Основы электроники

3.6 Диоды оптоэлектроники

Оптоэлектроника - раздел электроники, изучающий теорию и практическое применение устройств, в которых прием, передача и обработка информации происходит путем преобразования световых сигналов в электрические и наоборот. Элементами оптоэлектроники являются фотодиод и светодиод.

Фотодиодом называется фотоэлектрический прибор с одним р-n- переходом. Фотодиод может включаться в схему как с внешним источником питания (фотодиодный режим), так и без него. Внешний источник питания подключается таким образом, что р-n- переход оказался при обратном смещении. В отсутствии освещения через диод протекает «темновой» ток экстракции I₀ очень малой величины, не зависящий от приложенного напряжения. При освещении n-базы диода светом, содержащем фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, происходит генерация электронно-дырочных пар. Если пары образуются на расстоянии от перехода не превышающем диффузионной длины, то генерированные светом дырки будут экстрагироваться электрическим полем перехода, и обратный ток возрастает по сравнению с его «темновым» значением. Чем интенсивнее световой поток Ф, тем выше значение обратного тока диода I_Ф. На рис. 3.3 приведена ВАХ фотодиода

Рис. 3.3.

для различных значений светового потока. В широких пределах уровней освещенности фототок зависит от светового потока практически линейно.

Коэффициент пропорциональностисоставляет несколько мА/лм и называется чувствительностью фотодиода. Фотодиоды используются в качестве приемников светового потока в различных измерительных устройствах, а также в волоконно - оптических линиях связи.

Кроме фотодиодного режима, широко используется вентильный (фотовольтаический) режим работы фотодиода. В этом режиме фотодиод работает без подключения внешнего источника питания и служит для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. При освещении диода в вентильном режиме на его выводах возникает вентильное напряжение. Фотодиод в этом случае называют солнечным преобразователем. Электрически соединенные между собой преобразователи - батареи применяются в качестве источников электрической энергии для питания РЭА в космических аппаратах и наземных установках.

Светодиоды - это излучающие полупроводниковые приборы с одним р-n- переходом, преобразующие электрическую энергию в некогерентное световое излучение. Излучение появляется в результате рекомбинации пар: электрон - дырка. Рекомбинация наблюдается, если р-n- переход включен в прямом направлении. Рекомбинация будет излучательной не всегда, и происходит она в так называемых прямозонных полупроводниках, типичным представителем которых является арсенид галлия. Такие полупроводники имеют специфическую зонную диаграмму.

Длина волныизлучаемого света однозначно определяется энергией кванта, которая при излучательной рекомбинации приблизительно равна ширине запрещенной зоны полупроводника. Для светодиодов, изготовленных из арсенида галлия, = 0,9-1,4 мкм. Диоды красного, желтого и зеленого свечения изготовляют на основе фосфида галлия, с фиолетовым свечением - на основе карбида кремния и т.д.

Энергетической характеристикой светодиодов является квантовый выход (эффективность), который показывает, сколько квантов излучения на выходе светодиода возникает на каждый электрон, проходящий по цепи управления. Квантовый выход для современных светодиодов обычно составляет 0,01-0,04, у светодиодов с гетеропереходом, для создания которого использованы двойные и тройные полупроводниковые соединения, он значительно больше (до 0,3), но всегда меньше единицы. Вольт - амперная характеристика, как и в обычных диодах, описывается экспоненциальной зависимостью. Светодиод переключается за 10^-7-10^-9 с., то есть является быстродействующим источником света.

Светодиоды используют в оптических линиях связи, индикаторных устройствах, оптопарах и т.д.

Оптоэлектронная пара, или оптопара, содержит светоизлучатель и фотоприемник конструктивно связанные через оптическую среду. Прямая оптическая связь от излучателя к фотоприёмнику исключает все виды электрической связи между этими элементами.

3.7 Оптроны

Под действием входного электрического сигнала светодиод генерирует световое излучение, а фотоприемник (фотодиод, фоторезистор и т.п.) генерирует ток под действием освещения.

а) б) в) г)

Рис. 3.4.

На рис. 3.4. приведено схемное изображение оптопары, состоящей из светодиода и фотодиода (а), фототранзистора (б), фототиристора (в), фоторезистора (г). Оптопара используется как элемент электрической развязки в цифровых и импульсных устройствах, устройствах передачи аналоговых сигналов, системах автоматики для бесконтактного управления высоковольтными источниками питания и др.

Контрольные вопросы

1. Какие виды электрического пробоя используются в стабилитронах ?

2. Какие типы диодов Вы знаете ? Приведите их условные обозначения.

3. Каков принцип маркировки полупроводниковых диодов и транзисторов ?

4. В чем состоит эффект выпрямления диодов ?

5. Что такое варикап и где он применяется ?

6. Каким образом применение стабилитрона в электрической цепи стабилизирует выходное напряжение цепи ?

7. Каковы отличительные особенности в механизме действия выпрямительного и туннельного диода ?

8. Поясните, что такое оптоэлектронный прибор и где он применяется ?

9. Опишите принцип действия и основные характеристики фотодиодов.

10. Опишите принцип действия и основные характеристики светодиодов.

