Полярные и биполярные транзисторы. Полевые транзисторы: принцип работы, виды, характеристики и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое полевой транзистор. Как устроены и работают полевые транзисторы. Какие бывают виды полевых транзисторов. Каковы основные характеристики и параметры полевых транзисторов. Где применяются полевые транзисторы.

Содержание

Что такое полевой транзистор и как он работает

Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, в котором ток управляется электрическим полем. Основные особенности полевых транзисторов:

Ток создается движением только основных носителей заряда (электронов или дырок)
Управление током осуществляется изменением проводимости канала с помощью электрического поля
Имеет высокое входное сопротивление
Потребляет малую мощность в цепи управления

Принцип работы полевого транзистора можно сравнить с регулированием потока воды в реке с помощью плотины. Изменяя напряжение на затворе (аналог плотины), мы управляем током в канале транзистора (аналог потока воды).

Основные виды полевых транзисторов

Существует два основных типа полевых транзисторов:

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом
Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

МДП-транзисторы в свою очередь делятся на:

Транзисторы с индуцированным каналом
Транзисторы со встроенным каналом

Каждый тип имеет свои особенности конструкции и принципа работы. Рассмотрим их подробнее.

Устройство и принцип действия полевого транзистора с p-n-переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом имеет следующую структуру:

Полупроводниковый канал n- или p-типа
Области истока и стока на концах канала
Затвор в виде p-n-перехода, смещенного в обратном направлении

Принцип работы:

При подаче напряжения между истоком и стоком в канале возникает ток основных носителей
Изменяя напряжение на затворе, мы изменяем ширину обедненной области p-n-перехода

Это приводит к изменению проводимости канала и величины тока

Такая конструкция обеспечивает высокое входное сопротивление и возможность управления током с помощью напряжения.

МДП-транзисторы: особенности структуры и работы

МДП-транзистор (металл-диэлектрик-полупроводник) имеет следующие особенности:

Затвор изолирован от канала слоем диэлектрика (обычно оксида кремния)
Области истока и стока сформированы в полупроводниковой подложке
Канал может быть индуцированным или встроенным

В транзисторе с индуцированным каналом:

Канал образуется только при подаче напряжения на затвор выше порогового
Работает в режиме обогащения канала носителями заряда

В транзисторе со встроенным каналом:

Канал существует даже при нулевом напряжении на затворе
Может работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения канала

МДП-транзисторы обладают очень высоким входным сопротивлением и малым током утечки затвора.

Основные параметры и характеристики полевых транзисторов

Ключевые параметры полевых транзисторов включают:

Крутизна характеристики (S) — показывает, насколько сильно изменяется ток стока при изменении напряжения на затворе
Напряжение отсечки (UЗИ.отс) — напряжение на затворе, при котором канал полностью перекрывается
Пороговое напряжение (UЗИ.пор) — напряжение, при котором начинает формироваться канал (для МДП-транзисторов с индуцированным каналом)
Выходная проводимость (g22) — характеризует зависимость тока стока от напряжения сток-исток
Входная (Cзи), выходная (Cси) и проходная (Cзс) емкости

Основные характеристики полевых транзисторов:

Стоковые (выходные) характеристики — зависимость тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор-исток

Стоко-затворные (передаточные) характеристики — зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении сток-исток

Эти характеристики позволяют оценить поведение транзистора в различных режимах работы.

Схемы включения полевых транзисторов

Существует три основные схемы включения полевых транзисторов:

С общим истоком (ОИ) — наиболее распространенная схема, обеспечивает усиление по напряжению и току
С общим стоком (ОС) — используется как повторитель напряжения, обладает высоким входным и низким выходным сопротивлением
С общим затвором (ОЗ) — имеет низкое входное сопротивление, применяется реже других схем

Выбор схемы включения зависит от требуемых параметров усиления и входного/выходного сопротивления.

Частотные и шумовые свойства полевых транзисторов

Частотные свойства полевых транзисторов определяются в основном входной емкостью и крутизной характеристики. Граничная частота может быть рассчитана по формуле:

f_гр = S / (2π * C_зи)

где S — крутизна, C_зи — входная емкость.

