁ и I₂ – токи инжекции.

Внешние токи связаны с внутренними токами соотношениями:

Подставляя выражения для токов, получим выражения для токов эмиттера, коллектора и базы. (Самостоятельно).

Величины — параметры в этой модели.

Их измеряют.

Простая модель не учитывает всех особенностей. Она определяет только статические характеристики транзистора. Применяют более сложные модели, которые содержат большее число параметров, из которых многие не измеряются. Поэтому нужен компромисс между точностью модели и ее сложностью.

Описание МОП-транзистора

МОП n-типа: основными носителями являются электроны.
МОП p-типа: большинство носителей представляют собой дырки.

Положительное/отрицательное напряжение, прикладываемое к затвору (относительно подложки), увеличивает количество электронов/дырок в канале и увеличивает проводимость между истоком и стоком.

В _т определяет напряжение, при котором МОП-транзистор начинает проводить. Для напряжений менее В _т (пороговое напряжение), канал отключается.

При нормальной работе положительное напряжение между истоком и стоком (В _дс ).
Ток между истоком и стоком не течет (I _дс = 0) при V _гс = 0 из-за встречно-параллельных pn-переходов.

Для n-MOS с V _гс > В _тн , электрическое поле притягивает электроны, создавая канал.
Канал представляет собой кремний p-типа, который инвертируется в n-тип электронами, притягиваемыми электрическим полем.

Три моды, основанные на звездной величине V . _гс : накопление, истощение и инверсия.

С В _дс ненулевой, канал становится меньше ближе к стоку.

Когда V _дс <= В _гс — В _т (например, V _дс = 3В, В _гс = 5В и В _т = 1В), канал доходит до стока (так как V _гд > В _т ).

Это называется линейный , резистивный или ненасыщенный область, край. я _дс является функцией как V _гс и В _дс .

Когда V _дс > В _гс — В _т (например, V _дс = 5В, В _гс = 5В и В _т = 1В), канал ущипнул близко к сливу (начиная с V _гд < В _т ).

Это называется насыщенной областью. я _дс является функцией V _гс , почти не зависит от V _дс .

МОП-транзисторы можно смоделировать как переключатель, управляемый напряжением. я _дс — важный параметр, определяющий поведение, например, скорость переключения.

Какие параметры влияют на величину I ? _дс ? (Предположим, V _гс и В _дс фиксированы, т.е. 5В).
Расстояние между истоком и стоком (длина канала).
Ширина канала.
Пороговое напряжение.
Толщина оксидного слоя затвора.
Диэлектрическая проницаемость изолятора затвора.
Подвижность носителей (электронов или дырок).

Сводка характеристик нормальной проводимости:
Отсечка : накопление, я _дс по существу равен нулю.
Ненасыщенный : слабая инверсия, I _дс зависит от обоих V _гс и В _дс .
Насыщенный : сильная инверсия, I _дс идеально не зависит от V _дс .

В _т тоже важный параметр. Что влияет на его стоимость?

Большинство из них связано со свойствами материала. Другими словами, V _т во многом определяется на момент изготовления, а не условиями схемы, как у I _дс .

Например, параметры материала, влияющие на V _т включает:
Материал проводника затвора (полиэтилен против металла).
Изоляционный материал затвора (SiO ₂ ).
Толщина материала ворот.
Концентрация легирования канала.

Однако V _т также зависит от
В _сб (напряжение между источником и подложкой), которое обычно равно 0 в цифровых устройствах.
Температура: изменяется на -2 мВ/градус C для низких уровней легирования подложки.

Выражение для порогового напряжения имеет вид:

Пороговое напряжение (продолжение):

Типичные значения V _т для n- и p-канальных транзисторов +/- 700мВ.

Из уравнений можно изменить пороговое напряжение, изменив:
Концентрация легирования (N _А ).
Оксидная емкость (C _бык ).
Заряд состояния поверхности (Q _фк ).

Как видите, часто приходится настраивать V . _т .
Распространены два метода:
Изменить Q _фк введением небольшой легированной области на границе раздела оксид/подложка с помощью ионной имплантации.

Изменить С _бык с использованием другого изоляционного материала для ворот.

Слой Si ₃ № ₄ (нитрид кремния) с относительной диэлектрической проницаемостью 7,5 сочетается со слоем диоксида кремния (относительная диэлектрическая проницаемость 3,9).
Это приводит к относительной диэлектрической проницаемости около 6,9.0005

Для диэлектрического слоя той же толщины C _бык больше при использовании комбинированного материала, который снижает V _т .

