Прямой транзистор: простым языком для чайников, схемы

4. Полевые транзисторы. Физические основы электроники. Курс лекций

4.1. Полевой транзистор с p-n переходом

4.2. Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор)

4.1. Полевой транзистор с p-n переходом

В полевых транзисторах, управление потоком основных носителей заряда осуществляется в области полупроводника, называемой каналом, путем изменения его поперечного сечения с помощью электрического поля. Полевой транзистор имеет следующие три электрода: исток, через который в n канал втекают основные носители; сток, через который они вытекают из канала, и затвор, предназначенный для регулирования поперечного сечения канала. В настоящее время существует множество типов полевых транзисторов, которые в ряде устройств работают более эффективно, чем биполярные. Преимуществом полевых транзисторов является также и то, что ассортимент полупроводниковых материалов для их изготовления значительно шире (так как они работают только с основными носителями заряда), благодаря чему возможно создание, например, температуроустойких приборов.

Большое значение также имеют низкий уровень шумов и высокое входное сопротивление этих транзисторов.

Рисунок 4.1

На рисунке 4.1 приведена схема включения полевого транзистора. Во входную цепь включен источник обратного смещения U_ЗИ на p-n переходе между затвором и каналом. Выходная цепь состоит из источника постоянного напряжения U_СИ плюсом соединенного к стоку. Исток является общей точкой схемы. Контакты истока и стока невыпрямляющие. Канал может иметь электропроводимость как p-типа, так и n-типа; поскольку m _n>m _p выгоднее применять n-канал. Затвор выполняют в виде полупроводниковой области p⁺-типа.

Полевой транзистор работает следующим образом. При отсутствии напряжения на входе основные носители заряда — электроны под действием ускоряющего электрического ноля в канале (E = 10

5¸ 10⁴ В/см) дрейфуют в направлении от истока к стоку, в то время как p-n переход для них заперт. Ток I_С, создаваемый этими электронами, определяется как напряжением стока U_СИ, так и сопротивлением канала. Последнее зависит от поперечного сечения канала, которое ограничивается p-n переходом (заштрихованная область). Поскольку потенциал электрического поля линейно возрастает от истока к стоку вдоль канала, толщина p-n перехода минимальна вблизи истока и максимальна вблизи стока, и канал сужается вдоль p-n перехода от стока к истоку. Таким образом, наибольшим сопротивлением канал обладает в наиболее узкой своей части.

а)	б)
Рисунок 4.2

Если в результате подачи к затвору переменного напряжения сигнала результирующее обратное напряжение на затворе U_ЗИ повысятся, то толщина p-n перехода по всей его длине увеличится, а площадь сечения канала и, следовательно, ток в цепи стока уменьшаются. На рисунке 4.2,а изображена характеристика прямой передачи I_С =f(U_ЗИ). Указанный эффект будет тем сильнее, чем больше удельное сопротивление материала полупроводника, поэтому полевые транзисторы выполняют из высокоомного материала. При больших обратных напряжениях на затворе U_ЗИ0 сечение канала в его узкой части станет равным нулю и ток через канал прекратится. Такой режим называется режимом отсечки. Характеристика прямой передачи хорошо описывается формулой

(3.40)

Па рисунке 4.2,б изображено семейство статических выходных характеристик I_С =f(U_СИ) при различных значениях напряжения затвора U_ЗИ. Каждая характеристика имеет два участка — омический (для малых U_СИ) и насыщения (для больших U_СИ). При U_ЗИ = 0 с увеличением напряжения U_С ток I_С вначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться закону Ома; ток I_С начинает расти медленно, ибо его увеличение приводит к повышению падения напряжения в канале и потенциала вдоль канала. Вследствие этого увеличиваются толщина запирающего слоя и сопротивление канала, а также замедляется возрастание самого тока I_С. При напряжении насыщения U_СИ = U_ЗИ0 сечение канала приближается к нулю и рост I_С прекращается.

Следующая характеристика, снятая при некотором обратном напряжении затвора U¢ _ЗИ, когда запирающий слой имеет большую толщину при тех же значениях U_СИ будет более пологой на начальном участке и насыщение наступит раньше (при меньших значениях U¢ _СИ=U_ЗИ0 -U¢ _ЗИ).

