книги / Основы радиоэлектроники

нельная составляющая тока. Ее зависи­ мость от напряжения приведена на рис. 3.11. С ростом напряжения тун­ нельная составляющая в начале растет, а затем падает. С учетом диффузион­ ной (пунктирная линия рис. 3.12) и тун­ нельной составляющей вольт-ампер- ная характеристика такого диода, ко­ торый называется туннельным, приведена на рис. 3.12. Легко видеть, что эта вольт-амперная характеристи­ ка имеет падающий участок, а диффе­ ренциальное сопротивление диода Лдиф на этом участке отрицательно

(см. § 2.2). Туннельные диоды используются при создании усили­ телей и автогенераторов.

Названные выше типы диодов на принципиальных схемах

Все вновь разрабатываемые и модернизируемые полупровод­ никовые приборы обозначают буквенно-цифровым кодом.

Первый элемент обозначения определяет исходный полупро­ водниковый материал: германий— Г или 1; кремний— К или 2; соединения галлия— А или 3.

Второй элемент обозначения — буквенный— определяет класс прибора: транзисторы полевые— П, транзисторы биполярные— Т, диоды выпрямительные— Д, варикапы — В, диоды туннель­ ные— Т, стабилитроны — С.

Третий элемент обозначения — цифры от 1 до 99 — определя­ ют диапазон основных параметров прибора:

Четвертый элемент обозначения— двузначное число от 01 до 99 определяет номер разработки.

Пятый элемент определения — буквы русского алфавита от А до Я — определяет деление технологического типа приборов на группы с разны­

§ 3.3. Полевые транзисторы

Для усиления и генерации колебаний широко используются транзисторы— полупроводниковые приборы с тремя выводами (трехполюсные приборы). Существует два типа транзисторов — полевые и биполярные. Наиболее широко распространенные по­ левые транзисторы содержат один р-п переход. Биполярные тран­ зисторы содержат два р-п перехода. Полевые транзисторы со­ держат пластинку из полупроводника, как правило, п-типа, об­ ладающего соответственно электронной проводимостью. При подключении к этой пластинке напряжение t/„c через пластинку, которая называется каналом, протекает ток стока, равный

поперечного сечения пластинки. Электрод, из которого в канал вытекают основные носители заряда, называют истоком. Из канала носители проходят к электроду, который называется сто­ ком. Для управления током полевого транзистора с управля­ ющим р-п переходом на одной боковой грани рассматривае­ мой полупроводниковой пластинки л-типа канала расположена полупроводниковая пластина или слой полупроводника /7-типа (рис. 3.13). Эта часть транзистора называется затвором. Из-за наличия канала с одним типом проводимости полевые транзис­ торы называются также канальными или униполярными. На границе р-и л-областей возникает переход с обедненной областью (заштрихована на рис. 3.13). Если между затвором и истоком приложить управляющее напряжение мзи, то ширина обедненной области будет определяться этим напряжением. Когда мзи являет­ ся обратным (запирающим) напряжением (см. рис. 3.13), то ши­ рина обедненной области увеличивается, а площадь эффектив­ ного сечения канала 5, через которую проходят носители за­ ряда, уменьшается. В результате ток стока /с зависит от напря­

Определенным образом вы­ бирается полярность напряже­ ния между истоком и стоком. Как уже говорилось, напряжение м,и должно быть обратным для р-п перехода затвор-исток, т. е. запирающим. Одновременно за­ пирающим должно быть и на­ пряжение м,с между стоком и за­ твором, т. е. потенциал стока должен быть выше потенциала затвора. Поэтому к стоку при­ лагается «+ », а к истоку «—» (рис. 3.13). В этом случае (см. рис. 3.13):

^зс Иси + 1Мэв |,

т. е. напряжение на переходе между стоком и затвором оказыва­ ется большим, чем напряжение мзи на р-п переходе между затво­ ром и истоком. Поэтому обедненная область перехода стокзатвор имеет большую ширину, чем обедненная область перехо­ да затвор-исток, а площадь сечения канала вблизи стока меньше, чем вблизи истока.

При увеличении напряжения мси вначале ток /с увеличивается. Это объясняется ростом дрейфовой скорости V носителей заряда в канале

V=pE.

где ц— подвижность носителей; Е — напряженность поля в кана­ ле, которая растет с ростом напряжения и.

Одновременно с ростом мси увеличивается запирающее напря­ жение на переходе сток-затвор, уменьшается сечение канала

ниже (рис. 3.15). Дальнейшее повышение напряжения иси приводит к электрическому пробою р-п перехода затвор-сток, ток /с начинает нарастать, что показано пунктиром на рис. 3.15.

Работа транзистора происходит на пологих участках выход­ ных характеристик. Напряжение ис„ нас, с которого прекращается заметный рост тока, называется напряжением насыщения.

