Лекция 8. Дискретные полупроводниковые приборы: униполярный
advertisement
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики ДИСКРЕТНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ УПИПОЛЯРНЫЙ (ПОЛЕВОЙ) ТРАНЗИСТОР Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Устройство и принцип действия Униполярными называются (полевыми) полупроводниковые приборы, транзисторами в которых регулирование тока производится изменением проводимости проводящего канала с помощью электрического перпендикулярного направлению тока. поля, Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Оба названия этих транзисторов достаточно точно отражают их основные особенности: • прохождение тока в канале обусловлено только одним типом зарядов; • управление током канала осуществляется при помощи электрического поля. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Электроды называются стоком ПТ, подключенные (Drain) и истоком к каналу, (Source), а управляющий электрод называется затвором (Gate). Напряжение, прикладываемое между затвором и истоком, создает поле в проводящем канале, и называется управляющим напряжением. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики В зависимости от выполнения затвора униполярные транзисторы делятся на две группы: • с изолированным затвором (ПТИЗ); • с управляющим p-n-переходом (ПТУП). Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Устройство и принцип действия ПТИЗ Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Полупроводниковый канал может быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими: • если канал обеднен носителями зарядов, а электрическое поле затвора повышает его проводимость, следовательно этот канал называется индуцированным. • если канал обогащен носителями зарядов, а электрическое поле затвора приводит к обеднению канала носителями встроенным. зарядов, то он называется Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Проводимость канала может быть электронной или дырочной: • электронная проводимость, то он называется n-каналом; • дырочная проводимость, то он называются p-каналом. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики В результате полевые транзисторы с изолированным затвором могут быть четырех типов: • канал n-типа, встроенный; • канал n-типа, индуцированный; • канал р-типа, встроенный; • канал р-типа, индуцированный. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Условные схематичные изображения изолированным затвором, канал n-типа. ПТ с Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Условные схематичные изображения изолированным затвором, канал p-типа. ПТ с Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Условное обозначение полевых транзисторов состоит из ряда букв и цифр, пример транзистор КП302А. - Первая буква указывает материал, из которого изготовлен прибор (К - кремний, А - арсенид галлия). - Вторая буква, П, указывает на принадлежность к группе полевых транзисторов. - Первая цифра указывает на допустимую рассеиваемую мощность и максимальную рабочую частоту. - Двухзначный номер – номер разработки транзистора. - Пятая буква соответствует разбраковке по параметрам. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Транзистор КП302А: К – кремниевый; П – полевой; 3 - малой мощности, высокочастотный. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Устройство полевого транзистора типа ПТУП Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики В таком транзисторе затвор выполнен в виде обратно смещенного р-n-перехода. Изменение обратного напряжения на затворе позволяет регулировать ток в канале. На рисунке приведен полевой транзистор с каналом р-типа и затвором, выполненным из областей n-типа. Увеличение обратного напряжения на затворе приводит к снижению проводимости канала, поэтому полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом работают только на обеднение канала носителями зарядов. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Условное схематическое изображение транзисторов с управляющим р-n-переходом. полевых Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Таким образом, полный набор разновидностей полевых транзисторов, имеющихся в справочной литературе, исчерпывается шестью видами. 1. ПТИЗ со встроенным n-каналом; 2. ПТИЗ с индуцированным n-каналом; 3. ПТИЗ со встроенным p-каналом; 4. ПТИЗ с индуцированным p-каналом; 5. ПТУП с n-каналом; 6. ПТУП с p-каналом. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Типовые передаточные характеристики полевых транзисторов Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Пользуясь этими установить полярность направление тока в характеристиками, управляющего канале и можно напряжения, диапазон изменения управляющего напряжения. Примечание. Из всех известных разновидностей транзисторов в настоящее время не выпускаются только ПТИЗ со встроенным каналом p-типа. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Характеристики ПТ с каналом n-типа расположены в верхней половине графика положительный ток, что и, следовательно, соответствует имеют положительному напряжению на стоке. Характеристики приборов с каналом р-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрицательное напряжение на стоке. значение тока и отрицательное Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Характеристики ПТУП при Uзи=0 имеют максимальное значение тока, которое называется начальным Iс.