МДП-транзисторы обычно имеют лучшие частотные свойства по сравнению с транзисторами с p-n-переходом из-за меньшей входной емкости.

Шумовые свойства характеризуются коэффициентом шума. Полевые транзисторы, особенно с p-n-переходом, обладают низким уровнем шума, что делает их предпочтительными для применения во входных каскадах малошумящих усилителей.

Применение полевых транзисторов в современной электронике

Полевые транзисторы находят широкое применение в различных областях электроники:

Аналоговые схемы: малошумящие усилители, источники тока, аналоговые ключи
Цифровые схемы: логические элементы, триггеры, микропроцессоры
Силовая электроника: ключи в импульсных источниках питания, инверторах
Радиочастотные схемы: усилители и смесители в приемо-передающих устройствах

Датчики: сенсоры давления, температуры, химического состава

Особенно широкое распространение получили МДП-транзисторы в интегральных микросхемах, где они являются основой для создания сложных цифровых и аналоговых устройств.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов

Преимущества полевых транзисторов:

Высокое входное сопротивление
Низкое энергопотребление в цепи управления
Хорошие частотные свойства (особенно у МДП-транзисторов)
Низкий уровень шума
Высокая плотность интеграции в микросхемах

Недостатки:

Чувствительность к статическому электричеству
Зависимость параметров от температуры
Меньшая линейность характеристик по сравнению с биполярными транзисторами

Несмотря на некоторые недостатки, полевые транзисторы остаются ключевым элементом современной электроники благодаря своим уникальным свойствам.

Полярные транзисторы

Устройство и принцип действия униполярного транзистора. Униполярными, или полевыми, транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых регулирование тока производится изменением проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока. Оба названия этих транзисторов достаточно точно отражают их основные особенности: прохождение тока в канале обусловлено только одним типом зарядов, и управление током канала осуществляется при помощи электрического поля.

Электроды, подключенные к каналу, называются стоком (Drain) и истоком (Source), а управляющий электрод называется затвором (Gate). Напряжение управления, которое создает поле в канале, прикладывается между затвором и истоком. В зависимости от выполнения затвора униполярные транзисторы делятся на две группы: с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором.

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) приведено на рис.

6.9 а, а полевого транзистора с управляющим переходом (ПТУП) — на рис. 6.9 б.

В полевых транзисторах с изолированным затвором электрод затвора изолирован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика из двуокиси кремния Si0₂. Электроды стока и истока располагаются по обе стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. Ток утечки затвора пренебрежимо мал даже при повышенных температурах. Полупроводниковый канал может быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими. При обеденном канале электрическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал называется индуцированным. Если канал обогащен носителями зарядов, то он называется встроенным. Электрическое поле затвора в этом случае приводит к обеднению канала носителями зарядов.

Рис. 6.9. Устройство униполярного транзистора с изолированным затвором (а) и с управляющим p-n-переходом (б)

Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то он называется n-каналом. Каналы с дырочной проводимостью называются p-каналами. В результате полевые транзисторы с изолированным затвором могут быть четырех типов: с каналом n- или p-типов, каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал. Условные схематичные изображения этих типов транзисторов приведены на рис. 6.10. Графическое обозначение транзисторов содержит максимальную информацию о его устройстве. Канал транзистора изображается вертикально штриховой или сплошной линией. Штриховая линия обозначает индуцированный канал, а сплошная — встроенный. Исток и сток действуют как невыпрямляющие контакты, поэтому изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление которой указывает тип проводимости канала. Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу. Вывод затвора обращен к электроду истока.

Рис. 6.10. Схематические изображения полевых транзисторов с изолированным затвором

Условное обозначение полевых транзисторов состоит из ряда букв и цифр. Первая буква указывает материал, из которого изготовлен прибор (К — кремний, А — арсенид галлия). Вторая буква, П, указывает на принадлежность к группе полевых транзисторов. Первая цифра указывает на допустимую рассеиваемую мощность и максимальную рабочую частоту. Далее идет двухзначный номер разработки транзистора. Пятая буква соотвествует разбраковке по параметрам. Например, транзистор КП302А — кремниевый, полевой, малой мощности, высокочастотный.