Температурная зависимость тока истока связана с изменением подвижности основных носителей, заряда в материале канала. Для кремниевых транзисторов крутизна S уменьшается с увеличением температуры. Кроме того, с повышением температуры увеличивается собственная проводимость полупроводника, возрастает входной ток I_З черед переход и, следовательно, уменьшается R_ВХ. У полевых кремниевых транзисторов с p-n переходом при комнатной температуре ток затвора порядка 1 нА. При увеличении температуры ток удваивается на каждые, 10°С.

Особенность полевых транзисторов заключается в наличии у них термостабильной точки, т. е. точки, в которой ток стока практически постоянен при различных температурах (рисунок 4.3). Это объясняется следующим образом.

При повышении температуры из-за уменьшения подвижности носителей удельная проводимость канала уменьшается, а следовательно, уменьшается и ток стока. Одновременно сокращается ширина p-n перехода, расширяется проводящая часть канала и увеличивается ток. Первое сказывается при больших токах стока, второе при малых. Эти два противоположных процесса при определенном выборе рабочей точки могут взаимно компенсироваться. При правильном выборе ее положения основной причиной дрейфа тока стока может быть высокоомный резистор в цепи затвора. С изменением тока затвора в зависимости от температуры будет изменяться падение напряжения по входной цепи, которое изменит рабочий ток стока.

Рисунок 4.3

Основным параметрам, используемым при расчете усилительного каскада с полевым транзистором, является статическая крутизна характеристики прямой передачи, т. е. отношение изменения тока стока к напряжению между затвором и истоком:

Дифференциальное выходное сопротивление здесь определяется как

, Ом, .

Оно составляет, примерно десятки — сотни килоомов. Статический коэффициент усиления по напряжению m =D U_СИ/D U_ЗИ =S× R_i .

Междуэлектродные емкости затвор-исток С_ЗИ затвор-сток С_ЗС и сток-исток С_СИ. Для маломощных транзисторов С_ЗИ=3 пФ, С_ЗС=2 пФ и С_СИ=0,2 пФ.

Ток затвора во входной цепи триода I_З

—обратный ток, создаваемый неосновными носителями через p-n переход, чрезвычайна мал (порядка 10^-9 А и менее). Поэтому входное сопротивление полевого транзистора R_ВХ=D U_З/D I_З очень высокое (порядка нескольких мегомов), входная же емкость мала, так как переход находится под обратным напряжением. Этими качествами полевой транзистор выгодно отличается от биполярных транзисторов с двумя p-n переходами. При работе полевого транзистора на высоких частотах основное значение имеет емкость С_ЗИ. Максимальная рабочая частота определяется постоянной времени входной цепи f=1/2p RC_ЗИ, где R — сопротивление канала, через которое заряжается емкость. Анализ показывает, что по частотным свойствам полевой транзистор не имеет особых преимуществ перед биполярным. Практически были осуществлены полевые транзисторы с максимальной частотой генерации до 30 ГГц. Но с точки зрения быстродействия полевой транзистор превосходит биполярный, так как работает на основных носителях заряда при отсутствии их накопления.

В импульсном режиме чрезвычайно полезным достоинством полевого транзистора является почти полное отсутствие остаточного напряжения и цепи канала во включенном состоянии. Закрытый полевой транзистор оказывает сопротивление постоянному току между стоком и истоком более 10⁸ Ом.

Полевые транзисторы с p-n переходом целесообразно применять во входных устройствах усилителей при работе от высокоомного источника сигнала, в чувствительной по току измерительной аппаратуре, импульсных схемах, регуляторах уровня сигнала и т. п.

4.2. Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор)

Этот транзистор имеет структуру металл — диэлектрик — полупроводник и может быть двух типов: с индуцированным каналом (рисунок 4.4,а) и с встроенным каналом (рисунок 4.4,б). Если основой транзистора является кремний, то диэлектриком может быть слой окиси кремния, поэтому такую структуру иногда называют МОП-транзистор (металл — окисел — полупроводник).