В цифровых схемах подложка обычно удерживается на нуле.

Истоки n-канальных устройств, например, также удерживаются на нуле, за исключением случаев последовательного соединения, например,

Источник-подложка (V _сб ) может увеличиться в этом соединении, например. В _сбн1 = 0, но V _сбн2 /= 0,
В _сб добавляет к потенциалу канала-подложки:

Идеальное уравнение первого порядка для отсечка регион:

Идеальное уравнение первого порядка для линейный регион:

Идеальное уравнение первого порядка для насыщенность регион:

со следующими определениями:

Факторы, зависящие от процесса: .

Факторы, зависящие от геометрии: W и L.

Вольт-амперные характеристики n- и p-транзисторов.

Пример расчета бета транзистора:

Типичные значения для n-транзистора в 1-микронной технологии:

Вычислительная бета:

Как эта бета соотносится с p-устройствами:

Коэффициент усиления n-транзистора примерно в 2,8 раза больше, чем у p-транзистора.

Характеристики инвертора постоянного тока

Регион C является наиболее важным регионом. Небольшое изменение входного напряжения, В _в , приводит к БОЛЬШОМУ изменению выходного напряжения, В _из .

Это поведение описывает усилитель, вход усиливается на выходе. Усиление называется усилением транзистора, которое обозначается бета.

И у n-, и у p-транзисторов есть бета. Изменение их соотношения изменит характеристики выходной кривой.

Таким образом,

НЕ влияет на производительность переключения.

Какой фактор будет аргументом в пользу отношения 1 к ?

Емкость нагрузки!

Время, необходимое для заряда или разряда емкостной нагрузки, равно .

Поскольку бета зависит от W и L, мы можем регулировать соотношение, изменяя размеры ширины канала транзистора, делая p-канальные транзисторы шире чем n-канальные транзисторы.

Параметр, определяющий максимум шум напряжение на входе затвора, которое позволяет выходу оставаться стабильным.

Два параметра, низкий уровень шума (NM _Л ) и высокий запас по шуму (NM _Н ).

НМ _Л = разница в величине между максимальным НИЗКИМ выходным напряжением ведущего затвора и максимальным НИЗКИМ входным напряжением, распознаваемым управляемым затвором.

Идеальная характеристика: V _ИХ = В _ИЛ = (В _ОХ +В _ПР )/2.

Это означает, что передаточная характеристика должна переключаться резко (высокий коэффициент усиления в переходной области).

В _ИЛ определяется путем определения точки единичного усиления по V _ОХ .

Поэтому форма передаточной характеристики и V _ПР инвертора влияет соотношение .

В целом, низкий запас по шуму значительно хуже, чем высокий запас по шуму для Pseudo-nMOS.

Псевдо-nMOS был популярен для высокоскоростных схем, статических ПЗУ и PLA.

Пример: расчет запаса по шуму:

Передаточную кривую для инвертора псевдо-nMOS можно использовать для расчета запаса шума идентичных инверторов псевдо-nMOS.

Простое и точное определение параметров модели SPICE для транзисторов

Меня всегда интриговали истории мотивации людей, выдвигавших идеи, которые заставляли нас изменить то, как мы думаем или живем. Во многих случаях кажется, что нет очевидного пути, ведущего к этим откровениям; вместо этого они, кажется, проявились сами по себе. В других случаях источником вдохновения могут быть вполне обычные события. Например, наблюдение за падающим яблоком побудило сэра Исаака Ньютона искать ответ на путь спуска объекта при падении, что в конечном итоге привело к нашему базовому пониманию того, что сейчас называется классической физикой.

Изучение и объяснение движения планетарных тел, которым занимается классическая физика, требует использования моделей и математики, позволяющих моделировать физическое поведение вместо или до экспериментальной проверки. Эта же методология используется практически для всех исследований, проектирования и разработок, проводимых сегодня; включая электрические схемы и электронные компоненты. Несомненно, эталон моделирования электронных компонентов; такие как транзисторы, это SPICE. Этот инструмент можно использовать не только для моделирования поведения транзисторов, но и для простого и точного определения параметров транзисторов. Прежде чем приступить к изучению того, как это сделать, давайте рассмотрим некоторые распространенные типы моделей транзисторов.