Устройство полевого транзистора с управляющим p-n-переходом приведено на рис. 6.9 б. В таком транзисторе затвор выполнен в виде обратно смещенного p-n-перехода. Изменение обратного напряжения на затворе позволяет регулировать ток в канале. На рис. 6.9 б приведен полевой транзистор с каналом р-типа и затвором, выполненным из областей n-типа. Увеличение обратного напряжения на затворе приводит к снижению проводимости канала, поэтому полевые транзисторы с управляющим р-и-переходом работают только на обеднение канала носителями зарядов. Условное схематическое изображение полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом приведено на рис. 6.11. Поскольку ПТУП могут работать только с обеднением канала, то наличие встроенного канала показано на этом изображении сплошной линией, которая имеет контакты с электродами стока и истока. Направление стрелки на выводе затвора указывает тип проводимости канала.

Рис. 6.11. Условные обозначения полевых транзисторов с управляющим

р-n-переходом

Таким образом, полный набор разновидностей полевых транзисторов, имеющихся в справочной литературе, исчерпывается шестью разновидностями. Их типовые передаточные характеристики приведены на рис. 6.12. Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность управляющего напряжения, направление тока в канале и диапазон изменения управляющего напряжения. Из всех приведенных разновидностей транзисторов в настоящее время не выпускаются только ПТИЗ со встроенным каналом р-типа.

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики полевых транзисторов с каналом n-типа расположены в верхней половине графика и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительному напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом p-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрицательное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется Характеристики начальным Iснач. При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки U0ТС становится близким к нулю.

Характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значения U_пор. Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока I_с.нач. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

Рис. 6.12. Типовые передаточные характеристики полевых транзисторов

На рис. 6.13 приведены выходные вольтамперные характеристики ПТУП с каналом n-типа. Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напряжений. На этих вольтамперных характеристиках можно выделить две области: линейную и насыщения.

Рис. 6.13. Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим р-n-переходом и каналом n-типа

В линейной области вольтамперные характеристики вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения вольтамперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о зависимости тока стока от напряжения на стоке. В этой области выходные характеристики полевых транзисторов всех типов сходны с характеристиками электровакуумных пентодов. Особенности этих характеристик обуславливают применение полевых транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения — как усилительный элемент. Рассмотрим особенности работы полевых транзисторов в этих областях.

Линейная область. В линейной области ток стока полевого транзистора определяется уравнением

где k — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора, U_п— пороговое напряжение (или напряжение отсечки), U_зи — напряжение между затвором и истоком, U_си — напряжение между стоком и истоком.

На начальном участке линейной области (до перегиба) можно при малом значении напряжения на стоке воспользоваться упрощенным выражением, полагая в (5. 1) U_си0:

Выражение (5.2) позволяет определить сопротивление канала в линейной области

Из выражения (5.3) следует, что при U_зи=0 сопротивление канала будет минимальным R_min=1/(2kU_н). Если напряжение на затворе стремится к пороговому значению uзи—Uu, то сопротивление канала возрастает до бесконечности: . График зависимости сопротивления канала от управляющего напряжения на затворе приведен на рис. 5.6 а.

При приближении к точке перегиба вольт-амперных характеристик сопротивление канала начинает увеличиваться, так как сказывается второй член в выражении (5.1). В этом случае можно определить дифференциальную проводимость канала, пользуясь формулой (5.1):

откуда получаем значение дифференциального сопротивления канала

Зависимость сопротивления канала от напряжения на стоке U_си нарушает линейность сопротивления, однако при малом уровне сигнала этой зависимостью можно пренебречь. Таким образом, основное применение полевых транзисторов в линейной области определяется их способностью изменять сопротивление при изменении напряжения на затворе. Это сопротивление для мощных полевых транзисторов с изолированным затвором достигает долей ома (0,5…2,0Ома), что позволяет использовать их в качестве замкнутого ключа с весьма малым собственным сопротивлением канала.