ГЛАВА IV. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

4.1 Общие сведения

Биполярным транзистором называют активный полупроводни-ковый прибор с двумя взаимодействующими р-n- переходами и тремя электродами (внешними выводами). Прохождение тока в транзисторе обусловлено движением зарядов обоих знаков - электронов и дырок.

Биполярный транзистор содержит три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости (рис. 4.1) р-n-р (а) или n-р-n (б). В дальнейшем будем рассматривать наиболее распространенную n-р-n структуру биполярного транзистора.

Наиболее сильно легированную крайнюю область транзистора (n⁺ - типа) называют эмиттером, назначение ее - инжекция носителей в среднюю область (р -типа), называемую базой. Другую крайнюю область (n - типа) называют коллектором. Он менее легирован, чем эмиттер, и предназначен для экстракции носителей из базовой области (рис. 4.2). Переход между эмиттером и базой называют эмиттерным переходом - ЭП, а р - n- переход между коллектором и базой - коллекторным переходом - ЭП.

Рис. 4.1.

С помощью внешних источников напряжения (U_ЭБ , U_КБ) эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. В этом случае говорят, что транзистор функционирует в активном, или нормальном режиме, когда проявляются его усилительные свойства.

Рис. 4.2.

Если эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный в прямом, то такое включение биполярного транзистора называется инверсным, или обратным. При работе транзистора в цифровых схемах транзистор может работать в режиме насыщения (оба перехода включаются в прямом направлении), либо в режиме отсечки (оба перехода включены в обратном направлении).

4.2 Схемы включения биполярного транзистора

При включении транзистора в схему один из его выводов делают общим для входной и выходной цепей, поэтому схемы включения бывают: с общей базой (ОБ) (рис. 4.3 а); с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 4.3 б); с общим коллектором (ОК) (рис. 4.3 в). При этом считается, что потенциал общего вывода равен нулю. Полярности источников напряжения и направление токов транзистора соответствуют активному режиму работы транзистора. Схема включения с ОБ имеет ряд недостатков и используется крайне редко.

Работа биполярного транзистора в активном режиме. Рассмотрим работу на постоянном токе биполярного диффузионного сплавного транзистора со структурой n-p-n, включенного по схеме с ОБ в активном режиме (рис. 4.3. а). Непременным условием нормальной работы биполярного транзистора является достаточно малая ширина базы W; необходимо, чтобы было выполнено условие W L (L - диффузионная длина неосновных носителей заряда в базе).

Рис. 4.3.

Действие биполярного транзистора основано на использовании трех явлений:

- инжекции носителей из эмиттера в базу;

- переноса инжектированных в базу носителей к коллекторному переходу;

- экстракции инжектированных в базу и дошедших до коллекторного перехода неосновных носителей из базы в коллектор.

При прямом смещении эмиттерного перехода (обеспечивается источником питания U_ЭБ) снижается его потенциальный барьер и происходит инжекция электронов из эмиттера в базу. За счет инжекции электронов в базу, а также инжекции дырок из базы в эмиттер формируется ток эмиттера I_Э. Таким образом, ток эмиттера

, (4.1)

где I_Эn, I_Эр токи инжекции электронов и дырок соответственно.

Составляющая тока эмиттера I_Эр не протекает через коллектор и является вредной, вызывая дополнительный нагрев транзистора. Для уменьшения I_Эр концентрация акцепторной примеси в базе на два порядка меньше, чем донорной примеси в эмиттере.

Долю I_Эn в токе эмиттера определяют коэффициентом инжекции

, (4.2)

характеризующим эффективность работы эмиттера (=0,990-0,995). Инжектированные электроны диффундируют в базе в направлении к коллекторному переходу за счет перепада плотности электронов по длине базы и, дойдя до коллекторного перехода, экстрагируются (вытягиваются электрическим полем коллекторного перехода) в коллектор, образуется ток коллектора I_Кn.

Перепад плотности называют градиентом концентрации. Чем больше градиент, тем больше ток. При этом следует учесть, что за время прохождения базы часть инжектированных электронов рекомбинируют с дырками базы. Акты рекомбинации создают недостаток дырок, требующихся для восстановления условия электрической нейтральности базы. Необходимые дырки поступают по цепи базы, создавая базовый ток транзистора I_Брек. Ток I_Брек является нежелательным, вследствие чего его стремятся уменьшить. Достигается это путем уменьшения толщины базы W L_n (диффузионная длина электронов). Потерю электронного тока эмиттера на рекомбинацию в базе характеризует коэффициент переноса электронов

(4.3).

В реальных транзисторах=0,980-0,995.

В активном режиме коллекторный переход транзистора включен в обратном направлении (обеспечивается источником питания U_КБ) и в цепи коллектора протекает собственный ток I_К0, состоящий из двух дрейфовых токов неосновных носителей.

Таким образом, ток коллектора будет состоять из двух компонентов

Если учесть связь I_Кn с полным током эмиттера, то:

, (4.4)

где - коэффициент передачи тока эмиттера. Он характеризует усилительные свойства транзистора в схеме с ОБ.

В соответствии с первым законом Кирхгофа ток базы связан с другими токами электродов транзистора соотношением

. (4.5)

Подставив в него (4.4), получим выражение для тока базы через полный ток эмиттера:

. (4.6)

Учитывая, что коэффициент 1, можно сделать вывод: схема с ОБ не даёт усиления по току ().

