H – параметры транзистора

При определении переменных составляющих токов и напряжений (т. е. при анализе на переменном токе) и при условии, что транзистор работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного четырехполюсника (рис. 3.8). В четырехполюснике условно изображен транзистор с общим эмиттером.

Рис. 3.8. Транзистор в виде четырехполюсника

Для разных схем включения транзистора токи и напряжения этого четырехполюсника обозначают различные токи и напряжения транзистора. Например, для схемы с общим эмиттером эти токи и напряжения следующие:

i₁ – переменная составляющая тока базы;

u₁ – переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером;

i₂ – переменная составляющая тока коллектора;

u₂ – переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером.

Транзистор удобно описывать, используя так называемые h-параметры.

Входное сопротивление транзистора для переменного сигнала (при закороченном выходе: u₂ =0):

.

Аналогично

- коэффициент обратной связи по напряжению.

Режим работы при i₁ =0 называют холостым ходом на входе.

Далее

- коэффициент передачи тока,

- выходная проводимость.

При этом

,

т. е.

Коэффициенты h_ij определяются опытным путем. Параметры, соответствующие схеме с общим эмиттером, обозначаются буквой «э», а схеме с общей базой – буквой «б».

Полевые транзисторы

Полевой транзистор является очень широко используемым активным (т. е. способным усиливать сигналы) полупроводниковым прибором. Впервые он был предложен в 1930 году.

Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током).

Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвуют только основные носители.

Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором.

Устройство полевого транзистора. Схематическое изображение структуры полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p -типа приведено на рис 4.1, а условное графическое обозначение этого транзистора – на рис. 4.2, а. Стрелка указывает направление от слоя p к слою n (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть меньше 1 мкм.

Рис. 4.1. Структура полевого транзистора

Рис. 4.2. Графическое изображение полевого транзистора:

а) с управляющим переходом и каналом p-типа;

б) с управляющим p-n –переходом и каналом n-типа

Удельное сопротивление слоя n (затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя p (канала), поэтому область p-n– перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое p.

Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим p-n– переходом и каналом n– типа. Его условное графическое обозначение представлено на рис. 4.2, б.

Схемы включения транзистора. Для полевого транзистора, как и для биполярного, выделяют три схемы включения. Для полевого транзистора это схемы с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используют схемы с общим истоком (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Схема включения полевого транзистора с общим истоком (ОИ)

Так как в рабочем режиме , а , входными характеристиками обычно не пользуются. Например, для транзистора КП103Л для тока утечки затвора I_з.ут при t <85°C выполняется условие .

Выходные (стоковые) характеристики. Выходной характеристикой называют зависимость вида

,

где f – некоторая функция.

Полевой транзистор характеризуется следующими предельными параметрами (смысл которых понятен из обозначений): U_{ис.макс}, U_{зс.макс}, Р_макс.

Для транзистора КП103Л U_{ис.макс} =10 В, U_{зс.макс} =15 В, Р_макс =120 мВт (все при t =85°С).

Стокозатворные характеристики (характеристики передачи, передаточные, переходные, проходные характеристики). Стокозатворной характеристикой называют зависимость вида

const,

где f – некоторая функция.

Такие характеристики не дают принципиально новой информации по сравнению с выходными, но иногда более удобны для использования. Для некоторых транзисторов задается максимальное (по модулю) допустимое отрицательное напряжение u_зи, например, для транзистора 2П103Д это напряжение не должно быть по модулю больше чем 0,5 В.

Параметры, характеризующие свойства транзистора усиливать напряжение.

Крутизна стокозатворной характеристики S (крутизна характеристики полевого транзистора):

.

Обычно задается u_зи =0. При этом для транзисторов рассматривается крутизна максимальная Для КП103Л S=1,8…3,8 мА / В при u_ис =0, t =20°C.

Внутреннее дифференциальное сопротивление R_ис.диф (внутреннее сопротивление) определяется выражением:

.

Для КП103Л при u_ис =10 В, u_зи =0.

Коэффициент усиления

.

Можно отметить, что

.

Для КП103Л при S =2 мА / В и R_ис.диф =25 кОм М=2 (мА / В)·25 кОм =50.