Рис. 6.14. Зависимость сопротивления канала от напряжения на затворе (а) и схема замещения ключа на полевом транзисторе (б)

С другой стороны, если напряжение на затворе сделать равным пороговому значению (или больше его), то сопротивление канала транзистора увеличивается, что соответствует разомкнутому ключу с весьма малой собственной проводимостью. Таким образом, полевой транзистор можно использовать как ключ, управляемый напряжением на затворе. Такой ключ способен пропускать достаточно большой ток (до 10 А и выше). Уменьшить сопротивление канала можно параллельным включением транзисторов с общим управляющим напряжением, чем обычно и пользуются при создании силовых ключей. Схема замещения ключа на полевом транзисторе приведена на рис. 5.6 б.

StudyPort.Ru — Полярные транзисторы.

ВВЕДЕНИЕ

Действие транзистора можно сравнить с действием плотины. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е. управлять энергией мощного постоянного источника.

Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике — теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.

Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами — те же, как и у полупроводниковых диодов — отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях и более высоких частотах.

Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобы сделать транзистор более долговечным, его помещают в специальные корпуса ).

Основные материалы из которых изготовляют транзисторы — кремний и германий, перспективные – арсенид галлия, сульфид цинка и широко зонные проводники.

Существует 2 типа транзисторов: биполярные и полевые.

Рассмотрим устройство и принцип действия полевого транзистора МОП- структуры (Металл- Окисел- Полупроводник), который нашел широкое применение в качестве основного элемента всех современных интегральных микросхем КМОП структуры.