Хорошее усиление по току дает схема (4.3. 6), где транзистор включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). В этой схеме общим электродом является эмиттер, входным током - ток базы, а выходным - коллекторный ток.

С учетом выражений (4.4) и (4.5) уравнение для тока коллектора в схеме с ОЭ выглядит следующим образом:

.

Отсюда

. (4.7)

Если обозначить , то выражение (4.7) можно преобразовать к виду

. (4.8)

Коэффициент называется коэффициентом передачи тока базы. Значение находится в пределах от десятков до сотен, а в некоторых типах транзисторов оно достигает нескольких тысяч. Таким образом, транзистор, включенный по схеме с ОЭ, является хорошим усилителем тока.

4.3 Статические характеристики биполярного транзистора

Статические характеристики транзистора описывают взаимосвязь между установившимися входными и выходными токами и напряжениями, когда в цепи коллектора нет нагрузки. Семейства статических характеристик для каждой схемы включения приводятся в справочниках. Наиболее важными являются входные и выходные характеристики транзистора. Остальные характеристики могут быть получены из входных и выходных характеристик.

Рис. 4.4

Для схемы с ОБ входной статической характеристикой является зависимость I_Э= f (U_ЭБ) при U_КБ = const, а для схемы с ОЭ I_Б= f (U_БЭ) при U_КЭ = const. Общий характер входных характеристик определяется p-n- переходом, который, как правило, включен в прямом направлении. Поэтому по внешнему виду входные характеристики имеют экспоненциальный характер (рис. 4.4).

Из рисунков видно, что изменение выходного напряжения приводит к смещению входных характеристик. Сдвиг характеристик определяется эффектом Эрли (модуляция ширины базы), сущность которого состоит в том, что при увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе он расширяется, причем расширение в области базы происходит за счет уменьшения ее ширины. Уменьшение ширины базы приводит к двум эффектам: уменьшению базового тока из-за уменьшения рекомбинации носителей и увеличению тока эмиттера за счет возрастания градиента концентрации неосновных носителей в базе. Поэтому с увеличением обратного напряжения на коллекторном переходе входная характеристика в схеме с ОБ смещается влево, а в схеме с ОЭ - вправо.

Выходной статической характеристикой в схеме с ОБ является зависимость I_К= f (U_КБ) при I_Э = const, а в схеме с ОЭ зависимость

I_К= f (U_КЭ) при I_Б = const.

Выходные характеристики по своему виду аналогичны обратной ветви ВАХ диода, так как коллекторный переход включен в обратном направлении. При построении характеристик принято обратное напряжение коллекторного перехода откладывать вправо (рис. 4.5).

а) б)

Рис. 4.5

Из рис. 4.5 а видно, что выходные ВАХ в схеме с ОБ располагаются в двух квадрантах: ВАХ в первом квадранте соответствует активному режиму работы, а во втором - режиму насыщения. В активном режиме выходной ток определяется соотношением (4.4). Участки характеристики, соответствующие активному режиму, проходят почти параллельно оси абсцисс, с небольшим наклоном. Наклон определяется вышеупомянутым эффектом Эрли. Когда I_Э=0 (цепь эмиттера оборвана), выходная характеристика представляется ВАХ обратно смещенного коллекторного перехода. При включении эмиттерного перехода в прямом направлении появляется ток инжекции и выходные характеристики сдвигаются на величину влево.

Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ, имеют большой наклон по сравнению с выходными характеристиками транзистора в схеме с ОБ, так как на них эффект Эрли оказывает большее влияние. Общий характер зависимостей (рис. 4.5 б) определяется следующей зависимостью между коллекторным и базовым током:

, (4.9)

где I_КЭ0 - сквозной ток коллектора определяемый при I_Б=0 (обрыв базы). Ток I_КЭ0 в раз больше тока I_К0, так как при U_БЭ=0 часть напряжения U_КЭ оказывается приложенным к эмиттерному переходу, смещая его в прямом направлении. Таким образом, I_КЭ0=()I_К0 - достаточно большой ток, и во избежание нарушения работы транзистора не следует разрывать цепь базы.

При увеличении тока базы ток коллектора возрастает на величину , и характеристики смещаются вверх. Главной особенностью выходных ВАХ схемы с ОЭ является то, что и в активном режиме, и в режиме насыщения они расположены в одном квадранте. Это означает, что при заданной полярности напряжений на электродах возможен как активный режим, так и режим насыщения. Смена режимов происходит при равенстве нулю напряжения на коллекторном переходе. Так как U_КЭ = U_КБ + U_БЭ (без учета сопротивления коллекторной области), искомое значение порогового напряжения U_КЭ = U_БЭ. Значение U_БЭ определяется по входной характеристике при заданном токе базы.

4.4 Физические параметры биполярного транзистора

Коэффициенты усиления по току и являются статическими параметрами, поскольку представляют собой отношение постоянных токов. Помимо них широко используются дифференциальные коэффициенты усиления, которые представляют собой отношение приращений токов. Статический и дифференциальный коэффициенты усиления несколько отличаются друг от друга и поэтому их различают, когда это принципиально необходимо. Зависимость коэффициента усиления по току от напряжения на коллекторе обусловлена эффектом Эрли.