 

а)	б)
Рисунок 4. 4

Транзистор с индуцированным каналом имеет области истока n⁺ и стока n⁺, которые выведены путем металлизации через отверстие в окиси кремния на контакты — исток и сток. На слой двуокиси окиси кремния напыляют слой алюминия, служащий затвором. Можно считать, что алюминиевый затвор и полупроводниковый материал p-типа образуют плоский конденсатор с окисным диэлектриком, Если на металлическую часть затвора подать положительное напряжение, то положительный заряд обкладки затвора индуцирует соответствующий отрицательный заряд в полупроводниковой области канала. С возрастанием положительного напряжения этот заряд, созданный притянутыми из глубины p-области проводника электронами, которые являются неосновными носителями, превращает поверхностны слой полупроводника p-типа в проводящий канал n-типа, соединяющий исходные n

+-области истока и стока. Поэтому уменьшается сопротивление материала между истоком и стоком, что ведет к увеличению тока стока. Таким образом, благодаря электростатической индукции между истоком и стоком происходит инверсия типа проводимости полупроводника. Слой полупроводника p-типа превращается в полупроводник n-типа. До инверсии сопротивление между истоком и стоком определяется сопротивлением закрытого перехода, так как до инверсии имеет место структура n⁺-р-n⁺. После инверсии образуется n-проводимость и структура становится n⁺-n-n⁺. Меняя напряжение на затворе, можно управлять током стока. Если взять подложку n-типа, то можно построить МДП-транзистор с индуцированным p-каналом, который управляется отрицательным напряжением на затворе.

Транзистор с встроенным каналом имеет конструкцию, подобную предыдущей. Между истоком и стоком методом диффузии создают слаболегированный канал c проводимостью n^—-типа при проводимости подложки p-типа. Возможно другое сочетание. Канал имеет проводимость p-типа, а подложка — проводимость n-типа. В отсутствие напряжения на затворе ток между истоком и стоком определяется сопротивлением n^—-канала. При отрицательном напряжении на затворе концентрация носителей заряда и канале уменьшится и в нем появляется обедненный слой. Сопротивление между истоком и стоком увеличивается и ток уменьшается. При положительном напряжении на затворе ток стока увеличивается, потому что в канале индуцируется дополнительный отрицательный заряд, увеличивающий его проводимость.

На рисунке 4.4 приведены характеристики прямой передачи МДП-транзисторов с ндуцированным (кривая 2) и встроенным (кривая 1) каналами. Из рисунка видна квадратичность передаточной характеристики. Теоретически характеристика прямой передачи описывается следующим выражением:

при . ( 3.41 )

Здесь А — постоянный коэффициент; U_{ЗИ ПОР} — напряжение, которое для транзистора с индуцированным каналом принято называть пороговым. Инверсия типа проводимости начинается лишь при достижении напряжения U_ПОР.

Выходные характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рисунке 4. 5,а со встроенным каналом — на рисунке 4.5,б.

Рисунок 4.4

В области U_CИ < |U_ЗИ — U_{ЗИ ПОР} | теоретический ток стока

. ( 3.42 )

Уравнение описывает восходящие ветви выходной характеристики. Входное сопротивление МДП-транзистора из-за наличия изолятора между затвором и каналом составляет около 10¹² — 10¹⁴ Ом и уменьшается с ростом частоты вследствие шунтирования входной емкостью транзистора. Выходное сопротивление находится в пределах десятков — сотен килоомов. Входная и выходная емкости составляют единицы пикофарад, а проходная емкость — десятые доли пикофарады.

Рисунок 4.5

Что такое транзисторы, для чего нужны, их виды и характеристики

Главная » Электроника » Что такое транзисторы, для чего нужны, их виды и характеристики

0

Январь 4, 2022 Электроника admin

Транзистором является электронный компонент, способный по специфике своей работы усиливать слабый электрический сигнал. Само по себе понятие транзистор состоит из двух слов: трансфер и резистор. В первом случае трансфер переводится с английского как «передача», а резистор – как «сопротивление». Найти характеристики нужного вам радиоэлемента поможет удобный онлайн справочник транзисторов.

Исходя из вышесказанного следует отметить, что транзистором является некое «сопротивление», способное регулировать интервал напряжения между эмиттером и базой. Это касается транзисторов биполярного типа. В транзисторах полевого типа предел напряжения регулируется в районе истока и затвора.

