Работа транзистора в ключевом режиме

Импульсные свойства транзисторов важны для работы в цифровых и импульсных устройствах.

При работе транзистора в импульсных схемах различают режимы малого и большого сигнала. При малом сигнале транзистор работает в активном режиме как усилитель. При большом сигнале переходит скачком из режима отсечки в режим насыщения и обратно, т.е. выполняет функции электрического ключа (ключевой режим).

Скорость перехода транзистора из режима отсечки в режим насыщения и обратно зависит от скорости накопления и рассасывания неравновесных зарядов в базе, т.е. заряда и разряда диффузной емкости эмиттерного перехода.

t ₂ - t ₁ - время задержки коллекторного тока (мало);

t ₃ - t ₁ - время установления;

t ₅ - t ₄ - время задержки выключения;

t ₈ - t ₄ - время рассасывания заряда;

t ₃ - t ₂ - длительность переднего фронта импульса коллекторного тока;

t ₈ - t ₂ - длительность заднего фронта импульса коллекторного тока.

Наилучшие параметры в режиме переключения имеют транзисторы, выполненные по планарной технологии.

Кроме того, широко используются сплавные и диффузионно-сплавные. Например транзистор 1Т308А имеет время включения 0,1...0,25 мкс, время выключения 1...1,3 мкс. Недостаток - низкое пробивное напряжение эмиттерного перехода.

Рис. 7. Процесс переключения транзистора

Параметры транзистора в режиме большого сигнала. Для характеристики работы транзистора в режиме большого сигнала используются специальные параметры:

- интегральный (статический) коэффициент усиления по току

(вместо малосигнального h₂₁);

- статическая крутизна характеристики прямой передачи

(в схеме ОБ); (в схеме ОЭ);

- напряжение U_{К нас} между коллектором и эмиттером в режиме насыщения;

- напряжение U_{Б нас} между базой и эмиттером в режиме насыщения;

- время рассасывания t _р, определяемое как интервал времени, в течение которого после подачи запирающего импульса напряжение на коллекторе падает до величины 0,1.

Положение рабочей точки должно быть обеспечено в правом верхнем состоянии, при этом в цепи коллектора протекает так называемый ток коллектора насыщения. Это максимально возможный ток, который может протекать в коммутируемой цепи.

, поскольку , то .

При этом в общем случае и напряжение и коммутируемое сопротивление могут быть непостоянными. При этом ток в коммутируемой цепи не зависит от параметра транзистора, а зависит только от параметров внешней цепи ( и ).

 

Для обеспечения режима насыщения и крайнего верхнего положения рабочей точки необходимо в цепь базы транзистора подать соответствующий управляющий сигнал.

Минимальное значение тока базы должно быть не меньше . В общем случае:

, .

, т.е. реальный ток базы больше или равен току насыщения базы.

Ток базы насыщения - это минимальное значение входного тока транзистора, при котором транзисторбудет открыт, а коммутируемая цепь закрыта.

.

Ge: ; Si: .

Для надежного открывания транзисторного ключа реальный ток базы выбирается в несколько раз больше тока базы насыщения (в s раз, где s - степень насыщения транзистора).

Рис. 8.3. ВАХ транзистора.

, следовательно, - при этом будет обеспечено открытое состояние транзисторного ключа.

Во многих случаях максимально возможное значение входного напряжения в схемах определяется общим напряжением E.

.

В свою очередь , следовательно, .

Отсюда: ; .

; , ; .

Отсюда получаем следующую схему замещения.

Рис. 8.3. Схема замещения.

Рис. 8.2.3. Упрощенная схема замещения.

В расчетных схемах так обозначают режим насыщения (но при существенных входных токах). Ток базы выбирается с запасом и в s раз превышает ток базы насыщения, чтобы гарантировать режим насыщения при разбросе параметров транзисторов. В расчетных соотношениях используют обычно минимальное значение (При колебаниях температуры, может изменяться).

34)Переходные процессы в транзисторном ключе.

В идеальном случае при переходе транзистора из непроводящего состояния в проводящее и наоборот, рабочая точка нагрузочной прямой должна мгновенно переходить из положения 1 в положение 2 и также возвращаться назад. В реальном случае этот процесс занимает определенное время. В результате ток коллектора в коммутируемой цепи, при закрывании и при открывании транзистора, изменяется не мгновенно, а как следствие при действии на входе прямоугольных импульсов, форма импульсов на входе будет отлична от прямоугольных.

Рассмотрим действие на входе транзисторного ключа последовательности прямоугольных импульсов (разнополярных).

транзистор является инерционным элементом.

 

При мгновенном изменении тока базы, ток коллектора не может измениться мгновенно, т.к. ток коллектора обусловлен диффузией от эмиттера к коллектору неосновных носителей.

Эта инерционность ограничивает и диапазон рабочих частот транзистора. Верхняя граничная частота , на которой амплитуда .

. Постоянная времени характеризует инерционные свойства самого транзистора.

Рис. 8.8. Осциллограммы процессов в ТК.

В первый момент времени сразу же возникает ток базы (если входная цепь чисто резистивная).

;

(максимальное значение тока).

Если , то ток коллектора по экспоненте возрастает с постоянной времени .

.

Если ; (s- степень насыщения), то ток коллектора будет стремиться к величине , но реально он может возрасти до величины .