Типы моделей транзисторов

Я хорошо помню, как однажды мне сказали, что транзистор лучше всего рассматривать как два диода. В то время как диод состоит из N-типа, где основными носителями являются отрицательно заряженные электроны, и P-типа, где основными носителями являются положительно заряженные дырки, материалы или области, транзисторы могут иметь три области, NPN или PNP. Диоды также обычно имеют два состояния: ВКЛ и ВЫКЛ, тогда как транзисторы могут иметь несколько состояний; такие как насыщение, отсечка, активный и обратный [активный]. Подобно рабочей точке диода, транзисторы имеют рабочую точку или точку покоя, которая определяется его смещением постоянного тока.

Работа транзистора не слишком сложна. По сути, пока рабочая точка находится в определенной области, устройство будет работать так, как это предусмотрено для этого конкретного рабочего состояния (например, активное или насыщенное). Однако если рабочая точка перейдет в другую область, работа транзистора изменится. Модели транзисторов разрабатываются для определения диапазонов для этих областей и для выбора наилучшей или оптимальной рабочей точки или точки покоя (Q), вокруг которой может поддерживаться работа.

Обычно существует два класса моделей транзисторов:

Модели больших сигналов для транзисторов

Эти модели используются для определения смещения постоянного тока транзистора на основе его конфигурации. Например, биполярные переходные транзисторы (BJT) имеют три синфазных конфигурации:

Общий эмиттер (CE) — где постоянный ток течет от коллектора к эмиттеру и от базы к эмиттеру. Входной сигнал переменного тока подается на базу, а выходной снимается с коллектора.

Общая база (CB) — где постоянный ток течет от коллектора к эмиттеру и от коллектора к базе. Входной сигнал переменного тока подается на эмиттер, а выходной сигнал снимается с коллектора.

Общий коллектор (CC) — где постоянный ток течет от базы к коллектору и от коллектора к эмиттеру. Входной сигнал переменного тока подается на базу, а выходной сигнал снимается с эмиттера.

Модели малых сигналов для транзисторов

Модели малых сигналов используются после того, как определено, что модель больших сигналов обеспечивает большую точность. При подаче слабого сигнала рабочая точка смещается от точки смещения вдоль кривой ВАХ в зависимости от амплитуды сигнала. Для правильной работы это отклонение от рабочей точки постоянного тока не должно приводить к изменению режима устройства; например перейти из активной области в отсечку. Модели с малым сигналом обычно двухпортовые и могут относиться к одному из следующих распространенных типов:

H-параметры
Модель гибридного пи
Т-модель

Анализ транзисторов как при больших, так и при малых сигналах требует выбора модели, указания известных или фиксированных значений и математического решения уравнений для неизвестных параметров. Эти уравнения могут варьироваться от линейных уравнений до краевых задач и итерационных методов решения. В любом случае предпочтительнее использовать программный инструмент, который может легко и точно предоставлять решения. И лучшей из них является Программа моделирования с акцентом на интегральные схемы, более известная как SPICE.

Определение параметров модели Easy SPICE для вашей модели

Во многих случаях транзисторы используются так же, как и диоды, то есть для включения и выключения электрических или электронных цепей. И так же, как и для диодов, это делается переводом транзистора из одного рабочего состояния в другое. Для этого типа функций обычно достаточно определения параметров модели транзистора с большим сигналом; в сочетании со знанием конфигурации данного транзистора. Опять же, используя BJT в качестве примера, в конфигурации CE для работы активной области требуется, чтобы IB ≠ 0A; в противном случае через устройство не протекает ток коллектора, поскольку он равен току базы, умноженному на коэффициент усиления (IC = βIB).

При использовании SPICE вы освобождаетесь от необходимости выполнять какие-либо математические вычисления. Вместо этого вы можете использовать библиотеки моделей SPICE и данные, взятые из спецификации устройства или указанные вами для определения модели транзистора. Затем кривая смещения постоянного тока, как показано ниже, получается путем простого моделирования простой схемы, содержащей ваше устройство.

