Частотные параметры транзисторов.

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 7Следующая ⇒

С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами, снижается. У этого явления две главные причины. Во-первых, на более высоких частотах сказывается вредное влияние емкости коллекторного перехода С_к, которое шунтирует дифференциальное сопротивление коллекторного перехода. На низких частотах сопротивление емкости С_к очень большое, можно считать, что весь ток для схемы с общей базой α I_э идет через r_k. Но на некоторой высокой частоте сопротивление емкости становится сравнительно малым и в нее ответвляется заметная часть тока. Следовательно, уменьшается дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера в цепь коллектора, т.е. α становится частотно-зависимым. Аналогичные процессы происходят при включении транзистора с ОЭ, причем емкость коллекторного перехода в (1+β ) больше, чем при включении транзистора с ОБ, т.е. С_к^*=С_к(1+β ). Итак, вследствие влияния емкости С_к Уменьшаются коэффициенты α и β.

Вторая причина снижения усиления на более высоких частотах – отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторному, а также инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. За счет этого сдвига на высоких частотах возрастает ток базы, в результате чего снижается коэффициент усиления по току β. Таким образом, при повышении частоты коэффициент β уменьшается значительно сильнее, нежели α. Отсюда ясно, что схема с ОЭ по сравнению со схемой ОБ обладает значительно худшими частотными свойствами.

Частотные свойства принято характеризовать рядом параметров:

1.Предельными частотами для схем с ОБ и ОЭ. Эти частоты обозначают соответственно и . Предельной частотой коэффициента передачи тока называют такую частоту, на которой модуль передачи тока уменьшается в раз по сравнению с его низкочастотным значением. Поскольку β уменьшается гораздо сильнее, чем α, то β значительно ниже α. Можно считать, что

2. Граничной частотой коэффициента передачи тока базы в схеме с ОЭ называют такую частоту , на которой модуль коэффициента передачи тока базы в цепь коллектора равен единице, т.е. при этой частоте транзистор с ОЭ перестает усиливать ток.

Улучшение частотных свойств транзисторов, т.е. повышение их предельных частот усиления и , достигается уменьшением емкости коллекторного перехода и времени пробега носителей через базу. К сожалению, снижение емкости путем уменьшения площади коллекторного перехода приводит к уменьшению предельного тока, т.е. к снижению предельной емкости. Для уменьшения времени пролета носителей через базу стараются сделать базу очень тонкой и увеличить скорость носителей в ней. Но при более тонкой базе уменьшается напряжение пробоя базы. Электроны при диффузии обладают большей подвижностью, нежели дырки. Поэтому транзисторы n-p-n типа при прочих равных условиях являются более высокочастотными, чем транзисторы p-n-p типа. Увеличение скорости пробега носителей через базу достигается также и в транзисторах, у которых в базе создано электрическое поле, ускоряющее движение носителей.

Для аналитического расчета цепей с транзисторами используют эквивалентные схемы. В настоящее время существуют три различных типа эквивалентных схем, в основу которых положены три принципиально разных метода анализа.

Первый метод сводится к составлению так называемых физических эквивалентных схем, которые с определенной степенью точности отражают физические свойства активных элементов. В связи с тем, что физические свойства в активном элементе можно моделировать различными электрическими схемами, существует большое число физических эквивалентных схем, каждой из которых соответствует своя система физических параметров. Основное преимущество физических эквивалентных схем состоит в том, что их параметры оказываются связанными с физическими параметрами активных элементов. Однако физические эквивалентные схемы не позволяют создавать единых методов анализа радиотехнических каскадов усилительных (например, усилительных каскадов). Поэтому физические эквивалентные схемы целесообразны при анализе схем, в которых используется лишь один тип активного элемента (для биполярного транзистора Т-образная физическая схема и для полевого транзистора П-образная физическая схема).

Для аналитического расчета цепей с биполярными транзисторами в зависимости от схемы включения транзистора существуют три разновидности физических эквивалентных схем по переменному току, которые представлены в таблице 7.2.

При необходимости проведения широкого анализа схем более удобными оказываются эквивалентные схемы, построенные на основе линейных активных четырехполюсников. Выбор системы уравнений может быть сделан только для конкретного устройства и зависит от того, какая из них большие практические преимущества (удобство экспериментальных измерений параметров, простота математических выкладок, возможность сравнения со справочными данными). При этом используются вторичные параметры транзистора, которые связывают входные и выходные переменные токи и напряжения и справедливы только для данного режима транзистора и для малых амплитуд. Поэтому их называют низкочастотными малосигнальными параметрами. Вследствие нелинейности транзистора вторичные параметры изменяются при изменении режима и при больших амплитудах.