Принципы управления параметрами электронного активного элемента, заложенные в полевых транзисторах, могут быть реализованы в более сложных электронных устройствах. К таким устройствам можно отнести ячейку памяти на основе полевого транзистора с изолированным затвором (флэш-память). Устройства флэш-памяти являются современными быстродействующими программируемыми постоянными запоминающими устройствами (ППЗУ) с электрической записью и электрическим стиранием информации (ЭСП-ПЗУ). Эти устройства являются энергонезависимыми, так как информация не стирается при отключении питания, выдерживают не менее 100 000 циклов записи/стирания.

Одной из разновидностей приборов, реализующих принципы полевых транзисторов, являются полупроводниковые приборы с зарядовой связью (ПЗС). Приборы с зарядовой связью используются:

· в запоминающих устройствах ЭВМ;

· в устройствах преобразования световых (оптических) сигналов в электрические.

Тиристоры

Тиристорами называют полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми режимами работы (включен, выключен), имеющие три или более p-n– переходов.

Тиристор по принципу действия – прибор ключевого типа. Во включенном состоянии он подобен замкнутому ключу, а в выключенном – разомкнутому ключу. Те тиристоры, которые не имеют специальных электродов для подачи сигналов с целью изменения состояния, а имеют только два силовых электрода (анод и катод), называют неуправляемыми, или диодными, тиристорами (динисторами). Приборы с управляющими электродами называют управляемыми тиристорами, или просто тиристорами.

Тиристоры являются основными элементами в силовых устройствах электроники, которые называют также устройствами преобразовательной техники (управляемые выпрямители, инверторы и т. п.).

Существует большое количество различных тиристоров. Наиболее часто используют незапираемые тиристоры с тремя выводами, управляемые по катоду. Такие тиристоры содержат два силовых и один управляющий электрод и проводят ток только в одном направлении.

Упрощенное изображение структуры тиристора представлено на рис. 5.1, а его условное графическое обозначение – на рис. 5.2.

Обратимся к простейшей схеме с тиристором (рис. 5.3), где использованы следующие обозначения:

· i_a – ток анода (силовой ток в цепи анод-катод тиристора);

· u_ak – напряжение между анодом и катодом;

· i_y – ток управляющего электрода (в реальных схемах используют импульсы тока);

· u_yk – напряжение между управляющим электродом и катодом;

· u_пит – напряжение питания.

·

·

Рис. 5.1. Структурная схема тиристора

Рис. 5.2. Графическое изображение тиристора

Рис. 5.3. Схема управления с применением тиристора

Предположим, что напряжение питания меньше так называемого напряжения переключения U_пер (u_пит < U_пер) и что после подключения источника питания импульс управления на тиристор не подавался. Тогда тиристор будет находиться в закрытом (выключенном) состоянии. При этом ток тиристора будет малым (i_a =0) и будут выполняться соотношения , (нагрузка отключена от источника питания).

Если предположить, что выполняется соотношение u_пит > U_пер или что после подключения источника питания (даже при выполнении условия u_пит < U_пер) был подан импульс управления достаточной величины, то тиристор будет находиться в открытом (включенном) состоянии. При этом для всех трёх переходов будут выполняться соотношения , , (т. е. нагрузка оказалась подключенной к источнику питания).

Существуют тиристоры, для которых напряжение U_пер больше 1 кВ, а максимально допустимый ток i_a больше, чем 1 кА.

Характерной особенностью рассматриваемого незапираемого тиристора, который очень широко используется на практике, является то, что его нельзя выключить с помощью тока управления.

Для выключения тиристора на практике не него подают обратное напряжение u_ак <0 и поддерживают это напряжение в течение времени, большего так называемого времени выключения t_выкл. Оно обычно составляет единицы или десятки микросекунд. За это время избыточные заряды в слоях n₁ и p₂ исчезают. Для выключения тиристора напряжение источника питания u_пит в приведенной выше схеме (см. рис. 5.3) должно изменить полярность.

После указанной выдержки времени на тиристор вновь можно подавать прямое напряжение (u_ак >0), и он будет выключенным до подачи импульса управления.

Существуют и широко используются так называемые симметричные тиристоры (симисторы, триаки). Каждый симистор подобен паре рассмотренных тиристоров, включенных встречно-параллельно (рис. 5.4). Условное графическое обозначение симистора показано на рис. 5.5.

Рис. 5.4 Рис. 5.5