МОП – ТРАНЗИСТОРЫ
1. Устройство полевого транзистора.
Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем. В отличие от биполярных работа полевых транзисторов основана на использовании основных носителей заряда в полупроводнике. По конструктивному исполнению и технологии изготовления полевые транзисторы можно разделить на две группы: полевые транзисторы с управляющим р-п — переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором.
Рис.1. Структура полевого транзистора
Полевой транзистор с управляющим р-п- переходом — это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р-п — переходом, смещенным в обратном направлении. Электрод, из которого в канал входят носители заряда, называют истоком; электрод, через который из канала уходят носители заряда, — стоком; электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, — затвором. При подключении к истоку отрицательного (для п-канала), а к стоку положительного напряжения (рис. 1 ) в канале возникает электрический ток, создаваемый движением электронов от истока к стоку, т.е. основными носителями заряда. В этом заключается существенное отличие полевого транзистора от биполярного. Движение носителей заряда вдоль электронно-дырочного перехода (а не через переходы, как в биполярном транзисторе) является второй характерной особенностью полевого транзистора.
Электрическое поле, создаваемое между затвором и каналом, изменяет плотность носителей заряда в канале, т.е. величину протекающего тока. Так как управление происходит через обратно смещенный р-п-переход, сопротивление между управляющим электродом и каналом велико, а потребляемая мощность от источника сигнала в цепи затвора ничтожно мала. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебаний как по мощности, так и по току и напряжению.
Рис. 2. Структура полевого транзистора с изолированным затвором: а — с индуцированным каналом ; б — со встроенным каналом.
Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Полевой транзистор с изолированным затвором состоит из пластины полупроводника (подложки) с относительно высоким удельным сопротивлением, в которой созданы две области с противоположным типом электропроводности (рис. 2 ). На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Поверхность полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика (обычно слоем оксида кремния). На слой диэлектрика нанесен металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП- транзисторами или МОП- транзисторами (металл — оксид- полупроводник).
Существуют две разновидности МДП-транзисторов с индуцированным и со встроенным каналами.
В МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока и, следовательно, заметный ток стока появляются только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока (отрицательного при р-канале и положительного при п-канале). Это напряжение называют пороговым (U_ЗИ.пор ). Так как появление и рост проводимости индуцированного канала связаны с обогащением его основными носителями заряда, то считают, что канал работает в режиме обогащения.
В МДП — транзисторах со встроенным каналом проводящий канал, изготавливается технологическим путем, образуется при напряжении на затворе равном нулю. Током стока можно управлять, изменяя значение и полярность напряжения между затвором и истоком. При некотором положительном напряжении затвор — исток транзистора с р — каналом или отрицательном напряжении транзистора с n —каналом ток в цепи стока прекращается. Это напряжение называют напряжением отсечки (U_ЗИ.отс). МДП — транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения канала основными носителями заряда.
2. Схемы включения полевого транзистора.
Рис. 3. Схемы включения полевого транзистора.
Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы: с общим истоком и входом затвор; с общим стоком и входом на затвор; с общим затвором и входом на исток. Схемы включения полевого транзистора показаны на рис. 3.
По аналогии с ламповой электроникой, где за типовую принята схема с общим катодом, для полевых транзисторов типовой является схема с общим истоком.
3. Эквивалентная схема полевого транзистора.
Рис. 4. Эквивалентная схема полевого транзистора.
Эквивалентная схема полевого транзистора, элементы которой выражены через у-параметры, приведен на рис. 4. При таком подключении каждая из проводимости имеет физический смысл.
4. Параметры полевого транзистора.
Входная проводимость определяется проводимостью участка затвор — исток у_ЗИ. = у₁₁ + у₁₂; выходная проводимость — проводимость участка сток — исток у_СИ= у₂₂+ у₂₁ ; функции передачи — крутизной вольт-амперной характеристики S = у₂₁ — у₁₂ ; функция обратной передачи — проходной проводимостью у_ЗС= у₁₂. Эти параметры применяются за первичные параметры полевого транзистора, используемого в качестве четырехполюсника. Если первичные параметры четырехполюсника для схем с общим истоком определены, то можно рассчитать параметры для любой другой схемы включения полевого транзистора.
Начальный ток стока I_С.нач — ток стока при напряжении между затвором и истоком, равном нулю и напряжении на стоке, равном или превышающим напряжение насыщения. Остаточный ток стока I_С.ост — ток стока при напряжении между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки. Ток утечки затвора I_З.ут — ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор — сток I_ЗСО— ток, протекающий в цепи затвор — сток при заданном обратном напряжении между затвором и стоком и разомкнутыми остальными выводами. Обратный ток перехода затвор — исток I_ЗИО — ток, протекающий в цепи затвор — исток при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутыми остальными выводами.
