 |
Особенности применения полевых и биполярных транзисторов. Схема Дарлингтона:
|
|
|
|
Особенности применения полевых транзисторов:
Есть область, для которой полевые транзисторы подходят практически идеально. Это силовые устройства, где необходимо замыкать и размыкать силовые цепи постоянного тока. Это импульсные источники питания, регуляторы мощности потребителей постоянного тока, автоматика.
Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление постоянному току, что является неоспоримым преимуществом при относительно редком переключении. Расход энергии на управление полевиком в этом случае минимален. Если переключаться надо часто, то в дело вступают емкости затвор - исток и затвор - сток. На их зарядку нужно тратить энергию. Так что по мере роста частоты переключений расход энергии растет, и у полевого транзистора появляются конкуренты, например, биполярные. Но есть еще одно ключевое преимущество - отрицательный температурный коэффициент при большом токе нагрузки. Этот эффект проявляется в том, что по мере нагрева при большом токе стока сопротивление полевого транзистора нарастает. С одной стороны это позволяет соединять полевые транзисторы параллельно без всяких проблем. Токи в них быстро выравниваются самостоятельно, без всякого нашего участия. С другой стороны цельный мощный полевой транзистор можно представить, как соединенные параллельно маломощные (такие полосочки токопроводящего канала полевика). Сила тока в этих полосочках при прогреве выравнивается, так что полевой транзистор проводит ток по всему сечению канала равномерно. Это обуславливает способность полевых транзисторов работать при больших токах. Например, биполярный транзистор имеет положительный температурный коэффициент. Если в какой-то части кристалла появляется большая проводимость, чем вокруг, то это место прогревается сильнее, туда устремляется все больший ток. Итак до прогорания.
|
|
|
Полевые транзисторы с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включении транзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядов статического электричества. Необходимую пайку производить на заземленном металлическом листе, заземлить жало паяльника, а так же руки монтажника при помощи специального металлического браслета. Не следует применять одежду из синтетических тканей. Целесообразно подсоединять полевой транзистор к схеме, предварительно закоротив его выводы.
Особенности применения биполярных транзисторов:
Основная области применения Биполярных транзисторов, как дискретных, так и в составе ИС,— генерирование, усиление или преобразование электрических сигналов. К оснновным параметрам Биполярных транзисторов относят коэффициент передачи по току (от нескольких единиц до нескольких сотен), граничную частоту (от сотен кГц до 8—10 ГГц), отдаваемую мощность (от мВт до сотен Вт), коэффициент шума (в малошумящих Б. т. 1,5—2,0 дБ), время переключения (от сотен пс для транзисторов-элементов СБИС до десятков мкс), а также предельные параметры эксплуатации: максимально допустимые значения напряжений коллектор — база (коллектор — эмиттер) и эмиттер — база, тока коллектора, допустимой мощности рассеяния. Максимально допустимые значения токов в Биполярных транзисторах лежат в пределах от десятков мкА до сотен А, напряжений коллектора — от нескольких В (в ИС) до нескольких кВ, допустимая мощность рассеяния — от единиц мкВт (в составе ИС) до 1 кВт и более.
В Биполярном транзисторе режим работы определяется полярностью напряжений, прикладываемых к эмиттерному и коллекторному переходам. Если к выводам коллектора и базы или коллектора и эмиттера прикладывают напряжение такой полярности, что коллекторный переход смещается в обратном направлении, то при прямом смещении на эмиттерном переходе Биполярного транзистора находится в активном режиме, или режиме усиления, а при обратном смещении — в режиме отсечки. При прямом смещении на обоих переходах Биполярного транзистора находится в режиме насыщения. В активном режиме из эмиттерной области Биполярного транзистора в базовую область инжектируются неосновные носители заряда, которые, частично рекомбинируя, переносятся к коллекторному переходу и через коллекторную область попадают в коллекторный вывод, образуя ток коллектора. Базовый ток во много раз меньше эмиттерного (и коллекторного токов и равен их разности. Напряжением, прикладываемым к эмиттерному переходу, регулируют количество неосновных носителей заряда, инжектируемых в базовую область, т. е. протекающий через Биполярный транзистор ток. При прямом смещении эмиттерного перехода токи через транзистор также могут сохранять малые значения, пока приложенное напряжение не превышает порогового значения (для кремниевых транзисторов около 0,6 В; для германиевых — около 0,3 В).
|
|
|
Схема Дарлингтона:
Если соединить транзисторы, как показано на рисунке, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент будет равен произведению коэффициентов составляющих транзисторов. Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.
