Текст книги "Электроника в вопросах и ответах"

Автор книги: И. Хабловски

Соавторы: В. Скулимовски
сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 29 страниц)

Что такое полевой транзистор?

Это транзистор, управляемый электрическим полем, в котором действует лишь одни вид тока, а именно созданный только основными носителями: электронами или дырками[13]13
  Электроны в транзисторе с каналом p-типа или дырки в транзисторе с каналом n-типа.


[Закрыть]. В биполярном транзисторе, как известно, действуют оба вида носителей – основные и неосновные, т. е. электроны и дырки. Полевые транзисторы называются также транзисторами на полевом эффекте, что следует из принципа их работы. Встречается также название – транзисторы FET, являющееся сокращением английского названия Field Effect Transistor. Полевые транзисторы делятся на две группы: транзисторы с р-n переходом и транзисторы с изолированным затвором – МДП или МОП транзисторы.

Каковы структура и принцип работы полевого транзистора?

Структура полевого транзистора упрощенно представлена на рис. 4.17.

Рис. 4.17. Структура полевого МОП транзистора:

_{1 – металлический контакт истока; 2 – металлический контакт стока; 3 – подложка с собственной проводимостью или р-типа; 4 – изолирующий слой окисла; 5 – канал с зарядом электронов}

На подложке из собственного или слабо легированного акцепторами полупроводника (p-типа) расположены полученные путем диффузии две области с высокой концентрацией электронов (n-типа), называемые истоком и стоком и соединенные с металлическими контактами. В центральной части над подложкой находится изолирующий слой окисла, а над ним – металлический слой треть его электрода, называемого затвором. В полупроводнике между истоком и стоком под затвором во время работы транзистора возникает канал, проводящий ток.

Действие подобного полупроводникового прибора заключается в следующем. При отсутствии напряжения на затворе подводимое между стоком и истоком напряжение создает пренебрежимо малое значение протекающего тока благодаря большому сопротивлению канала. При подведении к затвору положительного относительно истока и большего, чем напряжение сток-исток, напряжения в диэлектрике подложки возникает электрическое поле, вытягивающее электроны из участков металлизации истока и стока и направляющее их в канал в сторону стока. Электроны свободно движутся вдоль канала от истока к стоку, образуя ток стока, зависящий от напряженности электрического поля. Это и есть полевой эффект.

Рассматриваемый транзистор типа МОП имеет несколько эквивалентных названий, связанных со структурой и принципом работы, которые встречаются в литературе и каталогах: полевой транзистор, работающий на принципе обогащения носителей в канале, или транзистор с индуцированным или встроенным каналом, или транзистор типа «нормально выключенный».

Название «нормально выключенный» следует из того факта, что ток стока равен нулю при разомкнутом затворе (U_зи = 0) и возрастает при положительных напряжениях на затворе.

Существуют транзисторы типа МОП с несколько отличной структурой и другими эффектами, сопутствующими возникновению тока стока, называемые полевыми транзисторами с изолированным затвором, работающие на принципе обеднения носителей в канале, или транзисторы типа «нормально включенный». В зарубежной литературе они помимо обозначения MOS часто имеют обозначение MOST или IGFET. Название, связанное с обеднением, следует из того факта, что проводимость канала, не равная нулю для U_зи = 0, может быть уменьшена («обеднена»), когда (U_зи будет отрицательным. Положительные значения напряжения затвора увеличивают проводимость канала и ток стока.

Графически изображения обоих типов транзисторов представлены на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Условные графические изображения полевых МОП транзисторов с изолированным затвором, обогащенного типа с р-каналом с подложкой, выведенной наружу, (а) и подложкой, не выведенной наружу, (б), с n-каналом (а) и обедненного типа с р-каналом (г)

Что такое статическая характеристика МОП транзистора?

Статическая характеристика МОП транзистора представляет собой зависимость тока стока I_с от напряжения сток – исток U_сипри постоянном напряжении затвор – исток U_зи. Это выходная, или стоковая, характеристика. На рис. 4.19, а представлена такая характеристика для транзистора «нормально выключенного» типа.