; (1)

. (2)

Чем больше величина тока базы, тем быстрее ток коллектора достигнет тока коллектора насыщения и тем меньше будет длительность фронта. Превышение входным током базы уровня создает в базетранзистора накопление избыточного заряда. Накопление избыточного заряда в базе будет влиять на процесс закрывания транзисторного ключа. Так в момент времени , когда изменится полярность входного сигнала, за счет накопившегося избыточного заряда, возникает значительный обратный ток базы, близкий по величине. Под действием этого обратного тока базы будет происходить рассасывание избыточного заряда. До тех пор, пока в базе будет присутствовать избыточный заряд, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Он будет открыт и ток коллектора будет равен .

После момента времени , транзистор выходит из режима насыщения. Обратный ток базы снижается до уровня . По экспоненте с постоянной времени происходит снижение тока коллектора до минимального уровня.

Время рассасывания создает запаздывание в закрытие транзистора. Чем больше s, тем больше время рассасывания. При s=1 избыточного заряда нет, следовательно, не потребуется время на рассасывание. Длительность фронтов и меньше или равны величине .

35)Полевые транзисторы.Транзистор с управляющим p-n переходом.Характеристики.

Особенности полевых транзисторов.

Среди многочисленных разновидностей полевых транзисторов возможно выделить два основных класса: полевые транзисторы с затвором в виде pn перехода и полевые транзисторы с затвором, изолированным от рабочего полупроводникового объема диэлектриком. Приборы этого класса часто также называют МДП транзисторами (от словосочетания металл - диэлектрик - полупроводник) и МОП транзисторами (от словосочетания металл - окисел - полупроводник), поскольку в качестве диэлектрика чаще всего используется окись кремния.

Основной особенностью полевых транзисторов, по сравнению с биполярными, является их высокое входное сопротивление, которое может достигать 10⁹ - 10¹⁰ Ом. Таким образом, эти приборы можно рассматривать как управляемые потенциалом, что позволяет на их основе создать схемы с чрезвычайно низким потреблением энергии в статическом режиме. Последнее особенно существенно для электронных статических микросхем памяти с большим количеством запоминающих ячеек.

Так же как и биполярные, полевые транзисторы могут работать в ключевом режиме, однако падение напряжения на них во включенном состоянии весьма значительно, поэтому эффективность их работы в мощных схемах меньше, чем у биполярных приборов.

Полевые транзисторы могут иметь как p, так и n каналы, управление которыми осуществляется при разной полярности на затворах. Это свойство комплиментарности расширяет возможности при конструировании схем и широко используется при создании запоминающих ячеек и цифровых схем на основе МДП транзисторов (CMOS схемы).

Полевые транзисторы относятся к приборам униполярного типа, это означает, что принцип их действия основан на дрейфе основных носителей заряда. Последнее обстоятельство значительно упрощает их анализ по сравнению с биполярными приборами, поскольку, в первом приближении, возможно пренебречь диффузионными токами, неосновными носителями заряда и их рекомбинацией.

Полевые транзисторы с управляющим pn переходом..

 

Рис. 79. Зависимость крутизны полевого транзистора с управляющим pn переходом от напряжения затвора (Uo - напряжение отсечки). 6.2.2. Эквивалентная схема.

На рис. 80 показана эквивалентная схема полевого транзистора, основным элементом этой схемы, характеризующим усилительные свойства прибора, является зависимый генератор тока SUз. Частотные и импульсные характеристики транзистора определяются емкостями электродов: затвор - сток Cзи, затвор - сток Cзс, сток - исток Cзи. Емкости Cзи и Cзс зависят от площади затвора и степени легирования канала, емкость Cзс - самая маленькая среди рассмотренных.

Сопротивления утечки Rзс, Rзи, Rзс весьма велики и учитываются, как правило, при расчете электрометрических усилительных каскадов постоянного тока. При расчете импульсных каскадов и усилительных каскадов переменного тока их, как правило, не учитывают, поскольку проводимость емкостей обычно всегда больше шунтирующих их проводимостей утечки электродов.

Рис. 80. Эквивалентная схема полевого транзистора с управляющим pn переходом.

6.1.3. Влияние температуры на параметры транзистора с управляющим переходом.

Изменение вольтамперных характеристик ПТУП с температурой определяется температурной зависимостью начальной проводимости канала Rсо и, соответственно, максимального тока Jсм, а также напряжения отсечки Uo, эти значения влияют как на вид ВАХ, так и на величину крутизны (см. 6_9, 6_10).

Изменение с температурой Rco определяется температурной зависимостью электропроводности материала канала, т.е. температурными зависимостями концентрации основных носителей заряда и подвижности, которые были рассмотрены в 1.4.4. На изменение напряжения отсечки влияет, в основном, изменение с температурой контактной разности потенциалов. Используя (6_3), можно записать:

(6_11)

Откуда:

∂Uo/∂T = - ∂Uк/∂T (6_12)

Температурная зависимость контактной разности потенциалов была рассмотрена в 3.1.1, где было показано, что с увеличением температуры контактная разность потенциалов примерно линейно уменьшается. Следовательно, в соответствии с (6_12) с ростом температуры напряжение отсечки будет возрастать.

36)МДП-транзистор со встроенным каналом.Харакстеристики

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Рис. 2. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором.

Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 10¹⁰…10¹⁴ Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 10⁷…10⁹), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (U_ЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком.

Изображённые на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.