Дифференциальный коэффициент усиления по току для схемы с ОЭ обладает температурной зависимостью, что обусловлено зависимостью времени жизни неосновных носителей в области базы. Поскольку с повышением температуры замедляются процессы рекомбинации, обычно наблюдается рост коэффициента усиления транзистора по току. Температурная нестабильность характеристик транзистора является его существенным недостатком.

К физическим параметрам помимо рассмотренного выше коэффициента передачи тока относят дифференциальные сопротивления переходов, объемные сопротивления областей, коэффициент обратной связи по напряжению, емкости переходов.

Эмиттерный и коллекторный переходы транзистора представляются своими дифференциальными сопротивлениями. Поскольку эмиттерный переход смещен в прямом направлении, его дифференциальное сопротивление r_Э можно определить, используя (2.6)

, (4.10).

где I_Э -постоянная составляющая тока. Оно имеет малое значение (при токе 1 мА сопротивление r_Э составляет 20-30 Ом), уменьшается с ростом тока и увеличивается с повышением температуры.

Поскольку коллекторный переход в транзисторе смещен в обратном направлении, ток I_К слабо зависит от напряжения U_КБ. Поэтому дифференциальное сопротивление коллекторного перехода =1Мом. Сопротивление r_К в основном обусловлено эффектом Эрли, оно обычно уменьшается с ростом рабочих токов.

Сопротивление базы r_Б составляет несколько сотен Ом. При достаточно большом токе базы падение напряжения на сопротивлении базы снижает напряжение на эмиттерном переходе по сравнению с внешним напряжением между выводами базы и эмиттера.

Сопротивление коллектора для маломощных транзисторов составляет десятки Ом, а для мощных - единицы Ом. Сопротивление эмиттерной области пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением базы из - за высокой концентрации примесей.

Коэффициент обратной связи по напряжению в схеме с ОБ определяется как (при I_Э = const), а в схеме с ОЭ как (при I_Б = const). По абсолютному значению коэффициенты приблизительно одинаковы и в зависимости от концентрации и технологии изготовления транзисторов составляют = 10^-2 -10^-4.

Частотные свойства биполярного транзистора определяются временем пролета неосновных носителей заряда через базу и временем перезарядки барьерных емкостей переходов. Относительная роль этих факторов зависит от конструкции и режима работы транзистора, а также от сопротивлений во внешних цепях.

Для очень малых входных сигналов и активного режима работы биполярный транзистор можно представить в виде линейного четырехполюсника и описать этот четырехполюсник некоторой системой параметров. Эти параметры принято называть h - параметрами. К ним относятся: h₁₁ - входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе; h₁₂ - коэффициент обратной связи по напряжении при разомкнутом входе; h₂₁ - коэффициент усиления (передачи) по току при коротком замыкании на выходе; h₂₂ - выходная проводимость при разомкнутом входе. Все h - параметры легко и непосредственно измеряются.

В ранней литературе по электронике частотным зависимостям малосигнальных параметров придавалось очень большое значение. В настоящее время выпускаются транзисторы, обеспечивающие нормальную работу при частотах до 10 ГГц. В таких случаях для получения требуемых частотных характеристик схемы достаточно лишь правильно выбрать по справочнику тип транзистора.

Контрольные вопросы

1. Что такое биполярный транзистор (БТ) ?

2. В чем заключается принцип действия биполярного транзистора ?

3. Назначение эмиттера, базы и коллектора биполярного транзистора.

4. Имеются ли различия в принципе действия БТ со структурой n-p-n и p-n-p ?

5. Какие схемы включения биполярного транзистора Вы знаете ?

6. Назовите основные режимы работы БТ.

7. Определите на статических вольт - амперных характеристиках БТ в различных схемах его включен я области активного режима и режима насыщения.

8. Что такое коэффициент передачи тока транзистора ? Сравните величину коэффициента передачи тока в схеме включения с ОБ и с ОЭ.

9. Поясните, как представив транзисторов в виде четырехполюсника, определить его малосигнальные параметры. Поясните смысл этих параметров.

ГЛАВА V.ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

5.1 Общие сведения

Полевыми транзисторами называются полупроводниковые активные приборы, в которых управление значением силы тока осуществляется электрическим полем за счет изменения электропроводности проводящего промежутка, называемого каналом.

Полевые транзисторы предназначены для усиления мощности и различного рода преобразований электрических сигналов. В полевых транзисторах в отличие от биполярных транзисторов в образовании тока участвуют носители только одного типа: или электроны, или дырки. Отсюда другое название полевых транзисторов - униполярные.

Существуют два типа полевых транзисторов, различающихся структурой и способом управления проводимости канала: полевой транзистор с управляющим р-n- переходом и транзисторы с изолированным затвором, имеющим структуру металл - диэлектрик - полупроводник (МДП). Поэтому такие транзисторы называют также МДП - транзисторами.

Транзисторы с управляющим р-n- переходом. На рис. 5.1 приведена структура разреза полевого транзистора с управляющим р-n- переходом с каналом n - типа (а) и его условное графическое обозначение (б).