Полевой транзистор характеризуется следующими парамет­ рами:

1. Крутизной, определяющей управляющее действие затвора

S = - ^ ~ при мси = const. Обычно 5 » 1 н- 10ма/в-

А£/,н

2. Внутренним (выходным) сопротивлением R.. Этот пара­ метр представляет собой дифференциальное сопротивление тран­ зистора между истоком и стоком

3. Коэффициентом усиления ц, который показывает, во сколь­ ко раз сильнее действует на ток /с изменение мэи, нежели измене­

Чтобы /с оставалось постоянным при изменениях иСИи иЗИ, при­ ращения мси и иш должны иметь разные знаки, а величина ц по­ ложительна и равна

На пологих участках выходных характеристик ц достигает сотен

итысяч. Величины 5 и /?, находятся по характеристикам рис. 3.14

и3.15, рассматривая отношение малых приращений Д/с, Д«ся, Дмзи, а ц находится перемножением S и R t. Входное сопротивле­ ние R BX полевого транзистора представляет собой дифференци­ альное сопротивление запертого р-п перехода затвор-исток. Это сопротивление очень велико и на низких частотах достигает единиц и десятков мегаом.

Всхемах усилителей и генераторов полевой транзистор вклю­ чается, как правило, по схеме с общим истоком. На вход усили­ теля включается источник сигнала е, а на выход— сопротивление нагрузки. Ei и Ег— источники питания (постоянного напряже­

- +

ния). На рис. 3.16 приведена эта схема, включающая условные обозначения полевого транзистора с управляющим р-л перехо­ дом и каналом л-типа. При рассмотрении схем усилителей сла­ бых сигналов полевой транзистор можно заменить эквивалент­ ной схемой (схемой замещения) рис. 3.17. Эквивалентная схема представляет собой четырехполюсник, на входе которого вклю­ чено входное сопротивление запертого р-л перехода затвор-ис­ ток. R BX, как уже отмечалось, очень велико, и обычно им можно пренебречь. Под действием приращения напряжения на входе Ан,и в выходной цепи появляется ток 5 Аи,„, который характери­ зует некоторый генератор тока Д/г = 5Амзи, независящий от из­ менения Амси. Полное изменение тока стока определяется из­ менениями Аи,„ и Амси

Это соотношение определяет схему замещения полевого транзис­ тора при малых сигналах, когда малы А/с, Ам,и, Амси. Из выраже­ ния А/с видно, что полное приращение тока стока определяется генератором А/г и включенным параллельно ему внутренним сопротивлением /?,. Ток генератора А /г протекает через сопро­ тивление нагрузки RH и дифференциальное внутреннее сопротив­ ление Ri транзистора. Коэффициент усиления такого каскада (динамический коэффициент усиления) можно определить как

Динамический коэффициент усиления меньше р. При R „ « R j KxtSR„.

При использовании одного источника питания отрицательное напряжение на затворе может быть получено в схеме рис. 3.18. В цепь истока включается сопротивление смещения R CM, которое шунтируется емкостью Сс, обладающей малым сопротивлением на рабочих частотах по сравнению с Л сн.

Как правило, выпускаются кремниевые полевые транзис­ торы. Дальнейшим развитием полевых транзисторов являют­ ся транзисторы с изолирован­ ным затвором. У них метал­ лический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Иначе эти транзисторы назы­

вают МДП-транзисторами (от слов металл— диэлектрик — по­ лупроводник) или МОП-транзисторами (от слов «металл — ок­ сид— полупроводник»), так как диэлектриком обычно служит слой двуокиси (диоксида) кремния S i0 2. Слой диэлектрика уменьшает ток утечки перехода на входе транзистора до 1СГ10-^ 10“ 15 А, а также уменьшает входную емкость, т. е. увели­ чивает входное сопротивление этого прибора.

§ 3.4. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой широко распро­ страненный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования колебаний. Как и по­ левой транзистор, биполярный транзистор представляет собой трехполюсник — прибор с тремя выводами. Он представляет собой пластинку кремния или германия, или другого полупро­ водника, в котором путем введения примесей (легирования) созданы три области с различной проводимостью: дырочной и электронной.

Широкое распространение получили биполярные транзисторы п-р-п типа (рис. 3.19), в которых электронной проводимостью обладают крайние области, а средняя область обладает дыроч­ ной проводимостью. Используются также транзисторы р-п-р ти­ па. Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя

рошей работы транзисто­ ров. Условное обозначе­ ние транзистора п-р-п ти­ па приведено на рис. 3.20а, а р-п-р типа — на рис. 3.206. На границах п- и р-об­ ластей возникают два р-п

Обычно /б« / э, /к, поэтому /э%/к. Для малых приращений тока, что имеет место при усилении слабых сигналов, имеем

А /э = А /б + А /к.