Составной транзистор Дарлингтона.
Повышение скорости выключения в составном транзисторе Дарлингтона:
В транзисторе Дарлингтона падение напряжения между базой и эмиттером в два раза больше обычного, а напряжение насыщения равно по крайней мере падению напряжения на диоде (так как потенциал эмиттера транзистора должен превышать потенциал эмиттера транзистора на величину падения напряжения на диоде). Кроме того, соединенные таким образом транзисторы ведут себя как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор не может быстро выключить транзистор. С учетом этого свойства обычно между базой и эмиттером транзистора включают резистор. Резистор R предотвращает смещение транзистора в область проводимости за счет токов утечки транзисторов. Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки (измеряемые в наноамперах для малосигнальных транзисторов и в сотнях микроампер для мощных транзисторов) создавали на нем падение напряжения, не превышающее падения напряжения на диоде, и вместе с тем, чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора. Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько тысяч ом в малосигнальном транзисторе Дарлингтона.
|
|
|
10. Полевые транзисторы. Изменение сечения канала проводимости от напряжения между затвором и истоком. ВАХ:
Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия «перпендикулярного» току электрического поля, создаваемого напряжением на затворе.
Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).
По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р-n- перехода и с изолированным затвором (МДП - или МОП - транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом.
В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы с каналом р- типа и n- типа. Канал р- типа обладает дырочной проводимостью, а n- типа - электронной.
Изменение сечения канала проводимости от напряжения между затвором и истоком:
Управляющее напряжение прикладывается между затвором и ис-
током. От напряжения между затвором и истоком зависит проводимость кана-
ла, следовательно, и величина тока. Таким образом, полевой транзистор можно
рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток. Ес-
|
|
|
ли амплитуда изменения управляющего сигнала достаточно велика, сопротив-
ление канала может изменяться в очень больших пределах. В этом случае поле-
вой транзистор можно использовать в качестве электронного ключа.
Полевой транзистор с управляющим p-n переходом описывается тремя статическими характеристиками:
выходными (стоковые)характеристикамиIс=f(Uси) приUзи=const;
сток-затворнымихарактеристиками (характеристики передачи)Iс=f(Uзи) приUси=const;
входными (затворные)характеристикамиIз=f(Uзи) приUси=const;
При подаче на затвор обратного напряжения и при увеличении этого напряжения по абсолютному значению уменьшается начальное поперечное сечение канала. Это приводит к изменению наклона начальных участков стоковых характеристик, что соответствует большим начальным статическим сопротивлениям канала.
Геометрическое место точек, соответствующих условному перекрытию канала и наступлению режима насыщения.
В крутой области стоковых характеристик транзистор можно использовать как электрически управляемое сопротивление. Пологий участок характеристик является рабочим при применении транзистора в усилительных устройствах.
При увеличении обратного напряжения на p-n переходе уменьшается сечение канала, что приводит к уменьшению тока стока. При = через канал протекает обратный ток стока малой величины, и это может быть использовано для ориентировочного определения напряжения отсечки.
Характеристика передачи может быть получена экспериментально или с помощью перестройки стоковых характеристик.
Входная (затворная) характеристика полевого транзистора с управляющим p-n переходом представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики p-n перехода. Изменение напряжения влияет на распределение поля в канале, что вызывает изменения тока затвора. Наибольшего своего значения, которое называется током утечки, ток затвора достигает при условии короткого замыкания выводов истока и стока, однако оно очень мало и им часто пренебрегают.
ВАХ:
Ток стока ПТ зависит как от значения, так и от полярности напряжений сток - исток и затвор - исток. При постоянном смещении на затворе увеличение напряжения на стоке от нуля вызывает резкое возрастание тока стока, которое продолжается до наступления насыщения тока стока. Затем ток устанавливается и остаётся относительно постоянным. Эта зависимость показана на рис. 3, а для типичного полевого прибора с p-n-переходом. Для сравнения на рис. 3, б приведены коллекторные характеристики биполярного транзистора.
|
|
|
Характеристики транзисторов обоих видов похожи друг на друга, за исключением того, что у биполярного транзистора перегиб характеристик происходит при значительно более низких напряжениях на коллекторе.