Пример кривой VBE-IC для BJT

Параметры модели SPICE для оптимизации точности транзисторов

Вероятно, транзисторы чаще всего используются в качестве усилителей, и весьма вероятно, что любая ВЧ-печатная плата, которую вы разрабатываете, будет содержать один или несколько транзисторов. Хотя моделирование больших сигналов и определение смещения по постоянному току по-прежнему требуется, вам также потребуется использовать анализ малых сигналов. А с помощью правильной программы SPICE вы можете повысить точность модели транзистора, включив в нее внутренние емкости, сопротивления, вариации коэффициента усиления, ранний эффект и другие параметры; как показано ниже.

Пример параметров модели SPICE для BJT

Наилучшей доступной программой SPICE является PSpice; включены в пакеты Cadence для проектирования и анализа печатных плат; такие как OrCAD и Allegro. С помощью PSpice вы можете точно и быстро выполнять моделирование больших и малых сигналов для транзисторов и проверять производительность с помощью моделирования аналоговых/смешанных сигналов перед отправкой плат в производство.

Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов.

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

Подпишитесь на Linkedin Посетить сайт Больше контента от Cadence PCB Solutions

УЧИТЬ БОЛЬШЕ
Компромисс параметров микроволнового транзистора в схемотехнике: Часть 1
Сентябрь 1967 г.
Быстрое развитие транзисторной технологии в диапазоне микроволновых частот делает эту статью о компромиссах микроволновых транзисторов особенно своевременной. Разработчики микроволновых схем, использующих транзисторы, должны найти представленную здесь информацию очень полезной в своей работе. Он также познакомит других читателей с актуальными вопросами, имеющими жизненно важное значение для микроволновой промышленности.
Часть 1 посвящена основным соображениям и оценивает влияние параметров постоянного тока на характеристики СВЧ-схемы.
Часть 2 будет связывать ВЧ-параметры с характеристиками схемы и обсуждать характеристики транзисторов для приложений усилителей мощности.
Часть 3 посвящена тепловым эффектам СВЧ-транзистора и соображениям КСВ, а также взаимосвязи параметров цепи постоянного тока с СВЧ-цепями. Э.Т.Е.
Скачать эту статью в формате .PDF
Этот тип файла включает в себя графику и схемы высокого разрешения, если это применимо.
Часть 1. Основные положения
В последнее время силовые радиочастотные транзисторы быстро используются в микроволновых устройствах как на субгармониках, так и на частотах прямого действия. Современное состояние должно продолжать развиваться, особенно максимальная рабочая частота, надежность, упаковка и транзисторы, адаптированные к конкретным приложениям. В настоящее время доступны транзисторы как общего назначения, так и специально разработанные для конкретных микроволновых приложений. Поэтому для проектировщика схем важно иметь представление о возможных компромиссах, чтобы лучше понять проблемы проектирования и достижимые характеристики схемы.
Для данного типа транзистора и его обработки существуют определенные различия в высокочастотных характеристиках и взаимодействии со схемой. Эти различия могут быть связаны с основными параметрами постоянного тока и ВЧ транзистора. Зная эти взаимосвязи, разработчик схемы сможет лучше понять различия между транзисторами, а разработчик оборудования лучше адаптировать параметры транзистора к конкретным критериям производительности.
Биполярный транзистор теперь обеспечивает надежную выходную мощность до 50 Вт при 150 МГц и от 15 до 20 Вт при 400 МГц. Современное состояние промышленной частоты показано на рис. 1. Это в первую очередь для класса C, выходная мощность непрерывного излучения. В большинстве источников микроволновой энергии используются усилители класса C на более низких частотах с умножением или прямое усиление класса C на запланированной выходной частоте.
Рис. 1. Современный уровень промышленной частоты для транзисторов, работающих в непрерывном режиме класса C.
Не вводите транзистор в несовместимую схему. Изучите характеристики полупроводникового устройства, прежде чем разрабатывать схемы на его основе.
Будьте осторожны при выборе пакета. Требовать больше, чем необходимо, дорого; требуя меньше, чем нужно, вызывает проблемы.