Напряжение отсечки полевого транзистораU_ЗИ.отс— напряжение_{между затвором и истоком транзистора с р -п переходом или изолированным затвором, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения. Пороговое напряжение полевого транзистора U_ЗИ.пор— напряжение между затвором и истоком транзистора с изолированным затвором, работающего в режиме обогащения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.}
Крутизна характеристик полевого транзистора S — отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком.
Входная емкость полевого транзистора С_11и — емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с общим истоком. Выходная емкость полевого транзистора С_22и — емкость между стоком и истоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Проходная емкость полевого транзистора C_12и— емкость между затвором и стоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Емкость затвор -сток С_ЗСО — емкость между затвором и стоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах. Емкость затвор — исток С_ЗИО емкость между затвором и истоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах.
Коэффициент усиления по мощности К_ур— отношение мощности на выходе полевого транзистора к мощности на входе при определенной частоте и схеме включения.
4.1. Частотные свойства.
Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC — цепи затвора. Поскольку входная емкость С_11и у транзисторов с р-п переходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, ре превышающих сотен килогерц — единиц мегагерц.
При работе в переключающих схемах скорость переключения полностью определяется постоянной времени RC — цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с р-п — переходом.
Граничная частота определяется по формуле f_гр.=159/С_11и, где f_гр = частота, МГц; S — крутизна характеристики транзистора, мА/В; С_11и — емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току выходной цепи, пФ.
4.2. Шумовые свойства.
Шумовые свойства полевых транзисторов оцениваются коэффициентом шума К_Ш, который мало зависит от напряжения сток — исток, тока стока и окружающей температуры (ниже 50 ⁰ С) и монотонно возрастает с уменьшением частоты и внутреннего сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума измеряют в заданном режиме по постоянному току U_СИ, I_C на определенной частоте.
Вместо коэффициента шума иногда указывают шумовое напряжение полевого транзистора U_ш — эквивалентное шумовое напряжение, приведенное ко входу, в полосе частот при определенном полном сопротивлении генератора в схеме с общим истоком; шумовой ток I_ш — эквивалентный шумовой ток, приведенный ко входу, при разомкнутом входе в полосе частот в схеме с общим истоком.
4.3. Тепловые параметры.
Тепловые параметры полевого транзистора характеризуют егоустойчивость при работе в диапазоне температур. При изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. Это приводит к изменению параметров полевого транзистора, в первую очередь, тока стока, крутизны и тока утечки затвора.
Зависимость изменения тока стока от температуры определяется двумя факторами: контактной разностью потенциалов р-п перехода и изменением подвижности основных носителей заряда в канале. При повышении температуры контактная разность потенциалов уменьшается, сопротивление канала падает, а ток увеличивается. Но повышение температуры приводит к уменьшению подвижности носителей заряда в канале и тока стока. При определенных условиях действие этих факторов взаимнокомпенсируется и ток полевого транзистора перестает зависеть от температуры. На рис. 5. приведены стокозатворные характеристики при различных температурах окружающей среды и указано положение термостабильной точки.
Рис. 5. Сток — затворные характеристики полевого транзистора при разных температурах.
Зависимость крутизны характеристики от температуры у полевых транзисторов такая же как и у тока стока. С ростом температуры ток утечки затвора увеличивается. Хотя абсолютное изменение тока незначительно, его надо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора. В этом случае изменение тока утечки затвора может вызвать существенное изменение напряжения на затворе полевого транзистора и режима его работы. Температурная зависимость тока утечки затвора полевого транзистора с р-п переходом приведена на рис. 6.
рис. 6. Зависимость тока утечки затвора полевого транзистора от температуры.
В полевом транзисторе с изолированным затвором ток затвора практически не зависит от температуры.
4.4. Максимально допустимые параметры.
Максимально допустимые параметры определяют значения конкретных режимов полевых транзисторов, которые не должны превышаться при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность. К максимально допустимым параметрам относятся: максимально допустимое напряжение затвор — исток U_ЗИmax, затвор — сток U_ЗСmax, сток — исток U_СИmax, максимально допустимое напряжение сток — подложка U_СПmax, исток — подложка U_ИПmax, затвор — подложка U_ЗПmax. Максимально допустимый постоянный ток стока I_Сmaxмаксимально допустимый прямой ток затвора I_З(пр)max, максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность Р_max.