На выходной характеристике ПТ можно выделить две характерные области (рис. 4). При малых напряжениях сток - исток (область АВ) сопротивление канала имеет омический характер, и ток может протекать в обоих направлениях. В этом состоит отличие полевых транзисторов от электронных ламп, в которых поток электронов всегда имеет одно направление - от катода к аноду. Рабочая область АВ выходной характеристики ПТ используется в том случае, когда полевой транзистор применяется в схеме в качестве переменного сопротивления, управляемого напряжением (аттенюаторы, регуляторы АРУ).
Рис. 3. Выходные характеристики транзисторов, а - ПТ с p-n-переходом; б - биполярного транзистора.
В области насыщения тока (область ВС на рис. 4) часть канала обеднена носителями заряда из-за влияния электрического поля между затвором и каналом, благодаря чему сопротивление канала становится значительным. Дальнейшее увеличение напряжения между стоком и истоком в этой области вызывает относительно небольшое изменение тока стока, который практически будет зависеть только от напряжения на затворе [1].
Рис. 4. Выходная характеристика ПТ при Uз.и=0
Характерной особенностью полевых транзисторов является то, что напряжение, соответствующее точке B характеристики (точка перегиба характеристики на рис. 4, после которой идёт область насыщения), при напряжении на затворе, равном нулю, численно равно напряжению отсечки и называется напряжением насыщения.
Входные характеристики полевого транзистора существенно отличаются от характеристик биполярного транзистора. Входные характеристики последнего подобны характеристикам открытого полупроводникового диода, в то время как у полевого транзистора они подобны характеристикам запертого диода (смещённого в обратном направлении). Поэтому ток затвора очень мал. Он равен нескольким наноамперам (для ПТ с управляющим p-n-переходом) при температуре 25°С и экспоненциально зависит от температуры.
Рис. 5. Проходные характеристики ПТ при различной температуре.
Проходная характеристика, показывающая зависимость тока стока от напряжения на затворе, изображена на рис. 5. С достаточной для практических расчётов точностью проходная характеристика полевого транзистора определяется выражением (1), т. е. носит квадратичный характер. Эта особенность проходной характеристики используется в преобразователях частоты для уменьшения перекрёстной модуляции и помех от гармоник гетеродина.
11. Полевые транзисторы. Изменение сечения канала проводимости от напряжения между стоком и истоком. ВАХ:
Изменение сечения канала проводимости от напряжения между стоком и истоком:
Проводимость канала определяется его сечением. При увеличении обратного напряжения U, обедненные слои р-п-переходов расширяются, уменьшая сечение канала, проводящего ток между истоком и стоком. В результате уменьшается ток стока / с. При определенном напряжении, называемом напряжением отсечки, сечение канала уменьшается практически до нуля и возрастание тока прекращается. При этом сток и исток оказываются изолированными друг от друга.
Проводимость канала меняется при изменении напряжения затвора, так как его электрическое поле уменьшает или увеличивает количество электронов в n - области полупроводника, подтягивая их из тела пластины.
Проводимость канала изменяется с помощью цепи управления либо за счет изменения концентрации носителей заряда канала, либо за счет изменения его геометрических размеров.
ВАХ: см. вопрос 10.
12. Полевые транзисторы. Характерные параметры определяемые по ВАХ:
ВАХ описывает поведение двухполюсника на постоянном токе. А также функция выражающая (описывающая) эту зависимость. А также - график этой функции. Чаще всего рассматривают ВАХ нелинейных элементов (степень нелинейности определяется коэффициентом нелинейности 
), поскольку для линейных элементов ВАХ представляет собой прямую линию (описывающуюся законом Ома) и не представляет особого интереса.
Характерные примеры элементов, обладающих существенно нелинейной ВАХ: диод, тиристор, стабилитрон.
Для трёхполюсных элементов (таких, как транзистор, тиристор или ламповый триод) часто строят семейства кривых, являющимися ВАХ для двухполюсника при так или иначе заданных параметрах на третьем выводе элемента.
Необходимо отметить, что в реальной схеме, особенно работающей с относительно высокими частотами (близкими к границам рабочего частотного диапазона) для данного устройства реальная зависимость напряжения от времени может пробегать по траекториям, весьма далёким от «идеальной» ВАХ. Чаще всего это связано с ёмкостью или другими инерционными свойствами элемента.
