1.3. Транзисторы

Транзистор (англ. transistor), полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора – изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.

Классификация транзисторов

1. По основному полупроводниковому материалу
2. С кремния,
3. С германия,
4. С арсенида,
5. С галлия.
6. По структуре
7. Биполярные n-p-n структуры, «обратной проводимости»; p-n-p структуры, «прямой проводимости».
8. Полевые с p-n переходом; с изолированным затвором–МДП-транзистор.
9. По мощности
10. Маломощные транзисторы до 100мВт.
11. Транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт.
12. Мощные транзисторы (больше 1 Вт).
13. По исполнению
14. Дискретные транзисторы.
15. Корпусные.
16. Для свободного монтажа.
17. Для установки на радиатор.
18. Для автоматизированных систем пайки.
19. бескорпусные.
20. Транзисторы в составе интегральных схем.
21. По материалу и конструкции корпуса
22. Металлостеклянный.
23. Металлокерамический.
24. Пластмассовый.

 

1.3.1 Биполярный транзистор

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора, имеет 3 вывода (эмиттер, коллектор и базу). Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы.

В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора, используются заряды одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»).

На рисунке 1.3.1.1 Представлена структурная схема и УГО биполярного транзистора типа n-p-n и p-n-p.

Рисунок 1.3.1.1 структурная схема и УГО биполярного транзистора
типа n-p-n и p-n-p.

 

База — это управляющий вывод;

Коллектор — находится под положительным потенциалом (для n-p-n транзистора);

Эмиттер — находится под отрицательным потенциалом (для n-p-n транзистора).

Режимы работы биполярного транзистора

1. Нормальный активный режим (рисунок 1.3.1.2)

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт)

U_ЭБ>0; U_КБ<0 (для транзистора p-n-p типа);

U_ЭБ<0; U_КБ>0 (для транзистора n-p-n типа).

Рисунок 1.3.1.2 Нормальный активный режим

2. Режим насыщения (рисунок 1.3.1.3)

Оба p-n-перехода смещены в прямом направлении (оба открыты) Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения.

Рисунок 1.3.1.3 Режим насыщения

3. Режим отсечки (рисунок 1.3.1.4)

В данном режиме коллекторный p-n-переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера.

Рисунок 1.3.1.4 Режим отсечки

Схемы включения биполярного транзистора

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

• Коэффициент усиления по току I_вых/I_вх.
• Входное сопротивление R_вх=U_вх/I_вх.

В большинстве электрических схем транзистор используется в качестве четырехполюсника, то есть устройства, имеющего два входных и два выходных вывода. Очевидно, что, поскольку транзистор имеет только три вывода, для его использования в качестве четырехполюсника необходимо один из выводов транзистора сделать общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора: схемы с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором(ОК).

На рисунке 1.3.1.5 (см. стр. 33) показаны полярности напряжений между электродами и направления токов, соответствующие активному режиму в указанных схемах включения транзистора. Следует отметить, что токи транзистора обозначаются одним индексом, соответствующим названию электрода, во внешней цепи которого протекает данный ток, а напряжения между электродами обозначаются двумя индексами, причем вторым указывается индекс, соответствующий названию общего электрода.

Рисунок 1.3.1.5 Схемы включения биполярного транзистора

а) ОБ; б)ОЭ; в)ОК

В схеме с общей базой (см. рисунок 1.3.1.5, а) входной цепью является цепь эмиттера, а выходной-цепь коллектора. Схема ОБ наиболее проста для анализа, поскольку в ней каждое из внешних напряжений прикладывается к конкретному переходу: напряжение U_ЭБ прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение U_КБ–к коллекторному. Следует заметить, что падениями напряжений на областях эмиттера, базы и коллектора можно в первом приближении пренебречь, поскольку сопротивления этих областей значительно меньше сопротивлений переходов. Нетрудно убедиться, что приведенные на рисунке полярности напряжений (U_ЭБ<0; U_КБ>0) обеспечивают открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного перехода, что соответствует активному режиму работы транзистора.