Выбор полупроводникового устройства исключительно по цене становится дорогостоящей ошибкой, если жертвуют необходимой производительностью.
Выберите устройство, которое доступно и будет выполнять правильную работу схемы.
Оставайтесь в пределах рекомендуемых пределов, установленных производителем в его спецификациях. Это требует полного понимания параметров таблицы данных и их взаимосвязанного использования.
Не переусердствуйте с полупроводниковым устройством. Дайте максимально возможные допуски, чтобы сэкономить средства и улучшить доставку устройства от поставщика.
Узнайте о максимальных рейтингах устройств и о том, как применять их в сочетании. Не вся информация о возможных комбинациях максимальных номинальных значений всегда может быть включена в листы технических данных.
Тщательно оцените как устройство, так и работу схемы, включая все уровни нагрузки. Уровни стресса часто диктуют использование полупроводникового устройства. Применение уровней напряжения к транзистору требует полного знания его параметров и возможностей.
Обратитесь за помощью в отдел разработки приложений производителя полупроводников. Гораздо дешевле задать вопрос на ранней стадии проектирования схемы, чем после того, как все устройства будут уничтожены!
Микроволновые транзисторы – как они устроены
Скачать эту статью в формате . PDF
Этот тип файла включает в себя графику и схемы высокого разрешения, если это применимо.
Чтобы понять характеристики транзисторов усилителя мощности и то, как параметры влияют друг на друга в сочетании с компромиссами схемы, разработчик схемы должен иметь базовое представление о конструкции устройства. Полупроводниковый кристалл, стабилизация резистора, если применимо, и упаковка устройства очень важны для микроволновых частот. Важно качественно связать конструкцию устройства с параметрами и характеристиками схемы. Таким образом, можно разумно оценить различные устройства и различия между устройствами одного семейства транзисторов.
Будет описан наиболее популярный в настоящее время тип конструкции транзистора — планарный эпитаксиальный диффузный переход. Этот тип в настоящее время используется всеми производителями полупроводников для обработки высокочастотных транзисторов усилителей мощности. Геометрии могут различаться, но описанные здесь концепции качественно не зависят от используемых геометрий. На параметры влияет геометрия, но отношения одинаковы для всех типов.
Базовая конструкция транзистора
Рис. 2. Планарная конструкция транзистора. Указаны основные элементы.
Конструкция планарного транзистора NPN показана на рис. 2. Рис. 3 представляет собой типичный вид сверху, показывающий встречно-штыревые соединения (гребенчатая структура) областей эмиттера и базы; который является одним из типов схемы подключения.
Рис. 3. Типичный планарный транзистор, вид сверху, демонстрирующий встречно-гребенчатую структуру. Это один из популярных шаблонов подключения.
Транзисторы для более высоких частот и более высокой выходной мощности в данной физической области чипа должны иметь повышенное отношение активной площади к физической площади. Для этого необходима более тонкая геометрическая структура излучателя, чтобы увеличить периферию излучателя-базы для данной физической области. Для этого требуются более мелкие излучатели, расположенные ближе друг к другу. Это, в свою очередь, требует более жестких допусков на маску, создает больше проблем с выходом и требует более тщательной обработки; таким образом создается более дорогое устройство. Определение геометрии излучателя на один микрон меньше было достигнуто в маломощных устройствах со слабым сигналом (один микрон = 10 ^-6 метра или 3,95 x 10 ^-5 дюйма). Это требование допустимости маски, однако, еще не может быть достигнуто в очень мощных транзисторах большой площади. Существующий уровень техники диктует геометрию эмиттера от 3 до 5 микрон в ширину или сторону площадки для разумных выходов.
Концепция активной области
Базовый привод должен подходить к переходу эмиттер-база со стороны, как показано на базовой модели конструкции. Этот базовый ток должен проходить через область под эмиттером. Чем уже ширина основания, тем выше будет боковое поверхностное сопротивление конструкции или чем выше эффективное сопротивление основания и тем больше будет падение напряжения для данного базового привода. Таким образом, напряжение эмиттер-база даже на краю перехода эмиттер-база не будет таким высоким, как напряжение эмиттер-база, приложенное к внешним выводам устройства. Кроме того, под эмиттером, вдали от области контакта база-база, доступно меньшее напряжение эмиттер-база и меньше ток включения. Это эффект «текущей отсечки».