Рис. 4.19. Статические выходные характеристики (стоковые) МОП транзистора типа:

_{а – «нормально выключенный»; б – «нормально включенный»}

Ток стока тем больше, чем больше напряжение между истоком и стоком, поскольку при этом увеличивается заряд свободных электронов в канале подложки. Зависимость тока стока от напряжения исток – сток U_си линейна до тех пор, пока напряжение U_си достаточно мало. Если оно сравнимо с напряжением затвор – исток и положительно, то вдоль канала наблюдается изменение электрического поля. Оно максимально вблизи истока и минимально вблизи стока. Зависимость тока стока от напряжения сток – исток становится нелинейной. При больших напряжениях U_си (U_си > U_зи) наступает насыщение тока стока. При дальнейшем росте U_си резко увеличивается ток (лавинный эффект). Это область пробоя.

Стоковая характеристика МОП-транзистора простирается также в область отрицательных напряжений между стоком и истоком, так как изменение полярности напряжения не вызывает существенных изменений в работе транзистора. Происходит это благодаря тому, что в МОП транзисторе в отличие от биполярного транзистора отсутствуют однонаправленные р-n переходы. Насыщения тока в области отрицательных U_си не наблюдается, поскольку в этом случае нет перехода через точку U_си = U_зи.

Характеристика МОП транзистора типа «нормально включенного» показана на рис. 4.19, б.

Статическая характеристика, представляющая зависимость тока стока от напряжения U_зи при напряжении U_си, взятом в качестве параметра, называется входной характеристикой (стоко-затворной характеристикой или характеристикой управления – прим. перев.). Примеры таких характеристик для транзисторов обоих типов представлены на рис. 4.20, а и б.

Рис. 4.20. Статические передаточные характеристики МОП транзистора типа:

_{а – «нормально выключенный»; б – «нормально включенный»}

Каковы структура и принцип действия полевого транзистора с р-n переходом?

Упрощенная конструкция униполярного транзистора с управляющим переходом показана на рис. 4.21. Канал n-типа охватывается кольцевой областью затвора p-типа, в результате чего между затвором и каналом образуется р-n переход. По обеим противоположным сторонам канала расположены металлические электроды истока и стока.

Рис. 4.21. Физическая структура полевого транзистора с р-n переходом (а) и его условное графическое изображение (б):

_{1 – исток (И); 2 – затвор p-типа (3); 3 – сток (С); 4 – канал n-типа}

Обычно транзистор работает с переходами, смещенными в обратном направлении. Это означает, что для конструкции, представленной на рисунке, напряжение U_з должно быть отрицательным относительно напряжений U_и и U_с. Основные носители зарядов обычно протекают от истока к стоку, поэтому напряжение U_с должно быть больше напряжения U_и. Например, U_зи = —1 В, U_си = +10 В. В канале под затвором возникает запирающий слой (рис. 4.22) р-n перехода, уменьшающий ширину канала, т. е. увеличивающий его сопротивление. Протекающий через канал ток стока зависит от площади поперечного сечения канала, не занятой запирающим слоем. Обычно затвор смещен в обратном направлении и запирающий слой расширяется (т. е. уменьшается ширина канала), если затвор становится более отрицательным. Ток стока убывает и в конце концов при напряжении затвора, когда запирающий слой захватывает весь канал, протекание тока от истока к стоку прекращается. Такое напряжение затвора называют напряжением отсечки и обозначают через U_отс (например, U_отс = —3 В).

Рис. 4.22. Запирающий слой в канале полевого транзистора с p-n переходом:

_{1 – канал; 2 – запирающие слои пространственного заряда}

Что такое статическая характеристика полевого транзистора с р-n переходом?

Выходная стоковая характеристика полевого транзистора с переходом представляет собой зависимость тока стока I_с от напряжения сток – исток U_си при выбранном в качестве параметра U_отс (рис. 4.23, а). Из рис. видно, что при постоянном напряжении U_зи ток стока с увеличением напряжения U_си возрастает сначала линейно, транзистор ведет себя как сопротивление. При дальнейшем росте напряжения U_си ток I_с возрастает нелинейно и достигает точки перегиба («колено»), причем напряжение U_cи, при котором наблюдается перегиб, равно разности напряжений U_зи – U_отс (или иначе говоря, разности модулей значений U_отс  и U_зи). Дальнейшее увеличение напряжёния U_си вызывает изменение распределения потенциала в канале и появление сильного поля в области стока, поддерживающие постоянство тока I_с независимо от дальнейшего роста напряжения U_си. Область характеристики для напряжений превышающих напряжения, соответствующие точкам перегиба, называются областью насыщения или отсечки. Наибольший ток стока достигается при U_зи = 0, т. е. при коротком замыкании между затвором и истоком. Этот ток обозначается I_{с нас}. Стоковые характеристики полевых транзисторов с р-n переходом, так же как МОП-транзисторов, смещаются в область отрицательных напряжений U_зи, однако работа транзисторов этого типа при таких условиях невозможна из-за большого тока затвора.