Рис. 5.1

Каналом называется область n - типа. Контакт, через который носители заряда входят в канал, называют истоком (И); контакт, через который носители заряда вытекают, называют стоком (С). Затвор (З) является управляющим электродом. Электрическое поле, возникающее при приложении напряжения между затвором и истоком, изменяет проводимость канала и, следовательно, ток через канал. В качестве затвора используется область противоположного типа проводимости по отношению к каналу, образующая с ним р-n- переход, который в рабочем режиме имеет обратное включение.

Проводимость канала определяется его сопротивлением , где - удельное сопротивление материала канала, l- длина, S - площадь поперечного сечения канала. В отсутствии внешних напряжений площадь поперечного сечения канала под затвором одинакова по всей длине канала. При приложении внешнего напряжения заданной полярности между затвором и истоком U_ЗИ р-n- переход сместится в обратном направлении, расширится в сторону канала, в результате чего сечение канала равномерно уменьшится по всей его длине. Сопротивление канала возрастет, но выходной ток I_С = 0, поскольку U_СИ=0 (рис. 5.2 а).

Если между истоком и стоком включить источник напряжения, то через канал начнется дрейф электронов от истока к стоку, то есть через канал будет протекать ток стока I_С. Включение источника U_СИ влияет и на ширину р-n- перехода, так как напряжение на переходе оказывается разным по длине канала. Потенциал канала меняется по ее длине: потенциал истока равен нулю, повышаясь в сторону стока, потенциал стока равен U_СИ. Обратное напряжение на р-n- переходе вблизи истока равно , вблизи стока . В результате ширина перехода больше со стороны стока, и сечение канала уменьшается в сторону стока (рис. 5.2 б).



а) б)

Рис. 5.2

Таким образом, током через канал можно управлять путем изменения напряжений U_ЗИ (изменяет сечение канала) и U_СИ (изменяет ток и сечение по длине канала). У истокового конца канала ширина канала определяется заданным значением U_ЗИ, а у стокового - значением суммы U_ЗИ+U_СИ. Чем больше U_СИ, тем больше «клиновидность» канала, тем больше его сопротивление.

Напряжение на затворе, при котором поперечное сечение канала становится равным нулю, называют напряжением отсечки U_ЗИ.ОТС.

Напряжение на стоке, при котором суммарное напряжение становится равным напряжению отсечки U_ЗИ.ОТС, называют напряжением насыщения U_СИ.НАС.

Отсюда

(5.1)

Режим работы транзистора, когда , называют режимом плавного канала, а в случае, когда , - режимом насыщения. В режиме насыщения почти прекращается рост тока I_C, несмотря на увеличение напряжения U_СИ. Это объясняется тем, что одновременно увеличивается обратное напряжение на затворе U_ЗИ, вследствие чего канал сужается, что уменьшает ток I_C. В результате ток I_C почти не изменяется.

Как любой трехэлектродный прибор, полевой транзистор используется в трех схемах включения: с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором. Наиболее распространенной является схема с общим истоком.

5.2 Статические характеристики ПТ

Управляющее действие напряжения на затворе U_ЗИ на ток стока I_C определяется по стокозатворной или, как ее еще называют передаточной характеристикой транзистора. На рис. 5.3 а показано семейство стокозатворной характеристики I_С =f (U_ЗИ) при U_СИ =const.

Из стокозатворной характеристики видно, что при U_ЗИ=0 через транзистор протекает максимально возможный ток стока. С ростом U_ЗИ сечение канала падает и при некотором U_ЗИ=U_ЗИ.ОТС оно становится равным нулю и ток I_С становится практически равным нулю. Транзистор закрывается. С ростом U_СИ характеристика становится несколько круче, что обусловлено незначительным уменьшением длины канала. Уравнение стокозатворной характеристики имеет вид

. (5.2)



а) б)

Рис. 5.3.

На рис. 5.3 б изображены выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора. Стоковые характеристики - это зависимость

I_С =f (U_СИ) при фиксированных значениях U_ЗИ =const. С повышением U_СИ ток I_С увеличивается почти прямолинейно (режим плавного канала) и при достижении U_СИ= U_СИ.НАС (точка б) рост I_С прекращается.

5.3 Основные параметры ПТ

Одним из основных параметров любого типа полевого транзистора является крутизна

(мА/В),

которую можно рассчитать по формуле

, (5.3)

где S_max -максимальная крутизна, имеющая место при U_ЗИ=0. Из (5.2) (5.3) следует, что при увеличении U_ЗИ ток стока и крутизна полевого транзистора уменьшается.

По статическим характеристикам можно определить и другие параметры полевого транзистора.

Дифференциальное (внутреннее) сопротивление транзистора характеризует сопротивление канала между истоком и стоком.

при U_ЗИ =const (5.4)

В режиме насыщения (пологая часть ВАХ) R_i составляет несколько МОм и практически не зависит от U_СИ.

