Устройство и принцип действия униполярного транзистора

Униполяными, или полевыми, транзисторами наз. полупроводниковые приборы, в которых регулирование тока производится изменением проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока. Оба названия этих транзисторов достаточно точно отражают их основные особенности: прохождение тока в канале обусловлено только одним типом зарядов, и управление током канала осуществяется при помощи электрического поля. Электроды, подключенные к каналу, наз стоком (Drain) и истоком (Source), а управляющий электрод наз затвором (Gate). Напряжение управления, которое создает поле в канале, прикладывается между затвором и истоком. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ). В полевых транзисторах с изолированным затвором электрод затвора изолирован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика из двуокиси кремния SiO₂. Электроды стока и истока располагаются по обе стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. Ток утечки затвора пренебрежительно мал даже при повышенных температурах. Полупроводниковый канал может быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими. При обедненном канале электрическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал наз индуцированным. Если канал обогащен носителями, то он наз встроенным. Электрическое поле затвора в этом случае приводит к обеднению канала носителями зарядов. Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то он наз n-каналом. Каналы с дырочной проводимостью наз p-каналами. В результате полевые транзисторы с изолированным затвором могут быть четырех типов: с каналом n- или p-типов, каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал. Условные схематичные изображения этих типов транзисторов приведены на. Графическое обозначение транзисторов содержит максимальную информацию о его устройстве. Канал транзистора изображается вертикально штриховой (индуцированный) или сплошной (встроенный) линией. Исток и сток действуют как невыпрямляющие контакты, поэтому изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление которой указывает тип проводимости канала. Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу. Вывод затвора обращен к электроду истока. Условное обозначение полевых транзисторов состоит из ряда букв и цифр. 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 указывает на допустимую рассеиваемую мощность и максимальную рабочую частоту. Далее идет двухзначный номер разработки транзистора. Пятая буква соответствует разбраковке по параметрам. Например, транзистор КП302А – кремниевый, полевой, малой мощности, высокочастотный.

2.Основные режимы работы транзисторов. Отсечка. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным режимом в этом случае является выполнение условия u_бэ = 0. В режиме отсечки транзистор можно заменить разомкнутым ключом. В соответствии с этой схемой замещения транзистор в режиме отсечки имеет некоторое достаточно большое сопротивление R₀ и параллельно включенный ему генератор небольшого тока утечки I_ут ≈ I_кб.0. На ВАХ транзистора режиму отсечки соответствует горизонтальная линия при i_б = 0. В справочных данных на транзисторы для режима отсечки обычно приводится обратный ток коллектор – эмиттер I_кэR при заданном напряжении на коллекторе и при заданном сопротивлении R, включенном между базой и эмиттером. Таким образом, два ключевых режима транзистора – режимы насыщения и отсечки – позволяют использовать транзистор как замкнутый или разомкнутый ключ S. Транзисторные ключи находят широкое применение в различных электронных устройствах: измерительных усилителях для коммутации сигналов, в силовых преобразователях частоты и др. Во всех этих применениях транзистор попеременно переводится из режима насыщения в режим отсечки и обратно. В связи с этим очень важным является скорость переключения такого ключа, которая обычно характеризуется временем переключения или максимальной частотой коммутации.

3.Устройство полевого транзистора с управляющим р-п переходом.

В таком транзисторе затвор выполнен в виде обратно смещенного p-n-перехода. Изменение обратного напряжения на затворе позволяет регулировать ток в канале. 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. Условное схематическое изображение полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом. Поскольку ПТУП могут работать только с обеднением канала, то наличие встроенного канала показано на этом изображении сплошной линией, которая имеет контакты с электродами стока и истока. Направление стрелки на выводе затвора указывает на тип проводимости канала. Таким образом, полный набор разновидностей полевых транзисторов, имеющихся в справочной литературе, исчерпывается шестью разновидностями. Из всех приведенных разновидностей транзисторов в настоящее время не выпускаются только ПТИЗ со встроенным каналом p-типа.

4.Динамические характеристики биполярного транзистора. Динамические характеристики транзистора по-разному описывают его поведение в линейном или ключевых режимах. Для ключевых режимов очень важным является время переключения транзистора из одного состояния в другое. В то же время для усилительного режима транзистора более важным являются его свойства, которые показывают возможность транзистора усиливать сигналы различных частот. При включении транзистора в его базу подается прямоугольный импульс тока с крутым фронтоном. Ток коллектора достигает установившегося значения не сразу после подачи тока в базу. Имеется некоторое время задержки t_зад, спустя которое появляется ток в коллекторе. Затем ток в коллекторе плавно нарастает и после времени t_нар достигает установившегося значения I_к.вкл, таким образом . При выключении транзистора на его базу подается обратное напряжение, в результате чего ток базы меняет свое направление и становится равным I_б.вык. Пока происходит рассасывание неосновных носителей заряда на базе, этот ток не меняет своего значения. Это время называется временем рассасывания t_рас. После окончания процесса рассасывания происходит спад тока базы, который продолжается в течение времени t_сп. Таким образом, время выключения транзистора равно Следует особо отметить, что при выключении транзистора, несмотря на изменение направления тока базы, транзистор в течение времени t_рас остается включенным и коллекторный ток не меняет своего значения. Спад тока коллектора начинается одновременно со спадом тока базы и заканчиваются они практически одновременно. Время рассасывания сильно зависит от степени насыщения транзистора перед его выключением. Минимальное время выключения получается при граничном режиме насыщения. Для ускорения процесса рассасывания в базу пропускают обратный ток, который зависит от обратного напряжения на базе. Однако прикладывать к базе большое обратное напряжение нельзя, т.к. может произойти пробой перехода база-эмиттер. Максимальное обратное напряжение на базе обычно не превышает 5…7 В. Если к базе транзистора в процессе запирания не прикладывается обратное напряжение (например, база замыкается на эмиттер), то такое запирание транзистора наз пассивным. При пассивном запирании время рассасывания значительно увеличивается, а обратный ток базы уменьшается. Форма тока коллектора при подаче в базу прямоугольного импульса тока коллектора не только изменяется за счет растягивания длительности фронтов, но и сам импульс увеличивается по длительности на время t_рас. В справочных данных обычно приводят времена включения, спада и рассасывания. Для наиболее быстрых транзисторов время рассасывания имеет значение 0,1…0,5 мкс, однако для многих силовых транзисторов оно достигает 10 мкс.

5.Вольтамперные характеристики ПТИЗ; 7. ВАХ ПТУП.

Все характеристики полевых транзисторов с каналом n-типа расположены в верхней половине графика и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительному напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом p-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрицательное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. Характеристики ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое наз I_c.нач. При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки U_отс становится близким к нулю. Характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значения U_пор. Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока. Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока I_c.нач. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напряжений. На этих ВАХ можно выделить две области: линейную и насыщения. 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. В этой области выходные характеристики полевых транзисторов всех типов сходны с характеристиками электровакуумных пентодов. Особенности этих характеристик обуславливают применение полевых транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения – как усилительный элемент.