В схеме с общим эмиттером (см. рисунок 1.3.1.5, б) входной цепью является цепь базы, а выходной - цепь коллектора. В схеме ОЭ напряжение U_БЭ>0 прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу и отпирает его. Напряжение U_КЭ распределяется между обоими переходами: U_КЭ=U_КБ+U_БЭ. Для того, чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо U_КБ=U_КЭ–U_БЭ>0, что обеспечивается при U_КЭ>U_БЭ>0.

В схеме с общим коллектором (см. рисунок 1.3.1.5, в) входной цепью является цепь базы, а выходной–цепь эмиттера.

Основные параметры.

• Коэффициент передачи по току.
• Входное сопротивление.
• Выходная проводимость.
• Обратный ток коллектор-эмиттер.
• Время включения.
• Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
• Обратный ток коллектора.
• Максимально допустимый ток.
• Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

• коэффициент усиления по току α;
• сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току r_э, r_к, r_б, которые представляют собой:

r_э — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;

r_к — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;

r_б — поперечное сопротивление базы.

Применение транзисторов.

4. Усилители, каскады усиления
5. Генератор сигналов
6. Модулятор
7. Демодулятор (Детектор)
8. Инвертор (лог. элемент)

1.3.2 Полевой транзистор

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего канала с помощью поперечного электрического поля.

В отличие от биполярного ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей.

Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и

затвором (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. От напряжения между затвором и истоком зависит проводимость канала, следовательно, и величина тока.

Таким образом, полевой транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток. Если амплитуда изменения управляющего сигнала достаточно велика, сопротивление канала может изменяться в очень больших пределах. В этом случае полевой транзистор можно использовать в качестве электронного ключа.

Классификация полевых транзисторов на рисунке 1.3.2.1.

Рисунок 1.3.2.1 Классификация полевых транзисторов

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.

Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей)

Главные преимущества полевых транзисторов:

• Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.
• Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.
• Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.
• У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.

Главные недостатки полевых транзисторов:

Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150^○С), чем структура биполярных транзисторов (200^○С).

Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется.

Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его разрушить. А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт.

Устройство полевого транзистора JFET с N-каналом (полевой транзистор с управляющим PN-переходом).

Как показано на рисунке 1.3.2.2, область полупроводника N-типа формирует канал между зонами P-типа. Электроды, подключаемые к концам N-канала, называются сток и исток. Полупроводники P-типа электрически соединяются между собой (закорачиваются), и представляют собой один электрод – затвор.

Рисунок 1.3.2.2 Полевого транзистора JFET с N-каналом

Вблизи стока и истока находятся области повышенного легирования N+ т.е. зоны с повышенной концентрацией электронов. Это улучшает проводимость канала. Кроме этого, наличие областей N+ ослабляет эффект появления паразитических PN-переходов в случае присоединения проводников из трехвалентного алюминия.

Имена электродов сток и исток носят условный характер. Если взять отдельный полевой транзистор, не подключенный к какой-либо схеме, то не будет иметь значения какая ножка корпуса сток, а какая исток. Имя электрода будет зависеть от его расположения в электрической цепи.

Работа полевого транзистора JFET с N-каналом

1. Напряжение на затворе U_зи=0 (рисунок 1.3.2.3).

Рисунок 1.3.2.3 Работа полевого транзистора JFET с N-каналом U_зи=0

Подключим источник положительного напряжения к стоку, землю к истоку. Затвор также подсоединим к земле (U_зи=0). Начнем постепенно повышать напряжение на стоке U_си. Пока U_си низкое, ширина канала максимальна. В таком состоянии полевой транзистор ведет себя как обычный проводник. Чем больше напряжение между стоком и истоком U_си, тем больше ток через канал между стоком и истоком I_си. Это состояние еще называют омическая область.

При повышении U_си, в полупроводнике N-типа в зонах PN-перехода постепенно снижается количество свободных электронов – появляется обедненный слой. Этот слой растет несимметрично – больше со стороны стока, поскольку туда подключен источник напряжения. В результате канал сужается настолько, что при дальнейшем повышении U_си, I_си будет расти очень незначительно. Это состояние называют режим насыщения.

2. Напряжение на затворе U_зи<0 (рисунок 1.3.2.4 см. стр. 38).