Виды транзисторов

На сегодняшний день существуют полевые и биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы могут быть прямой или обратной проводимости (обозначаются n-p-n или p-n-p).

Полевой транзистор имеет канал типа N или P. Как правило, затворы полевых электрических изделий изолируются. Также каналы поля могут делиться на индуцированные и встроенные.

Основные характеристики изделия

Применяются транзисторы в технике посредством своих технических характеристик.

Как правило, они работают в нескольких режимах: ключевой режим и усилительный режим. Если электрический элемент работает в первом режиме, то он в процессе эксплуатации либо полностью закрыт, либо открыт все время.

Этот фактор позволит качественным образом управлять нагрузками электрической цепи, применяя при этом малые токи. Если транзисторы предусматривается эксплуатировать в усилительном или динамическом режимах, то изделие будет изменять выходные сигналы в момент небольшого изменения входных параметров.

Входными параметрами также называют управляющий сигнал, подающийся на изделие.

Разновидности современных транзисторов

Транзисторы биполярного типа в корпусе ТО3 2Н3055 широко распространены в звуковых каскадах современных усилителей. В данной схеме устройство склонно работать в динамическом режиме.

Данный тип транзистора зачастую применяется в низких частотах усилителей трансформаторного типа. Следует отметить, что при работе на коллекторе и эмиттере в процессе работы достигается напряжение, равное 70 Вольт и ток в пределах 15 А.

Благодаря современному корпусу выполненному в ТО – 3 транзисторы данного типа легко крепятся на охлаждающие радиаторы при необходимости. Транзисторы типа КТ – 315 являются легендой отечественных биполярных транзисторов.

Их применяют в маломощных схемах. Хорошо подходит для ключевого и динамического режима.

Транзисторная логика с прямой связью (DCTL) — Логические элементы

Логические элементы

Транзисторные цифровые схемы в основном выполняют три логических функции стробирования И (или НЕ-И), стробирования ИЛИ (или НЕ-ИЛИ) и инверсии сигнала (НЕ ворота). Дополнительная функция обычно выполняемая, хотя и не логическая по своему характеру, но тем не менее практическая необходимостью является усиление сигнала. Другие логические блоки, такие как NOR, NAND, и триггеры, легко получить, используя эти три фундаментальных функционала блоки. Для этих целей можно использовать несколько различных конфигураций цепей. функциональные блоки. Обычно эти цепи классифицируются в соответствии с элементы, используемые для межкаскадной связи или связи между затворами и инверторами и усилители. Наиболее часто используемыми элементами связи являются диоды, резисторы, комбинации резистор-конденсатор и сами транзисторы. Также можно проектировать и использовать схемы без какой-либо из этих связей. элементы. Такие схемы называются транзисторно-логическими с прямой связью. цепи или, чаще, DCTL. Есть несколько преимуществ и некоторые недостатки DCTL, и мы рассмотрим их после обсуждения того, как этот тип конфигурационных работ.

Инверторы DCTL

На рисунке ниже показаны три инвертора DCTL в каскаде. В этой цепи коллекторные резисторы R ₁ , R ₂ , и R ₃ служат источниками постоянного тока. Они подают ток на коллекторы соответствующих транзисторов, когда они включены или к базе следующего транзистора, когда они выключены.

Инверторы DCTL в каскаде.

При входном напряжении В _в в основание Q ₁ близко к земле, то есть при В _CE(SAT) предыдущего каскада на транзисторе — напряжение v _C1 стремится приблизиться к напряжению питания В _СС . Подается ток к основанию Q ₂ через R ₁ , и получается Q ₂ вкл. Зажимное действие диода база-эмиттер Q ₂ вмещает v _C1 при значении, определяемом В _ВЕ2 . Так как Q ₂ включен, v _C2 теперь определяется V _CE(SAT) из Q ₂ . Если Q ₂ имеет достаточно низкое падение насыщения, то v _C2 не будет достаточно положительным, чтобы превратить Q ₃ на. Обратная ситуация имеет место, когда достаточно положительное напряжение, v _в , получается Q ₁ вкл. В таком случае v _C1 будет поддерживать Q ₂ off, что в свою очередь включит Q ₃ . Из этого краткого описания несколько заметны важные моменты. Низкий В _CE(SAT) является желательной особенностью транзисторов, используемых для DCTL. Если V _CE(SAT) высокий, то всегда есть вероятность, что транзистор следующей ступени может быть ошибочно включен. Кроме того, чтобы чтобы убедиться, что все разветвленные транзисторы отключены, V _CE(SAT) должен быть меньше наименьшего В _БЭ(ВКЛ) последующих транзисторов. Это легко видно, что напряжение питания может быть относительно небольшим, поскольку выход размах напряжения варьируется между В _CE(SAT) включенного транзистора и V _BE(ON) транзисторов следующего каскада.