Коэффициент усиления по напряжению характеризует усилительные свойства транзистора:

при I_С =const (5.5)

Этот коэффициент показывает во сколько раз напряжение на стоке сильнее влияет на ток стока, чем напряжение на затворе. Знак «минус» указывает на то, что направления изменений напряжения противоположны. Поскольку не всегда имеется возможность определить коэффициент усиления по характеристикам, его можно вычислить, исходя из следующего уравнения

 . (5.6)

5.4 МДП - транзисторы с индуцированным каналом

В отличие от полевых транзисторов с управляющим p-n- переходом в МДП-транзисторах металлический затвор изолирован от полупроводниковой области, образующей канал, слоем диэлектрика. По этой причине МДП-транзисторы относятся к полевым транзисторам с изолированным затвором. Слой диэлектрика представляет собой окисел диэлектрика SiO₂, отсюда другое их название - МОП-транзисторы (структура металл - окись - полупроводник).

Принцип действия МДП - транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника и является токопроводящим каналом этих транзисторов.

Структура МДП-транзистора с индуцированным р-каналом показана на рис. 5.4 а, а условные обозначения на рис. 5.4 б.

Транзистор имеет выводы: вывод от истока - И, вывод от стока - С, вывод от затвора - З и вывод от кристалла, называемого подложкой - П.

Так как р⁺-области стока и истока с полупроводником n-типа образуют два p-n- перехода, то при любой полярности напряжения U_СИ один из этих переходов оказывается включенным в обратном направлении и ток стока I_С практически равен нулю.



Рис. 5.4.

Для образования в транзисторе токопроводящего канала на затвор подаётся напряжение отрицательной полярности. Электрическое поле затвора через слой диэлектрика SiO₂ проникает в приповерхностный слой полупроводника, выталкивает из него основные носители заряда (электроны) и притягивает неосновные носители (дырки). Происходит обеднение приповерхностного слоя электронами и обогащение его дырками. При некотором напряжении на затворе, называемом пороговым U_ЗИ.пор, в слое происходит смена электропроводности с электронной на дырочную и формируется канал р - типа, соединяющий исток со стоком. С ростом U_ЗИ приповерхностный слой обогащается



Рис. 5.5 Рис. 5.6

дырками, что приводит к уменьшению сопротивления канала. Ток стока I_С при этом увеличивается. На рис. 5.5 приведена стоко - затворная ВАХ для МДП - транзистора с индуцированным р - каналом.

На рис. 5.6 приведены выходные (стоковые) характеристики для МДП-транзисторов с индуцированным n-каналом. При заданном напряжении на затворе по мере увеличения ток стока от нулевого значения возрастает сначала почти линейно (область крутой части ВАХ), затем скорость его возрастания уменьшается и при достаточно больших значениях ток стремится к постоянной величине. Прекращение возрастания тока связано с перекрытием канала вблизи стока.

5.5 МДП - транзисторы с встроенным каналом

На рис. 5.7 показаны структура МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа (а) и условные графические изображения таких транзисторов (б).

Если при U_ЗИ = 0 приложить напряжение, то через канал потечет ток электронов. При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, в канале создаётся поперечное электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала. Канал обедняется электронами, сопротивление его увеличивается, и ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение затвора, тем меньше этот ток. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

Если же на затвор подать положительное напряжение, то под действием поля, созданного этим напряжением, из областей истока и стока, а также из кристалла в канал будут приходить электроны, его проводимость будет увеличиваться, и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения.

Рассмотренные процессы иллюстрируются статической стоко - затворной характеристикой I_С= f (U_ЗИ) при U_СИ = const, приведенной на рис. 5.8 а.

При 0 транзистор работает в режиме обогащения, а при 0 - в режиме обеднения.

Стоковые характеристики (рис. 5.8 б) в режиме обогащения проходят выше начальной, снятой при U_ЗИ = 0, а в режиме обеднения - ниже начальной.

Статические дифференциальные параметры S, Ri и так же как и для полевых транзисторов с управляющим р-n- переходом рассчитываются по формулам (5.4), (5.5) и (5.6) соответственно.

Рис. 5.7.



Рис. 5.8.

Крутизна и внутреннее сопротивление имеют примерно одинаковый порядок для всех типов полевых транзисторов. Что же касается входного сопротивления и межэлектродных емкостей, то МДП-транзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с управляющим р-n- переходом. Так входное сопротивление R_ЗИ у них на несколько порядков выше и составляет 10¹²-10¹⁵ Ом. Значения межэлектродных емкостей не превышает: для С_ЗИ, С_СИ -10 пФ, для С_ЗС -2 пФ. Последние определяют инерционность транзистора.

Контрольные вопросы

1. Что такое полевой транзистор и почему его называют также униполярным транзистором ?

2. Приведите классификацию полевых транзисторов.

3. Что из себя представляют канал, затвор, сток, исток и подложка полевого транзистора ?

4. В чем заключается принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n переходом ?

5. Как изменяется геометрия канала при изменении напряжений на затворе и истоке относительно подложки ?

6. Как напряжение на затворе и истоке влияют на значение тока канала полевого транзистора ?

7. Назовите основные схемы включения полевого транзистора.

8. В каких режимах может работать полевой транзистор ?

9. Какие характеристики являются основными параметрами полевого транзистора

10. В чем заключаются принципы действия МДП - транзисторов со встроенным каналом и с индуцированным каналом ?