Входная характеристика (сток-затворная характеристика – прим. перев.) полевого транзистора с управляющим р-n переходом представляет собой зависимость тока стока от напряжения затвор-исток (рис. 4.23, б). Напряжение U_зи, при котором прекращается ток стока, определяет напряжение отсечки U_отс.

Рис. 4.23. Статические выходные (а) и передаточная (б) характеристики полевого транзистора с р-n переходом

Каковы свойства полевых транзисторов?

Важный параметр униполярных транзисторов – большое входное сопротивление. Оно является следствием протекания очень малого тока затвора, который для полевых транзисторов с р-n переходом равен от 1 до 10 мА, а для МОП транзисторов – в 1000 раз меньше.

Большое входное сопротивление допускает управление полевым транзистором по напряжению от генератора (источника), практически такой транзистор не нагружает источник, не отбирает от него мощность.

Выходное сопротивление (внутреннее сопротивление – прим. перев.) полевых транзисторов (определяется в режиме насыщения) также велико и может быть равно нескольким сотням килоом

Важным параметром полевого транзистора является крутизна или иначе проводимость прямой передачи, которая определяется как

ее значение может изменяться от нескольких миллисименсов до 1 См. Обычно крутизна полевых транзисторов меньше крутизны биполярных. Усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены относительно небольшим напряжением, подведенным между затвором и истоком и вызывающим большое изменение тока стока, а следовательно, и большое изменение падения напряжения на сопротивлении нагрузки.

В каких схемах работает полевой транзистор и какова его эквивалентная схема?

Полевой транзистор, так же как и биполярный, может работать в следующих усилительных схемах, упрощенно показанных на рис. 4.24; схема с общим истоком (ОИ) – аналог схемы ОЭ; схема с общим затвором (ОЗ) – аналог схемы ОБ, схема с общим стоком (ОС) – аналог схемы ОК.

Рис. 4.24. Схемы включения полевого транзистора:

а – с общим истоком; б – с общим затвором; в – с общим стоком

Для каждой из этих схем можно определить соответствующую эквивалентную схему. На рис. 4.25 показана упрощенная физическая модель полевого транзистора, работающего в схеме с ОИ с нагрузкой в цепи стока – резистором сопротивлением R_н. Емкость С_зи лежит обычно в пределах 3—10 пФ, а емкость С_зс еще меньше.

Рис. 4.25. Физическая модель полевого транзистора, работающего в схеме с ОИ и нагрузкой R_н

Входная емкость транзистора в схеме с ОИ выражается зависимостью

С_вх= С_зи = k·С_зс

причем коэффициент k зависит от S и R_н и он тем больше, чем больше S и R_н. Емкость эквивалентной схемы достаточно просто можно измерить либо найти в справочниках, однако в них чаще даются «четырехполюсниковые» параметры транзистора. При этом следует помнить, что имеются следующие соотношения:

С_зс = С₁₂; С_зс + С_зи = С₁₁

Параметр S можем определить из характеристик. Коэффициент усиления по напряжению в схеме с ОИ рассчитывается по формуле

K_U = ΔU_вых/ΔU_вх= – S·R_н

Знак минус обозначает переворачивание фазы на 180° в схеме с ОИ.

Чем отличаются свойства биполярных и полевых транзисторов?

Полевые транзисторы по сравнению с биполярными имеют следующие преимущества: большое входное сопротивление, малую зависимость параметров от температуры, возможность работы в диапазоне как положительных, так и отрицательных сигналов (это не относится к полевым транзисторам с р-n переходом, которые при смещении затвора в проводящем направлении дают большой ток затвора).