Затвор серии DCTL

На рисунке ниже показаны три транзистора, соединенные последовательно, чтобы сформировать вентиль И-НЕ. для положительных входных сигналов A, B и C. Если какой-либо из трех транзисторов выключен, выходное напряжение на D будет напряжением питания ( В _CC ) в ненагруженном состоянии. В нагруженных условиях напряжение на D будет зависеть на резисторе R _L и V _БЭ(ОН) транзистор следующей ступени. Когда все три транзистора открыты, потенциал на D будет ближе к земле, чем в предыдущем случае, и будет сумма V _CE(SAT) Q ₁ , Q ₂ и Q ₃ последовательно. Следовательно, Основным недостатком этой конфигурации является необходимость убедитесь, что транзистор следующей ступени будет закрыт, когда все три транзистора находятся на. Сумма трех В _CE(SAT) последовательно должно быть меньше чем В _BE(ON) транзистора следующей ступени. Одно средство для этого нужно поставить больше базового привода на Q ₁ , Q ₂ и Q ₃ , тем самым рисуя их дальнейшее насыщение и снижение сопротивления насыщения.

Ворота DCTL серии

.

DCTL Параллельный вентиль

На рисунке ниже показан параллельный вентиль DCTL, который на самом деле был ранее считается «инверторным» каскадом с тремя транзисторами, имеющими отдельные входы вместо одного транзистора. Очевидно, что эта конфигурация схема NOR. Если какой-либо вход любого из трех транзисторов имеет высокий уровень, его коллектор будет потреблять ток через нагрузочный резистор, в результате чего на выходе идти низко.

Параллельный шлюз DCTL.

Недостатки DCTL

Current Hogging
Одной из наиболее нежелательных особенностей DCTL является то, что обычно называют токосъем, и это явление возникает из-за распространения в В _БЭ(ВКЛ) различных управляемых (разветвленных) транзисторов. Нет двух транзисторы всегда будут иметь одинаковые входные характеристики, и это всегда желательно использовать транзисторы с как можно меньшим разбросом производства на В _БЭ(ВКЛ) .

Если транзисторы Q ₁ , Q ₂ , и Q ₃ на рисунке ниже (вид A) имеют входные характеристики как показано на рисунке ниже (вид Б), совершенно ясно, что выходное напряжение размах В ₀ транзистора Q ₀ будет определяется V _{CE (SAT)} из Q ₀ и В _BE(ON) одного из разветвляющих транзисторов. На рисунке ниже (вид B) показано, что напряжение В ₀ будет определяться В _БЭ(ОН) из Q ₃ , который потребляет больше тока от R ₀ , чем любой Q ₂ или Q ₁ . Вполне возможно, что неравные токи, требуемые разветвляющими транзисторами, могут привести к некоторым устройство потребляет больше тока и, таким образом, голодает другие транзисторы, что может не получить достаточного базового драйва, чтобы насытить их, а в некоторых случаях даже повернуть их вообще.

Инвертор DCTL, управляющий разветвлением трех ворот. (А) Цепь. (B) Входные характеристики транзисторов разветвления.