ГЛАВА VI. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Аналоговые ИМС строятся на основе базовых элементарных каскадов. К числу базовых относятся однокаскадные усилители: на биполярных транзисторах с общим эмиттером и на полевых транзисторах с общим истоком. Базовые каскады осуществляют усиления мощности при одновременном усилении напряжения или тока, а также напряжения и тока.

6.1 Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Самое широкое применение находит каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. При анализе усилителя источник сигнала представляется либо в виде идеального источника питания Е_Г с последовательно включенным внутренним сопротивлением источника R_Г (рис. 6.1 а), либо идеального источника тока I_Г с параллельно включенным сопротивлением R_Г (рис. 6.1 б).

а) б)

Рис. 6.1.

Если R_Г и входное сопротивление усилительного каскада имеют примерно одинаковое значение, то выбор способа представления источника сигнала не влияет на точность расчетов. Если же R_Г намного больше входного сопротивления усилителя, то целесообразно пользоваться представлением источника в виде, показанном на рис. 6.1 б, в противном случае - в виде, показанном на рис. 6.1 а.

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером показана на рис. 6.2.

При анализе схем, когда состояние транзистора управляется входным напряжением, удобно пользоваться передаточной характеристикой (рис. 6.3), семейством выходных характеристик (рис. 4.5) и входных характеристик (рис. 4.4) транзистора.

Рис. 6.2.

Рис. 6.3.

Передаточная характеристика - зависимость тока коллектора I_К от напряжения база - эмиттер U_БЭ аппроксимируется экспоненциальной функцией

. (6.1)

где - термический потенциал, I_KS - коэффициент пропорциональности, его ориентировочное значение для микромощных кремниевых транзисторов при Т=300 К имеет порядок 10^-9 мА.

В отсутствии входного сигнала усилительный каскад находится в режиме покоя. В режиме покоя постоянная составляющая напряжения коллектор - эмиттер .

При подаче на вход положительной полуволны переменного входного сигнала будет возрастать ток базы, который вызовет относительно большое изменение коллекторного тока. Это видно из передаточной характеристики (6.3). Изменение коллекторного тока I_K в зависимости от U_БЭ характеризуется крутизной S:

при U_КЭ = const

Эту величину можно рассчитать, используя выражение (6.1):

(6.2) .

Таким образом, крутизна пропорциональна коллекторному току и не зависит от индивидуальных свойств каждого транзистора. Поэтому для ее определения не требуется измерений.

В результате действия входного сигнала напряжение на Rк увеличится, а напряжение U_КЭ уменьшится, то есть произойдет формирование отрицательной полуволны выходного напряжения. Таким образом, такой усилительный каскад осуществляет сдвиг фазы между U_ВЫХ и U_ВХ на 180 ⁰. Коллекторный ток I_К возрастет на величину

.

Выходное напряжение U_ВЫХ уменьшится на величину

.

Отсюда коэффициент усиления по напряжению (в отсутствии нагрузки (I_Н=0)), равен

(6.3)

Например, если R_К=5 кОм; =25 мВ; I_К=1 мА; S= 40 мА/В, то

К_U=-200.

Коллекторный ток зависит не только от напряжения U_БЭ, но и от напряжения U_КЭ. Эта зависимость характеризуется дифференциальным выходным сопротивлением

при U_БЭ = const ,

где коэффициент пропорциональности U_Е называется напряжением Эрли. Типовые значения U_Е находится в пределах 80-200 В для кремниевых n-p-n транзисторов. С учетом r_КЭ получим

(6.5) .

По отношению к источнику сигнала входное сопротивление усилительного каскада играет роль нагрузки. Поэтому чем оно больше, чем меньше нагружен источник сигнала, тем лучше передается его напряжение на вход каскада. Для описания входной цепи источником напряжения как нагрузки, соединенной с входным источником напряжения, вводят дифференциальное входное сопротивление:

при U_КЭ = const.

Между входным сопротивлением r_БЭ и крутизной S имеется зависимость

,

где - дифференциальный коэффициент передачи тока. Для практических расчетов можно пользоваться соотношением

(6.6).

Выходное, или внутреннее, сопротивление усилительного каскада r_ВЫХ играет существенную роль во взаимодействии этого каскада с нагрузкой (следующим каскадом). Выходное сопротивление усилителя вызывает снижение выходного напряжения при протекании через нагрузку тока; это необходимо учитывать при расчете коэффициента усиления.

Сопротивление нагрузки R_Н и выходное сопротивление r_ВЫХ образуют делитель напряжения, который уменьшает коэффициент усиления усилителя раз. Выходное внутреннее сопротивление . В результате коэффициент усиления при нагрузке

. (6.7)

Коэффициент усиления зависит от изменения температуры, т.к.

.

Наконец, дифференциальный коэффициент усиления по току определяется выражением

при U_КЭ = const .

Практически он мало отличается от статического коэффициента в широком диапазоне изменений тока коллектора, который равен .

Для уменьшения нелинейных искажений и температурной стабилизации коэффициента усиления в усилительный каскад вводится отрицательная обратная связь.