Когда транзистор находится в режиме насыщения, канал относительно узкий. Достаточно подать небольшое отрицательное напряжение на затвор U_зи, для того чтобы еще сильнее сузить канал и значительно уменьшить ток I_си (для транзистора с P-каналом на затвор подается положительное напряжение). Если продолжить понижать U_зи, канал будет сужаться, пока полностью не закроется, и ток I_си не прекратится. Значение U_зи, при котором ток I_си останавливается, называется напряжение отсечки (U_отс).

Рисунок 1.3.2.4 Работа полевого транзистора JFET с N-каналом U_зи<0

Для усиления сигнала полевой транзистор JFET используют в режиме насыщения, так как в этом состоянии вследствие небольших изменений U_зи сильно меняется I_си. Параметр усилительной способности JFET – это крутизна стоко-затворной характеристики (Mutual Transconductance). Обозначается g_m или S, и измеряется в mA/V (милиАмпер/Вольт) представлена на рисунке 1.3.2.5.

Рисунок 1.3.2.5 Стоко-затворная характеристика

Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET

Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого электрически изолирован от проводящего канала полупроводника слоем диэлектрика. Благодаря этому, у транзистора очень высокое входное сопротивление (у некоторых моделей оно достигает 10¹⁷ Ом).

Принцип работы этого типа полевого транзистора (рисунок 1.3.2.6), как и полевого транзистора с управляющим PN-переходом, основан на влиянии внешнего электрического поля на проводимость прибора.

Рисунок 1.3.2.6 Принцип действия полевого транзистора

В соответствии со своей физической структурой, полевой транзистор с изолированным затвором носит название МОП-транзистор (Металл-Оксид-Полупроводник), или МДП-транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Международное название прибора—MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

МДП-транзисторы делятся на два типа – со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В каждом из типов есть транзисторы с N–каналом и P-каналом (рисунок 1.3.2.7)

Рисунок 1.3.2.7 МДП-транзисторы

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.

На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа (для транзистора с N-каналом) созданы две зоны с повышенной электропроводностью N⁺-типа. Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO₂. Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N⁺-типа, называемые стоком и истоком. Над диэлектриком находится металлический слой затвора. Иногда от подложки также идет вывод, который закорачивают с истоком (рисунок 1.3.2.8)

Рисунок 1.3.2.8 Устройство МДП-транзистора с индуцированным каналом N-типа

Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.

Подключим напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не пойдет, поскольку между зонами N⁺ находиться область P, не пропускающая электроны (рисунок 1.3.2.9)

Рисунок 1.3.2.9 Работа МДП-транзистора с индуцированным каналом N-типа

Далее, если подать на затвор положительное напряжение относительно истока U_зи, возникнет электрическое поле. Оно будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки. В результате под затвором концентрация дырок начнет уменьшаться, и их место займут электроны, притягиваемые положительным напряжением на затворе.

Когда U_зи достигнет своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок. Между стоком и истоком сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток I_си. Чем выше напряжение на затворе транзистора U_зи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.

Принцип работы МДП-транзистора с каналом P–типа такой же, только на затвор нужно подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом.

Физическое устройство МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от типа с индуцированным каналом наличием между стоком и истоком проводящего канала.

Работа МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом N-типа.

Подключим к транзистору напряжение между стоком и истоком U_си любой полярности. Оставим затвор отключенным (U_зи=0). В результате через канал пойдет ток I_си, представляющий собой поток электронов.

Далее, подключим к затвору отрицательное напряжение относительно истока. В канале возникнет поперечное электрическое поле, которое начнет выталкивать электроны из зоны канала в сторону подложки. Количество электронов в канале уменьшиться, его сопротивление увеличится, и ток I_си уменьшиться. При повышении отрицательного напряжения на затворе, уменьшается сила тока. Такое состояние работы транзистора называется режимом обеднения.

Если подключить к затвору положительное напряжение, возникшее электрическое поле будет притягивать электроны из областей стока, истока и подложки. Канал расшириться, его проводимость повыситься, и ток I_си увеличиться. Транзистор войдет в режим обогащения.

Задания для самостоятельной работы