Отсечка тока зависит от постоянного значения бета (h _FE ), поскольку бета зависит от ширины основания. По мере увеличения нагрузки на транзистор эффект отсечки становится хуже, а активная площадь устройства (ток, несущий площадь эмиттера) увеличивается медленнее, чем при более низких уровнях тока. Как выглядит активная область, примерно показано на рис. 4. По сути, это трехмерное последовательное сопротивление с шунтирующей емкостью. По мере увеличения частоты этот встроенный фильтр нижних частот снижает нагрузку на переход база-эмиттер. Активная площадь уменьшается с увеличением частоты. Для схемотехника это означает, что полезный размер или площадь транзистора уменьшается. К сожалению, уровни импеданса меняются не так быстро, и выходная емкость изменяется лишь незначительно.
Рис. 4. Представление импеданса в модели транзистора. Эффект представляет собой фильтр нижних частот.
Рис. 5. Распределение тока транзистора для простой модели транзистора.
Как выглядит распределение тока на одной частоте для простой модели транзистора, показано на рис. 5. Из этого эскиза видно, как более высокочастотный транзистор (транзистор с большей активной к физической площади соотношение) потребует более тонкой геометрии. Например, на рис. 6а показана грубая геометрия по сравнению с рис. 6б. Для того же привода на той же частоте распределение тока будет таким, как показано. Для данной физической площади активная площадь транзистора на рис. 6b намного больше из-за более тонкой геометрии. Это делает транзистор более полезным на этой частоте. Большая активная площадь дает больший прирост мощности по причинам, которые будут обсуждаться ниже. Однако у транзистора, показанного на рис. 6b, есть проблемы, связанные с областью безопасной работы и однородностью работы, над областью которой необходимо что-то сделать, чтобы обеспечить эквивалентную безопасную работу. Это тоже будет обсуждаться.
Рис. 6. Как точная геометрия увеличивает активную площадь. At является относительно конечной геометрией. Для данной физической области b имеет более активную область из-за более тонкой геометрии.
Упаковка транзистора
Скачать эту статью в формате .PDF
Этот тип файла включает в себя графику и схемы высокого разрешения, если это применимо.
Многие доступные в настоящее время транзисторы в большей степени ограничены их корпусом, чем базовыми возможностями самого чипа. Это особенно актуально для высокочастотных силовых устройств с относительно низким входным и выходным импедансом. Полное сопротивление пакета может легко быть таким же большим. Таким образом, в корпусировании транзисторов происходит революция, особенно для устройств в диапазоне СВЧ выше 400 Мгц.
Индуктивность корпуса и резистивные потери оказывают значительное влияние на характеристики схемы, в частности, на полосу пропускания, стабильность, коэффициент усиления по мощности и фазовую задержку. Полоса пропускания важна во многих схемах связи, а широкую полосу пропускания труднее достичь с помощью мощных транзисторов, чем для устройств со слабым сигналом.
Рис. 7. Эквивалентная входная схема для конфигурации с общим эмиттером, показывающая взаимосвязь между частотой, полосой пропускания, базовым сопротивлением и входным реактивным сопротивлением для слабого сигнала.
Простое представление входной цепи эквивалентного транзистора с общим эмиттером показано на рис. 7, демонстрирующем взаимосвязь для слабого сигнала между полосой пропускания, базовым сопротивлением и входным реактивным сопротивлением. Сильносигнальные r _b и C _i отличаются от малосигнальных величин, и точный количественный анализ невозможен. Однако полоса пропускания большого сигнала на входной цепи транзистора будет значительно меньше, чем предсказанная на основе измерений параметров слабого сигнала. Это в первую очередь связано с тем, что эффективное базовое сопротивление сильного сигнала, r _b , ниже.
Индуктивность корпуса эмиттера, L _e, снижает усиление мощности, как показано в следующем приблизительном уравнении.