4.5. Вольт – амперные характеристики полевых транзисторов.
Рис. 7. Вольт – амперные характеристики полевого транзистора со встроеным каналом n- типа: а – стоковые; б – стоко – затворные.
Вольт — амперные характеристики полевых транзисторов устанавливают зависимость тока стока I_C от одного из напряжений U_СИ или U_ЗИ при фиксированной величине второго.
В МДП — транзисторе с индуцированным каналом с подложкой р-типа при U_ЗИ = 0 канал п-типа может находиться в проводящем состоянии. При некотором пороговом напряжении U_ЗИ.ПОР < 0 за счет обеднения канала основными носителями проводимость его значительно уменьшается. Статические стоковые характеристики в этом случае будут иметь вид, изображенный на рис. 7, а стоко — затворная характеристика пересекает ось ординат в точке со значением тока I_C.НАЧ.
Особенностью МДП — транзистора с индуцированным каналом п — типа является возможность работы без постоянного напряжения смещения ( U_ЗИ = 0) в режиме как обеднения, так и обогащения канала основными носителями заряда. МДП — транзистор с встроенным каналом имеет вольт-амперные характеристики, аналогичные изображенным на рис. 7.
У МДП — транзисторов всех типов потенциал подложки относительно истока оказывает заметное влияние на вольт -амперные характеристики и соответственно параметры транзистора. Благодаря воздействию на проводимость канала подложка может выполнять функцию затвора. Напряжение на подложке относительно истока должно иметь такую полярность, чтобы р-п переход исток — подложка включался в обратном направлении. При этом р-п переход канал — подложка действует как затвор полевого транзистора с управляющим р-п переходом.
5. Рекомендации по применению полевых транзисторов.
Рекомендации по применению полевых транзисторов. Полевые транзисторы имеют вольт-амперные характеристики, подобные ламповым, и обладают всеми принципиальными преимуществами транзисторов. Это позволяет применять их в схемах, в большинстве случаев использовались электронные лампы, например, в усилителях постоянного тока с высокоомным входом, в истоковых повторителях с особо высокоомным входом, в электрометрических усилителях, различных реле времени, RS — генераторах синусоидальных колебаний низких и инфранизких частот, в генераторах пилообразных колебаний, усилителях низкой частоты, работающих от источников с большим внутренним сопротивлением, в активных RC — фильтрах низких частот. Полевые транзисторы с изолированным затвором используют в высокочастотных усилителях, смесителях, ключевых устройствах.
В рекомендации по использованию транзисторов для случая полевых транзисторов следует внести дополнения:
1. На затвор полевых транзисторов с р-п ( отрицательное для транзисторов с р — каналом и положительным для транзистора с п — каналом).
2. Полевые транзисторы с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включении транзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядов статического электричества. Необходимую пайку производить на заземленном металлическом листе, заземлить жало паяльника, а так же руки монтажника при помощи специального металлического браслета. Не следует применять одежду из синтетических тканей. Целесообразно подсоединять полевой транзистор к схеме, предварительно закоротив его выводы.
40. Поведение биполярных транзисторов｜Chip One Stop
TOP
Инженерные ссылки
Поведение биполярных транзисторов
Биполярный транзистор (Bipolar Transistor) — это тип транзистор достигается за счет использования p-n перехода полупроводника. Он называется транзистором переходного типа. Есть два стыка структур с именами pnp и npn, а также направление тока потоки каждой структурой соединения реверсируют. Это 3 терминала структура, а соответствующие названия: эмиттер (E), база (B) и коллектор (С). Используется при назначении текущего усиления и коммутации. Происхождение названия биполярного транзистора из-за карьеры, связанной с работой, имеет два типа электрон и дырка, поэтому используется название bi (значение двух). значение полюса. С другой стороны, поскольку эффект поля Транзистор типа (FET: Field EffectTransistor) — это только 1 тип, который является переносчиком, относящимся к операции, является только электрон или отверстие, поэтому это называется соединением с Uni (значение одного) и Полярный. Это указывает в основном на биполярный транзистор при вызове транзистор до сих пор, потому что первый изобретенный транзистор был биполярный транзистор.
Характеристики
В качестве одной из характеристик можно отметить, что коллектор ток течет от десятков до нескольких сотен раз против малый ток базы. Функция усиления достигается за счет используя эту функцию. Даже при изменении напряжения коллектора ток коллектора почти поддерживается постоянным (фиксированный ток характеристика). Необходимо сравнить базовое напряжение при напряжении эмиттера поддерживать на 0,6-0,7В выше (для npn-типа) для отвода тока базы, поскольку базовый эмиттер интервал структурирован так же, как диод. Функция переключения достигается за счет использования этой разности потенциалов. В целом, повышается коэффициент усиления по сравнению с полевым транзистором (ФЕТ). Однако энергопотребление больше при работе в качестве полностью потому, что он работает по всему текущему режиму. Это недостаток по сравнению с прибором полевого типа (вакуумная лампа и полевой транзистор), который работает в режиме напряжения, когда работа с большим количеством энергии. Следовательно, это не будет можно реализовать, если ток, необходимый для работы транзистор не получается усилить минутный сигнал. Осторожность требуется для точки ограничения скорости работы, т.к. Есть несколько своеобразных кумулятивный эффект носителя в Структура для отвода тока в переходе диода. Однако, можно сказать, что его легко использовать с ограничениями в источник питания, потому что напряжение требуется только напряжение насыщения (составляет 0,6-0,7В в случае общего биполярный транзистор) соединительной секции, даже если она разряжена как электрический ток в качестве управляющего сигнала ВКЛ/ВЫКЛ выключателя.