Полевые транзисторы по сравнению с биполярными обладают следующими недостатками: малая мощность, малое значение S; большая входная емкость, в результате чего, несмотря на большое входное сопротивление, полное входное сопротивление быстро убывает с ростом частоты. Например, R_к = 15 кОм, С_вх = 40 пФ, и тогда на частоте f = 100 кГц получим Z_вх = 1/10ω·С_вх= 40 кОм.

Что можно сказать о рабочей характеристике схемы с ОИ?

Усилитель, работающий по схеме с ОИ, представлен на рис. 4.26, а, а выходные стоковые характеристики I_c = f(U_си) для U_зи = const – на рис. 4.26, б. Можем записать следующее уравнение:

U_си = Ec – U_cR_н

причем для плоских участков характеристики I_c = f(U_си) в случае полевых транзисторов с р-n переходом и МОП-транзисторов «нормально включенных» существует зависимость

I_c = I_{c нас}·(1 – U_зи/U_отс)²

в которой I_{c нас} определяет ток насыщения стока при U_зи = 0. Для МОП транзисторов «нормально включенного» типа не существует I_{си кз}, поскольку ток «отсечен», если напряжение затвора меньше небольшого порогового значения U_пор (ток I_c выражается другой зависимостью).

Рабочую характеристику получают нанесением на семействе статических стоковых характеристик соответствующих нагрузочных прямых (рис. 4.26, б). Две точки Р₁ и Р₂ через которые проходит нагрузочная прямая для постоянного тока, определяется следующим образом:

I_c(P₁) = E_c/R_н; U_си(P₁) = 0

I_c(P₂) = 0; U_си(P₂) = E_c

При выборе рабочей точки следует учитывать, что зависимость, определяющая ток I_c, является квадратичной. Это означает возможность возникновения нелинейных искажений в результате появления, в частности, второй гармоники усиливаемого сигнала. В связи с этим рабочую точку следует выбирать таким образом, чтобы нагрузочная прямая для переменного тока полностью находилась в области плоских участков стоковых характеристик. В упрощенной схеме усилителя, представленной на рис. 4.26, а, обе нагрузочные прямые для постоянного и переменного тока налагаются друг на друга, поскольку в цепи, через которую протекает ток стока, отсутствует реактивность. Искажения увеличиваются с ростом амплитуды усиливаемого сигнала.

Рис. 4.26. Электрическая схема (а) и рабочие (нагрузочные) характеристики (б) для усилителя с полевым транзистором в схеме с ОИ:

_{1 – нагрузочная прямая для переменного тока; 2 – нагрузочная прямая для постоянного тока}

Чем следует руководствоваться при выборе рабочей точки транзистора?

При выборе рабочей точки следует учитывать несколько факторов. В общем можно сказать, что рабочая точка должна быть выбрана таким образом, чтобы при работе транзистора с предполагаемой амплитудой входного сигнала удовлетворялись следующие основные требования: нелинейные искажения должны быть минимальны; выделяющаяся в транзисторе мощность не должна превышать допустимой мощности рассеяния; напряжения и токи не должны превышать максимальных значений.

Указанные выше условия должны удовлетворяться во всем диапазоне температур, в котором будет работать транзистор, причем нельзя превышать температуру, оговоренную заводом-изготовителем. Температура влияет на параметры транзистора, ход его характеристик и положение рабочей точки.

При заданной амплитуде входного сигнала нелинейные искажения относительно невелики в том случае, если рабочая точка выбрана так, что используемый отрезок нагрузочной прямой (для переменного тока, если усиливается переменный сигнал) не проходит через область, в которой наблюдаются нелинейности характеристик.

При работе с малыми сигналами выбор положения рабочей точки не очень критичен и нелинейные искажения малы. При больших сигналах выбор рабочей точки весьма существен и часто критичен. Если нужно обеспечить работу с минимально возможными искажениями, то рабочую точку выбирают вблизи середины используемого отрезка нагрузочной прямой, причем обычно сопротивление нагрузки и напряжение питания подбирают так, чтобы этот отрезок лежал в пределах линейного участка стоковой характеристики.

