Лекция №4

Полевые транзисторы.

Полевым транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором ток создают основные носители заряда под действием продольного электрического поля, а управление величиной тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемого напряжением, приложенным к управляющему электроду.

По конструктивным особенностям ПТ делятся:

1). на канальные (с p-n переходами);

2). с изолированным затвором (МДП или МОП).

Условные обозначения канальных транзисторов.

 

с каналом п – типа

с каналом р – типа

Рис. 1.

 

Конструктивно полевой-канальный транзистор выполнен в виде тонкого слоя полупроводника типа n или p , который ограничен с двух сторон электронно-дырочными переходами.

 

канал п – типа

Рис. 2.

 

Включение в электрическую цепь осуществляется с помощью двух электродов И и С.

Вывод подсоединенный к областям P называется затвором (3).

Выводы И, С, З, соответствуют Э, К,Б, в биполярных транзисторах.

Величина тока в канале зависит от напряжения UCИ, нагрузочного сопротивления, и сопротивления полупроводниковой пластины.

При постоянных зависит только от поперечного сечения канала.

Сечение канала зависит от величины напряжения на затворе .

Увеличение отрицательного напряжения на затворе приводит к уменьшению поперечного сечения канала, и в итоге к уменьшению тока .

Уменьшение отрицательного напряжения на затворе увеличивает поперечное сечение канала и в итоге увеличивает ток .

Подключив последовательно с источник сигнала можно изменять ток через канал по закону изменения входного сигнала. Ток протекая через сопротивление создает на нем падение напряжения, изменяющееся по закону .

Полевые транзисторы МОП или МДП имеют структуру: металл – диэлектрик (окисел) – полупроводник. Принцип работы основан на эффекте поля в поверхностном слое полупроводника.

 

канал п – типа кремний р –типа

Рис. 3.

 

Основой прибора служит пластина (подложка) монокристаллического кремния р-типа. Области стока и истока представляют собой участки кремния, сильно легированные примесью типа –n . Затвором служит металлическая пластина, изолированная от канала слоем диэлектрика 0,1 мКм. (Можно использовать и пленку двуокиса кремния).

В зависимости от полярности напряжения на затворе канал может обедняться или обогащаться носителями зарядов. Положительное напряжение на затворе способствует втягиванию электронов из подложки в канал. В отличии от канального транзистора МДП и МОП могут работать при положительном и отрицательном напряжениях на затворе.

Условные обозначения тр-ров МДП и МОП

 

С встроенным каналом индивидуальным каналом

п – типа

п – типа

п – типа

р – типа

Рис. 4. Рис. 5.

Схемы включения полевых транзисторов.

 

Схема с общим стоком

Схема с общим стоком

Схема с общим затвором

Рис. 6. Рис. 7. Рис. 8.

Статистические характеристики полевых транзисторов.

Различают выходные (стоковые) вольтамперные характеристики полевых транзисторов .

 

Рис. 9.

 

При ; ток растет почти линейно. Однако с возрастанием тока увеличивается падение напряжения на канале, повышается обратное смещение для p-n переходов, что ведет к сужению канала и замедляет рост тока напряжение при котором происходит насыщение наз. Напряжения

 

Зависимость получила название стокозатворной характеристики.

 

Рис. 10.

 

Основные параметры полевых транзисторов.

Основными параметрами полевых транзисторов являются:

1). Крутизна характеристики.

.

Характеризует усилительные свойства тр-ра.

2). Дифференциальное сопротивление

;

3). Статистический коэффициент усиления

;

 

4). Входное сопротивление

.

 

 

Четырехслойные полупроводниковые приборы (тиристоры).

Тиристоры относятся к классу 4х слойных полупроводниковых приборов состоящих из четырех последовательно чередующихся областей с проводимостью p и n –типа.

Диодный тиристор - имеет вывод от двух крайних областей

 

управляющий электрод

Симметричный тиристор

Рис. 11.

 

Триодный тиристор в отличие от динистора имеет еще и управляющий электрод.

В этих структурах крайние электронно-дырочные переходы называются эмиттерами, средний переход - коллекторным. Внутренние области n-p

называются базами. Электрод связанный с внешней р- областью называется Анодом , а с n-областью катодом. Из схемы включения динистора видно, что коллекторный переход заперт обратным напряжением источника Е.

Типовая вольт-амперная характеристика динистора приведена на рисунке.

 

Рис. 12.

 

Для области Оа характерно то, что значительный рост напряжения сопровождается малым ростом тока.

Область аб – область лавинного пробоя. Участок бв – область отрицательного сопротивления, на котором рост тока сопровождается уменьшением напряжения.