L _e также отражает импеданс во входной цепи схемы с общим эмиттером (это наиболее широко используемая конфигурация, и здесь она рассматривается в первую очередь). Входной импеданс, полученный с помощью анализа слабого сигнала, равен (см. Приложение A):

, где r _e — это комбинация сопротивления эмиттера транзистора и сопротивления любого внешнего эмиттера.
Корпус с низкой индуктивностью улучшает как полосу пропускания, так и стабильность и, таким образом, облегчает согласование мощности с транзистором. Цепь с меньшей индуктивностью и меньшей добротностью означает меньшее изменение фазы по сравнению с настройкой и более широкий диапазон стабильности по отношению к внутренней обратной связи. На рис. 8 показан усовершенствованный корпус с низкой индуктивностью, включающий широколенточные выводы для коллектора и базы и эмиттер, соединенный с корпусом для обеспечения низкой и постоянной индуктивности эмиттера. Это новая концепция высокочастотного корпуса для транзисторы выше 300 Мгц. В будущем можно ожидать еще большего улучшения.
Рис. 8. Корпус малоиндуктивного транзистора на ток 300 Мгц и выше. Для коллектора и основания используются широкие ленточные выводы, что обеспечивает лучшую стабильность в более широком диапазоне.
Параметры постоянного тока
Если известны параметры постоянного тока транзистора, он может определить, чего ожидать от ВЧ-параметров и характеристик схемы. Разработчику схемы очень полезно понимать взаимосвязь между параметрами постоянного тока и ВЧ.
Требования EIA для регистрации мощного высокочастотного транзистора под номером 2N достаточно свободны, что допускает широкий диапазон параметров. Все производители используют как можно более широкие возможности; тем не менее, чтобы поставлять хорошие продукты, параметры должны контролироваться более тщательно, чем требует стандартная регистрация EIA. Часто параметры распределения ужесточаются просто за счет выбора единиц, отвечающих требованиям конкретного приложения.
Общий эмиттер h _FE и бета
Коэффициент передачи прямого тока постоянного тока, h _FE , является наиболее важным параметром управления для процесса устройства. Множество различных ВЧ-параметров, а также характеристики схемы напрямую связаны с h _FE. Обычно его измеряют при низком напряжении и в импульсных условиях, чтобы на него не влияла рассеиваемая мощность. Как правило, h _FE увеличивается с температурой перехода.
Бета постоянного тока обычно указывается как для слаботочного, так и для сильноточного уровня. Обычно минимум и максимум указываются на слаботочных уровнях; минимальное значение, безусловно, наиболее необходимо при высоких уровнях тока. Это восходит к концепции активной области и тому факту, что при высоких уровнях тока возникает эффект отсечки тока. При высоких уровнях тока постоянное бета будет уменьшаться довольно быстро, когда плотность тока достигает высокого уровня. Следовательно, низкий h 9Устройства 0030 FE , которые имеют большую ширину базы и меньшее боковое поверхностное сопротивление в структуре базы под эмиттером транзистора, будут иметь более линейный или постоянный h _FE по сравнению с током коллектора. Устройство с высоким значением h _FE будет иметь более радикальные процентные изменения h _FE в зависимости от тока коллектора. И по мере увеличения h _FE устройство достигнет пика при более низком уровне тока.
Типичные соотношения между h _FE и током коллектора для различных уровней h _FE показаны на рис. 9 для двух разных транзисторов 400 Mc. Кривые более линейны для устройств с низким h _FE, и это должно существенно повлиять на уровень насыщения на высоких частотах и линейность выходной мощности и модуляции. Многие из основных ВЧ-параметров также напрямую связаны с уровнем h _FE данного транзистора для данного процесса.
Рис. 9. Зависимость h _FE к I _c для двух транзисторов с разными h _FE уровней. Блок мощностью 5 Вт имеет обозначение ITT 2N3375; транзистор 15 Вт, ИТТ 3ТЕ440.
Напряжение пробоя
Скачать эту статью в формате .PDF
Этот тип файла включает в себя графику и схемы высокого разрешения, если это применимо.
Напряжение пробоя постоянного или импульсного тока обычно указывается в технических паспортах:
BV _CEO(SUS) — Это поддерживающее напряжение между коллектором и эмиттером при заданном уровне тока, когда транзистор работает в лавинном режиме с разомкнутым выводом базы. При высоких уровнях тока он называется LV _CEO. BV _CEO — максимальное напряжение открытой базы, которое имеет прибор в лавинной области (начальная точка). Это гарантированный уровень, до которого прибор выдержит лавинный ток коллектора без вторичного пробоя или полного провала напряжения прибора. Он всегда измеряется в импульсном режиме. Иногда определенное количество энергии подается путем возбуждения транзистора от индуктивности, которая имеет заранее определенное количество накопленной энергии.
BV _{CER(SUS )} — Это напряжение пробоя от коллектора к эмиттеру с резистором, подключенным от базы к эмиттеру. Измерение производится как для BV _CEO(SUS). Более распространенное обозначение — LV _CER или LV _CES, когда R _BE = 0,