Проблема перекрестных помех или шума
В любой высокоскоростной системе импульсы с быстрым разность потенциалов в системе заземления в основном из-за индуктивности заземления. Эти напряжения могут мешать стабильной работе системы. Системы DCTL очень чувствительны к этим шумовым напряжениям, потому что рабочее и сигнальное напряжения в этих системах, естественно, низкие. Если несколько транзисторов на одном конце системы заземления включены, результирующий импульс, генерируемый в наземной системе, может дать положительный или отрицательный импульс (в зависимости от полярности), что может привести к неисправности включение или выключение других транзисторов дальше по земле система. Одним из решений является установка транзисторов очень близко друг к другу, тем самым сводя к минимуму индуктивность заземления. Помимо шума от земли, DCTL также уязвим к шуму в источниках питания и постороннему шуму, возникающему при подключении приводит. Из различных логических схем DCTL имеет один из самых низких запасов по шуму, обычно от 0,1 В при 125°C до примерно 0,2 В при комнатной температуре, в зависимости от разветвление и включен или выключен транзистор.

Преимущества DCTL

Несмотря на серьезные ограничения, DCTL по-прежнему имеет несколько желательных Особенности. Поскольку колебания напряжения малы, транзисторы можно использовать с относительно низким рейтингом пробоя. Дело в том, что используется только одно напряжение питания — очень удобная функция. Поскольку используются низкие напряжения, иногда всего 3 вольта, рассеиваемая мощность как в резисторах, так и в транзисторах довольно низкий. Хотя системы DCTL дороговизна по количеству используемых транзисторов, отсутствие элементы межкаскадной связи, различные размеры резисторов, фиксирующие диоды, и многие напряжения питания делают их относительно простыми.

Транзисторный усилитель с прямой связью – операции и эквивалентная схема

Прямая связь необходима для очень низкочастотных (ниже 10 Гц) приложений, таких как фотоэлектрический ток, ток термопары и т. д. Термопары используются для измерения температуры в печах. Напряжение, индуцируемое в термопаре, очень мало по величине (порядка мкВ). Это напряжение необходимо усилить до подходящего уровня, чтобы обеспечить заметное отклонение на измерителе. Температура в печи может изменяться очень медленно, поэтому счетчик должен реагировать на такие медленные изменения. Для таких применений прямая связь является единственным решением. Для низкочастотных приложений нельзя использовать конденсаторы связи и шунтирующие конденсаторы. На низких частотах разделительные конденсаторы вызывают значительное падение сигнала на них, что приводит к снижению усиления. Точно так же на низких частотах реактивное сопротивление эмиттерных шунтирующих конденсаторов становится сравнимым с эмиттерными резисторами и, таким образом, влияет на шунтирующее действие конденсаторов. Если конденсаторы связи и байпаса должны служить своей цели, их номиналы должны быть очень большими. Такие конденсаторы не только очень дороги, но и имеют неудобно большие размеры. Чтобы избежать этого, одна ступень напрямую соединяется со следующей ступенью без вмешательства какого-либо соединительного устройства. Такая связь называется с прямой связью и усилитель, использующий такую ​​связь, называется усилителем с прямой связью . Двухкаскадный транзисторный усилитель с прямой связью показан на рис. 16.40.

В схеме двухкаскадного транзисторного усилителя с прямой связью следует отметить, что не используются разделительные и обходные конденсаторы. Для такой схемы уровни постоянного тока одного каскада, очевидно, связаны с уровнями постоянного тока других каскадов. По этой причине устройство смещения необходимо проектировать для всей сети, а не для каждой ступени отдельно.

Работа транзисторного усилителя с прямой связью:

Слабый сигнал подается на базу транзистора. Благодаря действию транзистора на коллекторной нагрузке R _c1 первого транзистора получается усиленный выходной сигнал. Усиленный сигнал, выработанный на R _c1 , поступает на базу следующего транзистора. Это еще больше усиливается на следующем этапе и так далее. Таким образом, слабый сигнал усиливается усилителем с прямой связью.

Анализ схемы:

Эквивалентная схема переменного тока транзисторного усилителя с прямой связью, приведенная на рис. 16.40, показана на рис. 16.41.

Увеличение напряжения на первой стадии,

Увеличение напряжения второй этапа,

Общее усиление напряжения,

Частота. на низких частотах. Кривая АЧХ плоская до верхней частоты среза f ₂ , который определяется емкостью паразитных проводов и внутренней емкостью транзистора. Выше коэффициент усиления уменьшается за счет межэлектродной емкости прибора и емкости проводки.

Достоинства:

1. Простота схемотехники и очень низкая стоимость за счет использования минимального количества резисторов и отсутствия дорогих устройств связи.