Тип
Как упоминалось ранее, три терминала соответственно называется Излучателем (E), Базой (B) и Коллектором (C). Оба пнп структура и терминалы структуры npn в центре базы. Клеммы эмиттера, базы и коллектора соответствуют клеммам катода вакуумной трубки, Сетка, клемма пластины и источник полевого эффекта транзистор (FET), затвор, сток. npn-транзистор ламинированный полупроводник в порядке n-типа, p-типа и n-типа, а pnp-транзистор ламинированный полупроводником в порядке p-типа, n тип и тип p. Оба представительства находятся в симметричная фигура, но в реальном транзисторе нормальная работа не может быть достигнута, если концентрация загрязнителя полупроводник на стороне эмиттера не улучшен.
Основной максимальный рейтинг
Максимальный коллектор
– напряжение эмиттера
Максимальное значение напряжения, которое может быть приложено между эмиттер и коллектор, когда база находится в открытом состоянии. Если напряжение, превышающее приложенное, затем лавинообразное разбивка будет сгенерирована в разделе соединения и будет уничтожен.
Максимальный коллектор
– базовое напряжение
Максимальное значение напряжения, которое может быть приложено между коллектор и база
Максимальный излучатель
– базовое напряжение
Максимальное значение напряжения, которое может быть приложено между эмиттер и база
Максимальный ток коллектора
Максимальное значение тока, которое можно слить постоянно в коллекторе. Или, максимум значение тока коллектора, которое может быть получено выдержать усиление для практического использования.
Максимальный базовый ток
Максимальное значение тока, которое может быть снято с база к эмиттеру
Максимальные потери коллектора
Максимальные потери мощности коллектора, которые могут быть постоянно потребляется
Основные электрические характеристики
Коэффициент усиления по постоянному току
Отношение тока базы и тока коллектора в эмиттере цепь усиления заземления
Частота среза
Частота, при которой коэффициент усиления по току становится равным 1. Также называется частотой перехода.
Характеристика полярных, полуполярных и неполярных p-n гомо- и гетеропереходов, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии с аммиаком
Характеристика полярных, полуполярных и неполярных p-n-гомо- и гетеро-переходов, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии с аммиаком
Хурни, Кристоф Антуан
Аннотация
Широкий интерес к нитридам группы III начался с достижения р-типа проводимости в начале 19 века.90 с в пленках GaN, легированных Mg, выращенных методом химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) Nakamura et al. Действительно, GaN, легированный Mg, выращенный с помощью MOCVD, является изолирующим из-за образования нейтральных комплексов Mg-H. Накамура и др. показали, что быстрый термический отжиг удаляет водород и обеспечивает р-проводимость. Вскоре после этого открытия Накамура и др. продемонстрировали первые светодиоды и лазеры. Необходимый этап отжига проблематичен для устройств, которым требуется скрытый p-слой, таких как биполярные транзисторы с гетеропереходом. Молекулярно-лучевая эпитаксия аммиака (Nh4-MBE) имеет большой потенциал для выращивания вертикальных устройств на основе III-нитридов благодаря условиям выращивания с высоким содержанием азота и всем обычным преимуществам MBE, которые включают среду роста с низким содержанием примесей, in situ. методы мониторинга, а также возможность наращивания четких интерфейсов. Сначала мы исследовали рост p-GaN методом Nh4-MBE. Мы обнаружили, что концентрация дырок сильно зависит от температуры роста. Благодаря всесторонним измерениям Холла и длины переноса мы обнаружили доказательства компенсирующих донорных дефектов в пленках GaN, легированных Mg, выращенных с помощью Nh4-MBE. Также были выращены и исследованы высококачественные p-n-переходы с очень малым обратным током и коэффициентом идеальности, близким к единице. Для проектирования устройств с гетеропереходом, таких как лазерные диоды, светоизлучающие диоды или биполярные транзисторы с гетеропереходом, характеристики гетероинтерфейса, такие как смещение полосы или заряды интерфейса, являются фундаментальными. Методика, разработанная Kroemer et al. использует профилирование емкости-напряжения (C-V) для извлечения смещения полосы и зарядов на гетерогранице. Мы применили эту технику к III-нитридам. Мы обнаружили, что для полярных III-нитридов этот метод неприменим из-за очень большого поляризационного заряда. Тем не менее, мы успешно измерили поляризационный заряд на гетерогранице AlGaN/GaN с помощью C-V профилирования. В неполярных и полуполярных случаях заряд гетерограницы был достаточно низким, чтобы извлечь смещение зоны проводимости с помощью CV-профилирования при условии, что профиль легирования имел предсказуемое поведение.