Модуль коэффициента передачи определяется выражением

 

3. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

 

Биполярные транзисторы находят широкое применение в электронике, но они имеют существенные недостатки. Недостатки обусловлены двумя факторами. Во-первых, активный режим работы предполагает, что переход эмиттер – база транзистора открыт и его сопротивление мало. Поэтому такой прибор потребляет заметную мощность от источника входного сигнала. Во-вторых, участие в работе транзистора носителей зарядов двух знаков обуславливает высокий уровень внутренних шумов из-за самопроизвольных рекомбинаций в объеме эмиттера и коллектора.

От приведенных недостатков свободны полевые транзисторы. Величина тока этого транзистора управляется электрическим полем закрытого р-n перехода. Поэтому такой прибор практически не потребляет ток из входной цепи. Полевые транзисторы разделяются на два типа: с р-n переходом и МДП-типа (металл – диэлектрик – полупроводник).

Разрез структуры полевого транзистора с р-n переходом и полярность включения источников напряжения приведены на рис. 19.7, а. Слой полупроводника с проводимостью р типа называется проводящим каналом. Он имеет два выхода во внешнюю цепь: И – исток, С – сток. Слои полупроводника с проводимостью n – типа соединены между собой и имеют один вывод во внешнюю цепь. Этот вывод называется затвором З.

На рис. 19.7, б приведено схемное обозначение транзистора с р каналом, а на рис. 12.7 в – с n каналом. Когда управляющее напряжение U_зи = 0, по каналу течет ток, значение которого зависит от напряжения . Эта зависимость приведена на рис. 19.7, г. Напряжение равномерно распределено по длине канала. Оно вызывает обратное смещение р-n переходов, причем, наибольшее обратное напряжение приложено к области стока, а в области истока переходы находятся в равновесном состоянии. На рис.19.7 а заштрихованная площадь имитирует область запирающего слоя р-n перехода.

 

С увеличением напряжения область двойного запирающего слоя увеличивается, сужая проводящий канал и увеличивая его сопротивление. Поэтому зависимость имеет нелинейный характер. При некотором значении границы р-n перехода смыкаются и рост тока I_с, при дальнейшем увеличении , прекращается. Зависимость переходит на пологий участок рис.19.7, г.

Пусть напряжение U_си постоянно и находится в области пологого участка характеристики. В этом случае увеличение положительного напряжения U_зи приводит к расширению запирающего слоя p – n перехода и ток уменьшается. Очевидно, что существует такое значение , при котором ток I_C = 0. Это значение называют напряжением отсечки. Таким образом, изменяя напряжение , можно управлять значением тока . При этом через цепь затвора протекает только малый тепловой ток р-n перехода.

Структура полевого транзистора МДП – типа приведена на рис. 19.8, а. Здесь электрод затвора изолирован от полупроводникового канала слоем диэлектрика из двуокиси кремния SiO₂. Это стало причиной еще одного названия – полевой транзистор с изолированным затвором (ПТИЗ). Электроды стока и истока имеют непосредственный контакт с полупроводниковым каналом. При такой структуре ток утечки затвора пренебрежимо мал.

Полупроводниковый канал может быть обогащен носителями зарядов или обеднен. Если канал обогащен носителями зарядов, то он называется встроенным. При обедненном канале электрическое поле затвора повышает его проводимость. Поэтому канал называется индуцированным.

Принцип работы ПТИЗ со встроенным каналом аналогичен принципу работы полевого транзистора с p – n переходом. Рассмотрим работу транзистора с индуцированным каналом.

Если на затвор не подано напряжение, то между истоком и стоком расположены два встречно включенных p – n перехода. Сопротивление переходов велико, поэтому ток цепи пренебрежимо мал. При поступлении на затвор положительного напряжения U_з электроны из слоя p дрейфуют к затвору и индуцируют проводящий канал между истоком и стоком. Чем больше напряжение на затворе, тем шире канал и тем больше ток стока при неизменном напряжении U_с.

Так как проводимость канала может быть электронной или дырочной, то возможны четыре типа ПТИЗ. Условные обозначения ПТИЗ этих типов приведены на рис. 19.8 б, в, г, д.

К основным параметрам ПТИЗ относятся крутизна входной характеристики S = (dI_c/dU_з) при U_c = const, дифференциальное сопротивление стока на участке насыщения r_c, допустимый ток стока I_{с макс}, допустимое напряжение U_{с макс}, допустимая мощность Р_{с макс}. Высокое входное сопротивление и большое (до сотен МГц) значение допустимой рабочей частоты составляют основное преимущество ПТИЗ.