Через закрытый коллекторный переход при отсутствии тока эмиттера проходит маленький ток насыщения коллекторного перехода Iks. В активном режиме при протекании больших эмиттерного и коллекторного токов /ь « /к и током Iks можно прене­ бречь. Ток коллектора /к связан с током эмиттера /э коэффициен­ том передачи тока эмиттера

Величина р = —— называется коэффициентом передачи тока базы 1—а

и составляет десятки единиц.

Биполярные транзисторы могут быть включены в схему различным образом. Наиболее часто встречается включение транзистора по схеме с общим эмиттером (рис. 3.21). В этом случае управляющее, входное напряжение приложено между базой и эмиттером, а напряжение питания транзистора— между коллектором и эмиттером. Сопротивление нагрузки включено последовательно с коллектором, а эмиттер является общим электродом.

Реже встречаются схемы включения транзистора с общей базой (рис. 3.22) или с общим коллектором, (рис. 3.23). Зависи­ мость тока эмиттера от напряжения ы6э является обычной вольтамперной характеристикой р-п перехода

Ток базы /б в р раз меньше /э. Поэтому входной характеристи­ кой транзистора в схеме с общей базой является зависимость /6(ибэ) при мкэ = const, которая прибли­ женно равна /э/ р. Когда к коллек­ тору приложено запирающее на­ пряжение икэт^О, через коллектор­ ный переход и базу течет

обратный ток /Кы>, который несколь­ ко уменьшает ток базы и даже дела­ ет его отрицательным при малых напряжениях ибэ (рис. 3.24).

Выходными характеристиками транзистора в схеме с общим эмит­ тером являются зависимости /к(мкэ) при /б = const. Согласно второму за­ кону Кирхгофа

^КЭ ^КЗ ^бэ*

Поскольку и6э« и к6, икэ, имеем

WK3~ WK6- Типичные выходные ха­ рактеристики /к(мкэ) приведены на

рис. 3.25. С ростом икэ ток /к растет, т. к. с ростом икб&икэ в коллектор­ ный переход экстрагируется всё большая часть потока электронов, инжектируемых из эмиттера в базу. Затем рост тока почти прекращает­ ся, и ток коллектора /к в Р раз пре­ вышает ток базы /б.

При дальнейшем увеличении икэ начинается электрический пробой го мА коллекторного перехода, ток колле­ ктора резко возрастает (штриховые линии на рис. 3.25), а транзистор вы­ ходит из строя. Иногда применяют­ ся выходные характеристики /к (мкэ), снятые при различных постоянных напряжениях и6э (рис. 3.26), а также характеристики управления /к (нбэ)

(рис. 3.27) или /к (i6) (рис. 3.28). Зави­ симость /к (мбэ) является зависимо­

стью (1—а )х /э (мбэ), а зависимость /к (гб) близка к линейной.

собой четырехполюсник. Схемы и параметры этого четырехпо­ люсника можно найти. В общем случае линейный четырехполюс­ ник может быть описан набором параметров, связывающих токи /*1 и /2 и напряжения и1 и и2 на его зажимах (рис. 3.29). Широкое распространение получил набор смешанных, или гибридных, h па­ раметров, связывающих токи и напряжения следующим образом:

М1 = А ц / i + A i 2 M2

*2 — ^*21*1 + A 2 2 U 2 -

Транзистор является нелинейным прибором, т. к. выше было показано, что токи /б, it и напряжения м6э, ихз на входе и выходе транзистора связаны нелинейно. Однако при малых приращениях Амвх = Дибэ«:мбэ, Дмвых = Амкэ <зс|ихэ|, Ai6<zi6; AiK« i K, связь между малыми приращениями А/б, Д/к, Амбэ, Амкэ оказывается линейной. Для схемы с общим эмиттером имеем:

Au63 — hnAi6 + h12AuK3

(3.3)

Аг» = А21Дг'б+А22Амхэ.

Из первого уравнения системы (3.3) получаем, что при Аикз= О

Отсюда вытекает, что Ап — дифференциальное входное сопро­ тивление транзистора. Величина 1/Ап характеризует дифферен­ циальную входную проводимость транзистора. Как уже отмеча­ лось, /6 = (1—ос)/,, a Ai3 Au63— дифференциальная проводимость эмиттерного р-п перехода. В § 3.2 было показано, что полная проводимость р-п перехода содержит активную и емкостную

составляющую. Поэтому — = ——hycoCBX. Обычно RBX меняется Л11 л*

в пределах от сотен Ом до единиц килоом. При Д/б = 0 из первого

уравнения системы (3.3) получаем h ,2 = ~^1- Эта величина харак-

Ди„

теризует обратную связь: влияние изменения выходного напря­ жения на изменение входного, когда /6 остается постоянным. Обычно эта величина равна 10-3 -М0-4 Часто ею можно прене­ бречь. Из второго уравнения системы (3.3) получаем, что при

ПО