Динистор характеризуется 2 устойчивыми состояниями ( Оа и вг) наличие которых позволяет использовать прибор в качестве мощного переключающего элемента в различных устройствах автоматики.

Для анализа работы тиристоров представим его в виде двух транзисторов.

Причем:

 

Рис. 13.

 

При увеличении Э.Д.С. источника инжектированные одним из эмиттеров основные носители зарядов пересекают область , где они не являются основными частично рекомбинировая в ней.

Нерекомбинировавшиеся носители проходят через коллекторный переход и, оказавшись в области, для которой они являются основными т.е. в слое базы сопряженного транзистора, понижают высоту потенциального барьера, способствуя инжектированию зарядов из второго эмиттера, что ведет к увеличению общего тока прибора.

Переход структуры p-n-p-n из непроводящего состояния в проводящее можно вызвать не только внешним напряжением, но и увеличением напряжения в одном из эквивалентных транзисторов. Для этого в тиристоре от одной из баз делают вывод (управляющий электрод). Меняя ток управляющего электрода можно регулировать напряжение переключения, а следовательно управлять работой прибора.

 

Рис. 14.

 

Основные параметры:

1). Напряжение вкл. - напряжение при котором ток через прибор начинает резко возрастать.

2). Ток включения- ток при приложении напряжения включения.

3). Удерживающий ток – минимальный ток необходимый для удержа6ния тиристора в откр. Состоянии.

4). Напр. в открытом состоянии.

5). Ток в закрытом состоянии.

6). Пост. отпир. Ток УЭ- минимальный тоу УЭ, который по рекл. тиристор.

 

Однопереходный транзистор (двухбвзовый диод).

 

Однопереходный транзистор представляет собой монокристалическую пластинку кремния n-типа с высоким значением удельного сопротивления, на кондах которой расположены омические контакты Б1 и Б2, а на боковой стороне – один эмиттерный переход (рис1).

Участки кристалла длинной и ( ) выполняют роль базы.

Эмиттерный контакт связан с внешним выводом эмиттера Э.

Рис. 15

Схема включения однопереходноготранзистора показана на рис.2. К выводам баз Б1 и Б2 подключают напряжение питания U_{Б1 Б2}, причем Б2 имеет положительный потенциал относительно Б1. Под действием этого напряжения в кремневой пластинке возникает ток I_{Б1 Б2}.

Участок между базами Б1 и Б2 однопереходного транзистора представляет собой омическое сопротивление в несколько КОМ с линейной вольт амперной характеристикой. Поэтому напряжение U_{Б1 Б2} распределяется по базам пропорционально их сопротивлениям. Эти напряжения соответственно равны U_ЭБ1 и U_ЭБ1. Полярность напряжения U_Б1 такова, что в исходном состоянии эмиттерный переход будет смещен в обратном направлении и через него пройдет только небольшой обратный ток I_ЭБ0.

 

Рис. 16

 

Это же состояние сохранится при подаче на эмитттер отрицательного напряжения U_Э или положительного, но не превышающего величину U_ЭБ1. Если же напряжение U_Э превысит напряжение U_ЭБ1 на величину, достаточную для отпирания перехода (точка АНА рис.3.), то в кремнивую пластинку будут инжектироваться дырки. Под действием напряжения U_{Б1 Б2} дырки будут двигаться к выводу Б1, образуя эмиттерный ток, что приведет к увеличению проводимости на участке . В результате внутреннее напряжение U_Б1 уменьшится, что приведет к дальнейшему росту I_Э. Этот процесс будет протекать лавинообразно. С ростом эмиттерного тока, сопротивление эмиттерного перехода снижается, а напряжение U_Э уменьшается.

 

Рис. 17

 

Благодаря простоте конструкции, стабильному напряжению срабатывания, малому потреблению тока в цепи управления хорошей повторяемости параметров от образца к образцу, возможности передачи мощных импульсов, однопереходные транзисторы с успехом используют в разнообразных импульсных схемах.

Фототранзисторы.

Фототранзистор представляет собой фото гальванический приемник излучения, фоточувствительный элемент которого содержит структуру транзистора, обеспечивающую внутреннее усиление. Конструктивно фото транзистор выполнен так, чтобы световой поток воздействовал на базовую область. Обычно фото транзистор включается по схеме с общим эмиттером и при отсутствии освещения через него протекает темновой ток I_КЭ0. При освещение базы в ней происходит генерация дополнительных пар электрон-дырка. Дырки являясь неосновными носителями зарядов в базе диффундируют к коллекторному переходу и втягиваются полем в коллектор, образуя первую составляющую фототока I_ф1.