нач. При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки Uотс становится близким к нулю. ПТИЗ с индуцированным каналом Uзи=0 имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значения Uпор. Увеличение Uзи приводит к увеличению тока стока. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики ПТИЗ со встроенным каналом Uзи=0 имеют начальное значение тока. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении Uзи канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении Uзи канал обедняется и ток стока снижается. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Выходные ВАХ ПТУП с каналом n-типа Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики На выходных ВАХ можно выделить две области: • линейная область; • область насыщения. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики В линейной области ВАХ вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения ВАХ идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока от напряжения на стоке. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Особенности этих характеристик обуславливают применение полевых транзисторов: • в линейной области ПТ используется как сопротивление; • в области насыщения – как усилительный элемент. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Линейная область. В линейной области ток стока полевого транзистора определяется уравнением: ic 2k U п u зи uси uси 2 2 где k - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора, Uп - пороговое напряжение (или напряжение отсечки), uзи - напряжение между затвором и истоком, uси напряжение между стоком и истоком. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики На начальном участке линейной области (до перегиба) можно при малом значении напряжения на стоке воспользоваться упрощенным выражением, полагая uси 0 . ic 2k U п u зи uси Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Сопротивление канала в линейной области определяется выражением: uси 1 Rc iс 2k U п u зи Из выражения следует, что при uзи=0 сопротивление канала будет минимальным. Если напряжение на затворе стремится к пороговому значению uзиUпор, сопротивление канала возрастает до бесконечности Rc. то Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики График зависимости сопротивления управляющего напряжения на затворе канала от Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики При приближении к точке перегиба ВАХ сопротивление канала начинает увеличиваться, так как сказывается второй член в выражении (для ic). В этом случае можно определить дифференциальную проводимость канала, пользуясь формулой (для ic): dic gc 2k u зи U п uси duси Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики В результате получаем значение дифференциального сопротивления канала rc.диф 1 2k u зи U п uси Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Основное применение ПТ в линейной области определяется их способностью изменять сопротивление при изменении напряжения на затворе. Сопротивление для мощных ПТИЗ достигает долей Ома (0,5... 2,0 Ом), что позволяет использовать их в качестве замкнутого ключа. Если напряжение на затворе сделать равным пороговому значению (или больше его), то сопротивление канала транзистора разомкнутому ключу. увеличивается, что соответствует Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Таким образом, ПТ можно использовать как ключ, управляемый напряжением на затворе. Такой ключ способен пропускать достаточно большой ток (до 10 А и выше). Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Схема замещения полевого транзистора работающего в режиме ключа. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Область насыщения. В области насыщения ток стока полевого транзистора определяется уравнением: ic k U п u зи 2 из которого следует его полная независимость от напряжения на стоке. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Используя предыдущее уравнение можно начальный ток стока при условие, что uзи=0: ic.нач kU п 2 найти Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Значение коэффициента k (постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора) можно установить экспериментально, измерив начальный ток стока ic.нач и пороговое напряжение Uп (или напряжение отсечки Uотс). ic.нач k 2 Uп Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Поскольку ПТ в области насыщения используются в основном как усилительные приборы, то для оценки их усилительных свойств найдем значение крутизны (S) ВАХ: dic S 2k U п u зи duзи Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Из уравнения следует, что максимальное значение S имеет при uзи=0. Используя максимальное значение крутизны Smax=2kUп уравнение (для S) можно записать в виде: S Smax 1 U зи Uп Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Схему замещения ПТ для области насыщения можно представить в виде источника ic, управляемого напряжением на затворе Uзи. При этом для большого сигнала нужно пользоваться уравнением (для ic), а для малого сигнала, используя уравнение (для S), получим ic SU зи где крутизну S в выбранной рабочей точке можно считать величиной постоянной и не зависящей от напряжения на затворе. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Схема замещения полевого транзистора В этой схеме цепь затвора представлена как разомкнутая, поскольку ток затвора очень мал и его можно не учитывать. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Усилительный каскада на полевом транзисторе Заменив полевой транзистор его эквивалентной схемой, получим схему замещения усилительного каскада. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Схема замещения усилительного каскада на ПТ Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики для которой можно найти напряжение на нагрузке U н ic Rн U зи SRн U зи U c откуда Uн Ky SRн Uc Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Уточненная схема замещения ПТ для малых сигналов Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Этой схеме замещения соответствуют уравнения, которые называют уравнениями ПТ в y-параметрах: iз y11 u зи y12 uси iс y21 u зи y22 uси Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Физический смысл параметров. При коротком замыкании на выходе (Uc=0) находим два параметра: y11 iз u зи y21 ic u зи Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики При коротком замыкании на входе (Uзи=0) находим два других параметра: y12 iз ucи y22 ic ucи Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Из уравнений следует, что: • y11 – является проводимостью утечки затвора ПТ: • y22 – выходная проводимость ПТ; • y12 – проводимость обратной передачи и учитывает влияние напряжения на стоке на ток затвора; • y21=S – это крутизна ПТ (или проводимость прямой передачи). Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики В справочниках по ПТ обычно приводятся не все, а только некоторые из рассмотренных характеристик. Всегда приводится значение крутизны ВАХ S. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Динамические характеристики полевых транзисторов Динамические описывают их характеристики поведение в (усилительном) режимах работы. ПТ ключевом по-разному и линейном Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики 1. В усилительном режиме ПТ обычно работает при малом уровне сигнала и, соответственно, рассматриваются его малосигнальные схемы замещения, по которым определяют частотные зависимости токов и напряжений. 2. В ключевом режиме более существенными являются времена включения и выключения транзистора, максимальная частота его коммутации и искажения фронтов импульсов. Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Схема замещения ПТ для малых сигналов на высокой частоте Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Если пренебречь сопротивлениями контактов небольшими стока и истока, объемными а также утечками с затвора на канал, то комплексные проводимости схемы замещения будут иметь значения: y11 yвх j (C зс С зи ) y12 jCзс y22 yвых g си jC зс y21 S jC зс Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Из этих соотношений следует: с повышением частоты уменьшается входное сопротивление 1/yвх полевого транзистора и сопротивление обратной связи со стока на затвор 1/y12. В результате возрастает ёмкостной ток с затвора на канал и напряжение на затворе уменьшается. При этом снижается усиление транзистора на высокой частоте. S Smax 1 UUзип Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Отметим. Многие из параметров схемы замещения ПТ зависят от режима его работы, т.е. от постоянных напряжений на его электродах. Пример. Крутизна S зависит от напряжения на затворе Uзи. S Smax 1 U зи Uп Для транзисторов с p-n-переходом ёмкости затвора Сзи и Сзс являются барьерными и с увеличением обратного напряжения на затворе уменьшаются. S Smax 1 UUзип Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Переходные процессы при ключевом режиме работы рассмотрим на примере процессов включения и выключения ПТ с индуцированным каналом n-типа, пользуясь схемой: S Smax 1 UUзип Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Для переключения ПТ на его затвор подается прямоугольный импульс напряжения Uвх. При использована рассмотрении упрощенная рассмотренная нами ранее. переходных модель процессов транзистора, S Smax 1 UUзип Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики S Smax 1 UUзип Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Происходит заряд Сзи через сопротивление источника сигнала Rи. Заряд Сзи до напряжение Uпор, ic=0 и Uси=Ес. Когда Сзи зарядится до Uпор, ПТ некоторое время будет находиться в области насыщения, а Ky=SRн. В этом случае входная емкость транзистора резко увеличится и будет равна Cвх Cзи (1 K )Cзс S Smax 1 UUзип Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Скорость нарастания U на затворе ПТ уменьшается обратно пропорционально увеличению емкости Свх. По мере увеличения U на Свх будет постепенно нарастать ic и уменьшаться uси. Таким образом, процесс заряда емкости Свх будет продолжаться до тех пор, пока Uси не уменьшится до значения, при котором транзистор окажется в линейной области и потеряет усилительные свойства. При этом входная емкость станет равной Сзи и скорость ее заряда резко увеличится. В результате в конце процесса включения транзистора на затворе будет напряжение U0. S Smax 1 UUзип Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Отметим. В результате процесса включения выходной импульс тока стока задерживается относительно поступления импульса управления на время tзад.вкл, а его фронт растягивается на время tвкл. Аналогичный процесс происходит при выключении транзистора: имеется время задержки выключения tзад.выкл, время выключения tвыкл, в течение которого спадает импульс тока стока, и время установления исходного состояния.