 

4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ IGBT ТРАНЗИСТОРАХ

 

Упрощенная схема замещения биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ) приведена на рис. 19. 9, а. В состав схемы входят биполярный транзистор и ПТИЗ, причем, ПТИЗ включен параллельно p-n переходу база – эмиттер биполярного транзистора.

При поступлении на затвор З положительного относительно точки Э напряжения ПТИЗ открывается. Ток стока ПТИЗ является управляющим током биполярного транзистора, поэтому, одновременно с ПТИЗ открывается биполярный транзистор. Рабочий ток БТИЗ в β раз больше тока ПТИЗ и протекает от точки К к точке Э.

На рис. 19.9, б приведено условное обозначение БТИЗ и пример его включения для прерывания тока в активном сопротивлении.

Основные достоинства БТИЗ: очень большое входное сопротивление,

большие допустимые токи (до 1800 А) и напряжения (до 4,5 кВ), достаточно большие допустимые частоты (до n10 кГц).

Недостатком транзистора является большая емкость затвора (до 1 мкФ). Это усложняет процесс переключения транзистора.

 

5. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

 

Интегральные микросхемы (ИМС) – это изделия, выполняющие определенную функцию преобразования и обработки сигнала, имеющие высокую плотность упаковки элементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов), изготовленные по единому технологическому процессу, в одном корпусе. Применение ИМС обеспечивает высокую надежность, малые массу и габариты аппаратуры, снижает ее стоимость и упрощает организацию производства. Перечисленные достоинства стали основой широкого применения

ИМС в аппаратуре различного назначения.

Совокупность ИМС, которые могут выполнять различные функции, но имеют единое конструктивно – технологическое исполнение и предназначены для совместного применения, называют серией ИМС.

В настоящее время промышленностью налажен выпуск ИМС, различающихся по выполняемым функциям, по технологии производства и по плотности упаковки элементов (степени интеграции). В зависимости от выполняемых функций все ИМС делятся на аналоговые и цифровые. По технологии производства ИМС разделяются на полупроводниковые, гибридные и пленочные. По степени интеграции различают ИМС малой интеграции (до 100 элементов в одном корпусе), средней интеграции (от 100 до 1000 элементов), большой интеграции (от 1000 до 100000 элементов).

В последние годы все более широкое применение находит еще один класс ИМС – программируемые ИМС.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

 

19.1. Приведите классификацию транзисторов и назовите отличительные особенности каждого класса.

19.2. Какие особые требования предъявляются к базе и эмиттеру биполярных транзисторов?

19.3. Известно, что в активном режиме работы биполярного транзистора переход коллектор – база находится под обратным напряжением. Почему через него протекает ток коллектора?

19.4. Какой из параметров биполярного транзистора определяет его усилительные свойства?

19.5. Выходные ВАХ биполярного транзистора имеют крутой и пологий участки. Приведите соотношение между значениями U_кэ и U_бэ на каждом из этих участков. В каких режимах работает транзистор на каждом из участков?

19.6. Почему на пологом участке выходных ВАХ биполярного транзистора наблюдается незначительное увеличение тока коллектора с ростом напряжения U_кэ?

19.7. Почему на пологом участке выходных ВАХ биполярного транзистора ток коллектора пропорционален току базы?

19.8. Какие физические величины определяют h – параметры транзистора? Для чего они приводятся в справочной литературе?

19.9. Какой физический процесс обусловливает температурную зависимость параметров транзистора?

19.10. Почему коэффициент передачи тока базы зависит от частоты?

19.11. Транзистор типа n – p – n включен по схеме с общим эмиттером. Определите, в каком режиме работает транзистор, если

а) напряжение U_бэ = 0,3 В, а напряжение U_кэ = 0,2 В;

б) напряжение U_бэ = 0,3 В, а напряжение U_кэ = 10 В;

в) напряжение U_бэ = - 0,3 В, а напряжение U_кэ = 10 В.

19.12. Транзистор типа n – p –n включен по схеме с общим эмиттером. Определите напряжение коллектор – база U_кб, если напряжение коллектор – эмиттер U_кэ = 10 В, а напряжение база – эмиттер U_бэ = 0,4 В.

19.13. Транзистор с параметрами β = 100, I_к = 1 мА и I_кбо = 5 мкА включен по схеме с общим эмиттером. Определите

а) коэффициент передачи тока эмиттера α;

б) ток эмиттера I_э; в) ток базы I_б;

г) обратный ток транзистора I_кэо.

19.14. Выводы электродов транзистора обозначены А, В. С. При работе транзистора в активном режиме токи электродов имеют значения: I_А = 1 мА, I_В = 20 мкА, I_С = 1,02 мА. Полагая, что обратный ток перехода коллектор – база I_кбо = 0, определите: а) с какими электродами соединены выводы; б) чему равен коэффициент передачи тока базы β.