13. Полевые транзисторы. Режимы объединения и обогащения канала:
Режим объединения:
Режим работы, при котором увеличение абсолютного значения напряжения на затворе приводит к уменьшению тока стока, называется режимом обеднения.
На управляющий р-п переход можно подавать только обратное напряжение, и поэтому полевые транзисторы с управляющим р-п переходом работают в режиме обеднения канала носителями заряда.
В отличие от этого ток стока полевых транзисторов с р-п - переходом или полевых транзисторов с изолированным затвором, работающих в режиме обеднения, существует при нулевом смещении на затворе. Поскольку выходная характеристика этих транзисторов имеет участок насыщения тока стока, появляется возможность использовать эти приборы для стабилизации тока. При этом не требуется дополнительных стабилизированных источников питания, так как затвор полевого транзистора соединяется с истоком и, таким образом, стабилизация тока осуществляется одним полупроводниковым элементом.
Режим обогащения:
Полевые транзисторы с управляющим р-л-переходом работают только в режиме обеднения; полевые транзисторы МДП-типа с индуцированным каналом-только в режиме обогащения; полевые транзисторы МДП-типа со встроенным каналом-как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. При наличии соответствующего начального смещения на затворе полевые транзисторы могут работать во всех режимах.
В полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом попытка приложить прямое смещение на этот переход вызывает его открытие и протекание существенного тока в цепи затвора. Реальные процессы в транзисторе в этом случае сильно зависят от его конструкции, практически никогда не документируются и трудно предсказуемы. Поэтому говорить о режиме обогащения для полевых транзисторов с управляющим переходом не принято да и просто бессмысленно.
14. Полевые транзисторы с p-n переходом, принцип действия, стокозатворные характеристики:
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом – это полевой транзистор, управление потоком основных носителей в котором происходит с помощью выпрямляющего электрического перехода, смещенного в обратном направлении.
Принцип действия:
Он представляет собой монокристалл полупроводника n -типа проводимости; по его торцам методом напыления сформированы электроды, а посередине, с двух сторон, созданы две области противоположного типа проводимости и тоже с электрическими выводами от этих областей. Тогда на границе раздела областей с различным типом проводимости возникнет р-n -переход. электрические выводы от торцевых поверхностей полупроводника называют истоком (И) и стоком (С), а вывод от боковой поверхности противоположного типа проводимости назовем затвором (З).
Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом:
Подключим внешние источники U(ЗИ)и U(СИ) так, чтобы источник U(ЗИ) – источник входного сигнала смещал р-n -переход в обратном направлении, а в цепь источника U(СИ)введем сопротивление нагрузки R(Н). Под действием напряжения этого источника между торцевыми поверхностями полупроводника потечет ток основных носителей заряда. Образуется так называемый токопроводящий канал. Площадь поперечного сечения этого канала, а, следовательно, и его сопротивление зависит от ширины p-n -перехода. Изменяя величину напряжения источника U(ЗИ), меняем обратное напряжение на p-n -переходе, а, значит, и его ширину. При увеличении этого напряжения ширина p-n -перехода возрастает, а поперечное сечение канала между истоком и стоком уменьшается. Можно подобрать такую величину напряжения на затворе, при котором p-n -переход полностью перекроет канал, и ток в цепи нагрузки прекратится. Это напряжение называют напряжением отсечки. Таким образом, в цепи мощного источника U(СИ) протекает ток стока I(С), величина которого зависит от величины управляющего сигнала – напряжения источника U(ЗИ) и повторяет все изменения этого сигнала. Падение напряжения на сопротивлении нагрузки при протекании тока I(С) является выходным сигналом, мощность которого значительно больше мощности, затраченной во входной цепи. Принципиальным отличием полевого транзистора от биполярного является то, что источник входного сигнала подключен к p-n -переходу в обратном, запирающем направлении и, следовательно, входное сопротивление здесь очень большое, а потребляемый от источника входного сигнала ток очень маленький. В биполярном транзисторе управление осуществляется входным током, а в полевом транзисторе – входным напряжением. Следует отметить, что поскольку потенциал от истока к стоку возрастает, то соответственно возрастает и обратное напряжение на p-n -переходе, а, следовательно, и его ширина.
Стокозатворные характеристики:
Стокозатворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока Iс от напряжения Uзи при фиксированном напряжении Uси: Ic = f(Uси) при Uси = const.
15. Полевые транзисторы с p-n переходом, принцип действия, стоковые характеристики:
|
|
|