Рассеиваемая в транзисторе мощность (мощность потерь) определяется как произведение тока на напряжение коллектора (стока) в рабочей точке: Р = I_к·U_к. Выделение мощности в транзисторе вызывает увеличение его температуры, что приводит к изменению параметров, а в случае превышения допустимых границ может вызвать порчу транзистора.

Примерный вид характеристик транзистора с указанием ограничений при выборе рабочей точки представлен на рис. 4.27.

Рис. 4.27. Выходные характеристики полевого транзистора с областью выбора на них рабочей точки:

_{1 – допустимая область работы; 2 – ограничение из-за нелинейности; 3 – ограничение из-за максимальной мощности потерь Рпот = Iс·Uси; 4 – ограниченно по напряжению из-за пробоя}

Как влияет температура на свойства транзистора и положение рабочей точки?

Температура транзистора значительно сильнее влияет на параметры биполярных транзисторов, чем полевых. В разной степени изменению подвержена все параметры. Особенно заметен рост коэффициента h_21э при увеличении температуры, а также рост обратных токов, например ток I_кбо для кремниевых транзисторов удваивается при повышении температуры на 6 °C.

Полевой транзистор обладает меньшей зависимостью от температуры, однако четко прослеживается убывание тока I_с при увеличении температуры.

Примерный вид характеристик биполярного транзистора для разных температур представлен на рис. 4.28.

Рис. 4.28. Характеристики биполярного транзистора при 25 и 105 °C

Зависимость параметров транзистора от температуры, а следовательно, изменение токов вызывают меньшие или большие изменения положения рабочей точки. Может случиться, что под влиянием температуры рабочая точка сместится так, что появятся сильные искажения или будет превышена максимальная мощность потерь.

Для предотвращения подобных явлений часто прибегают к использованию схем стабилизации рабочей точки.

Что такое схемы питания транзисторов?

Это схемы, обеспечивающие соответствующие постоянные напряжения на электродах транзистора, т. е. устанавливающие заранее выбранную рабочую точку, называемую статической или в состоянии покоя. Схемы питания содержат источники напряжений и цепи, через которые эти напряжения подводятся к транзистору, например цепи резистивных делителей напряжения.

Подача напряжений через делители позволяет: обеспечить на электроде транзистора требуемое напряжение при использовании источника с постоянным напряжением питания, питать все электроды данного транзистора или схемы, состоящей из ряда транзисторов, от одного общего источника, обеспечить подбор сопротивления источника, «видимого» со стороны транзистора. Обычно источник питающего напряжения имеет малое внутреннее сопротивление, которое, будучи подключено ко входу транзистора, нагружает дополнительно источник управляющего сигнала. Для предотвращения этих нежелательных явлений между источником и электродами транзистора используют резисторы.

Какие самые простые схемы питания транзисторов?

Проще всего обеспечить установку рабочей точки транзистора, т. е. подать на его электроды смещение, если соединить соответствующие электроды с источником напряжения посредством отдельных резисторов (рис. 4.29).

Рис. 4.29. Простейшие схемы питания транзистора, включенного по схеме с ОБ (а) и ОЭ (б)

Для схемы ОБ (рис. 4.29, а) для входной цепи имеем

E_э – I_э·R_э – U_эб = 0

Из этой зависимости при заданном Е_э и определенном (для выбранной рабочей точки) токе I_э можно определить сопротивление резистора R_э, необходимое для смещения перехода эмиттер – база, соответствующее рабочей точке. Для кремниевых транзисторов можно принять U_эб = 0,7 В.

Для схемы ОЭ (рис. 4.29, б) для входной цепи имеем следующую зависимость:

E_б – I_б·R_б – U_бэ = 0

Для определения сопротивления резистора R_б ток I_б определяют из характеристик транзистора для заданной рабочей точки либо из следующих соотношений:

I_б = I_к/h_21э; I_б = I_э/1 + h_21э

Можно использовать более простое решение, показанное рис. 4.30, для которого достаточно одного источника питания.

Рис. 4.30. Схема питания транзистора с ОЭ при использовании одного источника

Для схемы ОБ (рис. 4.29, а) имеём:

E_к – I_к·R_к – U_кб = 0

для схемы ОЭ (рис. 4.29, б)

E_к – I_к·R_к – U_кэ = 0