.
BV _CBO — Это напряжение пробоя от коллектора к базе и, следовательно, лавинное напряжение перехода коллектор-база. Это важный параметр, поскольку как ВЧ-параметры, так и параметры работы схемы коррелируют с этим напряжением пробоя. Для данного процесса возможен довольно широкий диапазон напряжения пробоя коллектор-база в зависимости от изменения удельного сопротивления используемого кремниевого материала.
          Типичные кривые напряжения пробоя для тонкого экситаксиального транзистора с низким сопротивлением и для транзистора с высоким сопротивлением и толстой эпитаксией показаны на рис. 10. Обратите внимание, что существенно различающиеся формы кривых получаются при использовании различных конструкций транзисторов. Возможности КСВ транзистора зависят от поддерживающей области и этих напряжений пробоя.
Рис. 10. Характеристики напряжения пробоя — типичные транзисторы. Кривые слева относятся к тонкому эпитаксиальному слою с низким удельным сопротивлением; справа — относительно толстое эпитаксиальное устройство с высоким сопротивлением.
BV _EBO — Напряжение пробоя эмиттер-база также указывается при заданном уровне тока в области лавинного пробоя. Это имеет второстепенное значение для схемотехника, когда транзистор должен работать на очень высоких частотах, потому что накопленный заряд, а не внешнее поле, управляет полем в переходе эмиттер-база в течение большей части цикла. Однако на низких частотах этот параметр важен и его следует учитывать.
Выходная емкость с общей базой (C _ob )
C _ob — важный параметр, поскольку он влияет на настройку схемы и уровень выходного импеданса транзистора. Это также относится к некоторым другим параметрам постоянного тока. В схеме с общим эмиттером C _ob также является выходной емкостью. Это связано с тем, что уровни импеданса на базе довольно низкие по сравнению с уровнем импеданса на выходе транзистора. Тем не менее, обязательно следует учитывать высокочастотное значение, а также значение сильного сигнала (которое может в два раза превышать значение слабого сигнала).
Выходная емкость транзистора фактически представляет собой емкость его перехода, соединенную последовательно с сопротивлением. Если удельное сопротивление коллектора увеличивается, эффективная выходная емкость уменьшается, если смотреть со стороны внешних клемм. Кроме того, если удельное сопротивление увеличивается, напряжение пробоя коллектор-база, BV _CBO, также увеличивается. Изменение толщины перехода и эпитаксиальной толщины также вызовет некоторое изменение выходной емкости. Типичный дистрибутив C _OB в зависимости от напряжения пробоя коллектор-база показана на рис. 11. C _OB также зависит от напряжения коллектора, что является важным фактором при работе с большим сигналом. Типовой вариант транзистора 400-Mc показан на рис. 12.
Это было получено на транзисторе типа ИТТ 3ТЭ440 при f ≈ 1 Мгц и V _CB = 28 В.
Рис. 12. Типичная кривая C _ob -V _cb для транзистора 400-Mc, тип ITT 3TE440. Это изменение важно при работе с большим сигналом.
Когда транзисторы работают в микроволновом диапазоне (выше 300 мкс), низкая выходная емкость важна для хорошего коэффициента усиления и высокого импеданса схемы. Основываясь на рассмотренной ранее концепции «активной области», необходимо построить более точную геометрию или изменить удельное сопротивление материала, чтобы эффективно уменьшить отношение выходной емкости к допустимой мощности. Однако изменение удельного сопротивления материала несколько снижает выходную мощность.
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (В _CE(SAT) )
В _CE(SAT) — важный параметр, который всегда указывается при постоянном токе и который очень неправильно используется для силового высокочастотного транзистора. и несколько неправильно понял. Напряжение насыщения указывается при заданных токах коллектора и базы, то есть при форсированном h _FE (обычно при наименьшем гарантированном h _FE , которое обычно составляет около 8 или 10).
В _CE(SAT) соответствует напряжению пробоя коллектор-база; т. е. удельное сопротивление эпитаксиального материала коллектора в транзисторе. Таким образом, устройство с более высоким напряжением пробоя имеет более высокий уровень напряжения насыщения на постоянном токе, а также на ВЧ. В высокочастотных силовых цепях с большим сигналом транзистор управляется от насыщения коллектора до отсечки. Таким образом, уровень насыщения определяет степень колебания напряжения. Соотношение между насыщением по постоянному току и насыщением по ВЧ частично контролируется геометрией устройства, поскольку оно влияет на одну и ту же площадь.
Термическое сопротивление (R _T )
R _T является важным параметром, который, наряду с максимальной номинальной рассеиваемой мощностью, создает фактические пределы уровня рассеяния силовых устройств. Это очень неправильно понятая оценка, требующая значительного понимания высокочастотной геометрии и безопасных рабочих зон.