Обратной связью называют передачу части энергии с выхода или какого - либо промежуточного звена устройства на его вход. Для этого в схему вводят специальную цепь, носящую название цепи обратной связи. Эта цепь служит для передачи части мощности с выхода усилителя обратно на его вход. Обратную связь, охватывающую один каскад, принято называть местной, а охватывающую весь многокаскадный усилитель - общей.

Наличие обратной связи может привести к увеличению, либо к уменьшению сигнала на выходе устройства и соответственно коэффициента усиления. В первом случае фазы входного сигнала и сигнала обратной связи совпадают и амплитуды складываются, такую обратную связь называют положительной (ПОС). Во втором случае фазы- противоположны и амплитуды сигналов вычитаются, такую обратную связь называют отрицательной (ООС). В усилителях используется только отрицательная обратная связь. Введение ООС снижает усиление сигнала, но повышает стабильность параметров и уменьшает нелинейные искажения.

На рис. 6.4 приведена схема однокаскадного усилителя с отрицательной обратной связью.

Рис. 6.4

Здесь ООС реализована с помощью введенного в эмиттерную цепь резистора R_Э. С увеличением входного напряжения U_ВХ увеличивается эмиттерный ток, поэтому увеличивается падение напряжения на резисторе R_Э: , так что на переходе база - эмиттер напряжение оказывается меньше входного . Приближенно можно считать, что приращения напряжений на входе и на резисторе R_Э равны друг другу, то есть изменением напряжения база - эмиттер можно пренебречь.

Через R_К протекает практически тот же ток, что и через R_Э, следовательно, изменение этого тока вызывает приращение напряжения на коллекторном резисторе больше, чем на эмиттерном резисторе в раз. Если считать , то

.

В это выражение не входят параметры транзистора, зависящие от токов. Поэтому, если учесть, что ток коллектора несколько отличается от тока эмиттера, то с учетом этого обстоятельства коэффициент усиления по напряжению усилителя с ООС будет также зависеть от значений тока, хотя и в меньшей мере

.

Входное сопротивление усилителя увеличивается за счет ООС. Выходное сопротивление вследствие отрицательной связи растет незначительно и стремится к R_К.

6.2 Усилители на полевых транзисторах

При построении усилителей на полевых транзисторах наиболее широкое применение получил каскад, в котором полевой транзистор включен по схеме с общим истоком (ОИ). На рис. 6.5 приведена типовая схема каскада на полевом транзисторе с управляющим р-n- переходом и каналом n-типа. В полевом транзисторе с управляющим переходом полярности напряжений, приложенные к его стоку и затвору, должны быть противоположными. Поэтому для задания режима по постоянному току вводится резистор R_И, который образует последовательную ООС. Кроме того, параллельно входным выводам усилителя подключается резистор R_СМ, который обеспечивает гальваническую связь затвора с общей шиной и тем самым стабилизирует входное сопротивление каскада.

Величину R_И для заданного тока покоя I_С0 определяют с помощью стокозатворной ВАХ полевого транзистора (см. рис. 5.3 а). Определив по ВАХ значение U_ЗИ0, легко находим значение R_И по формуле

При подаче положительной полуволны U_ВХ на выходе будет сформирована отрицательная полуволна U_ВЫХ, то есть усилительный каскад ОИ инвертирует входной сигнал. Коэффициент усиления по напряжению равен:



Рис. 6.5

.

Знак «минус» показывает, что каскад ОИ инвертирует сигнал. На практике , поэтому коэффициент усиления можно представить в виде

В реальных каскадах ОИ обычно К_U=3ч50, R_ВХ R_СМ, а R_ВЫХ R_С.

6.3 Многокаскадные усилители

Отрицательная обратная связь, обеспечивая хорошую стабильность параметров усилителя, резко снижает коэффициент усиления. Для получения высокого значения К_U применяются многокаскадные широкополосные усилители. На рис. 6.6 приведена принципиальная схема трехкаскадного усилителя с последовательно-параллельной обратной связью. Первый каскад ОЭ выполнен на транзисторе VT1, в нем присутствует местная последовательная ООС по току, создаваемая резистором R_Э1. Второй каскад выполнен на транзисторе VT2. Третий каскад выполнен на транзисторе VT3, в котором местную ООС образует резистор R_Э3. Помимо местных ООС в усилителе используется общая обратная связь, образуемая цепью резистора R_ОС, соединяющего выход усилителя с эмиттером транзистора VT1. По сравнению с местными (внутрикаскадными) обратными связями обратная связь, охватывающая весь усилитель, обеспечивает более высокую стабильность и меньшую чувствительность к отклонениям коэффициента усиления отдельных каскадов. Схема 6.6 является основой для построения интегрального усилителя.

Рис. 6.6

Но кроме основного трехкаскадного усилителя с обратной связью схема интегрального усилителя в качестве выходного каскада содержит эмиттерный повторитель для обеспечения малого выходного сопротивления и другие компоненты для придания усилителю дополнительной широкополосности, устойчивости, температурной стабильности и согласования постоянной составляющей выходного напряжения предыдущего каскада с постоянной составляющей входного напряжения последующего каскада. Дело в том, что все каскады связаны по постоянному току из-за отсутствия трудно реализуемых конденсаторов большой емкости.

6.4 Выходные каскады (усилители мощности) аналоговых интегральных микросхем