Таблица 7.2

В настоящее время основными считаются смешанные (или гибридные) параметры, обозначаемые буквой h или H. Именно h-параметры приводятся во всех справочниках. Их удобно измерять. Это весьма важно, так как в справочниках содержатся усредненные параметры, полученные в результате измерений параметров нескольких транзисторов данного типа.

Для того чтобы найти h-параметры и определить их физический смысл, нужно записать уравнения h -типа через приращения:

(7.23)

Для того чтобы определить h-параметры, нужно осуществить два опыта: опыт короткого замыкания по переменному току на выходе (Δ u₂=0) и опыт холостого хода на входе (Δ i₁=0).

Тогда получаем:

1. Входное сопротивление

при (7.24).

2. Коэффициент передачи тока

при (7.25).

3. Коэффициент обратной связи по напряжению

при (7.26).

4. Выходная проводимость

при (7.27).

Зависимость между амплитудами токов и напряжений в транзисторе при использовании h-параметров можно выразить следующей системой уравнений:

(7.28).

Системе уравнений (7.28) соответствует эквивалентная схема, изображенная на рис. 7.16

Рис. 7.16

В ней генератор напряжения показывает наличие напряжения обратной связи во входной цепи. Сам генератор надо считать идеальным, т.е. не имеющим внутреннего сопротивления. Генератор тока в выходной цепи учитывает эффект усиления тока а является внутренней проводимостью этого генератора. Хотя и выходная и входная цепи кажутся не связанными друг с другом, на самом деле эквивалентные генераторы учитывают взаимосвязь этих цепей.

В зависимости от того, к какой схеме относятся параметры, дополнительно к цифровым индексам ставятся буквы: «э» - для схемы ОЭ, «б» - для схемы ОБ, «к» - для схемы ОК.

Рассмотрим h-параметры для схем ОЭ и ОБ и приведем их выражения для транзисторов небольшой мощности.

Для схемы ОЭ . , , , и поэтому h-параметры определяются по следующим формулам:

1. Входное сопротивление

при (7.29)

и получается от сотен Ом до единиц кОм.

2. Коэффициент обратной связи по напряжению

при (7.30)

и обычно равен 10^-3-10^-4, т.е. напряжение, передаваемое с выхода на вход за счет обратной связи, составляет тысячные или десятитысячные доли выходного напряжения.

3. Коэффициент усиления тока есть известный нам параметр

при (7.31)

и составляет десятки – сотни.

4. Выходная проводимость

при (7.32)

и равна десятым или сотым долям мСм, а выходное сопротивление получается от единиц до десятков кОм.

Для схемы ОБ . , , , и поэтому h-параметры определяются по следующим формулам:

1. Входное сопротивление

при (7.33)

и составляет единицы или десятки Ом.

2. Коэффициент обратной связи по напряжению

при (7.34)

и обычно равен 10^-3-10^-4, имеет тот же порядок, что и для схемы ОЭ.

3. Коэффициент усиления тока есть известный нам параметр

при (7.35)

и обычно равен 0, 95- 0, 998.

4. Выходная проводимость

при (7.36)

и равна единицам мкСм, а выходное сопротивление обычно сотни кОм, т.е. значительно выше, чем в схеме с ОЭ.

При любой схеме включения h-параметры связаны с собственными параметрами.

Кроме системы h-параметров пользуются также системой проводимостей, или y-параметрами.

Для того чтобы найти y-параметры и определить их физический смысл, нужно записать уравнения y -типа через приращения:

(7.37)

Для нахождения y-параметров, нужно осуществить два опыта: опыт короткого замыкания по переменному току на выходе (Δ u₂=0) или на входе (Δ u₁=0).

Тогда получаем:

1. Входная проводимость

при (7.38).

Нетрудно видеть, что y₁₁ является величиной, обратной h₁₁.

2. Проводимость управления (крутизна)

при (7.39).

Величина y₂₁ характеризует управляющее действие входного напряжения u₁ на выходной ток i₂ и показывает изменение i₂ при изменении u₁ на 1В; значение y₂₁ – десятки и сотни миллиампер на вольт (миллисименс).

3. Проводимость обратной связи

при (7.40).

Параметр y₁₂ показывает, какое изменение тока i₁ получается за счет обратной связи при изменении выходного напряжения u₂ на 1В.

4. Выходная проводимость

при (7.41).

Заметим, что y₂₂ и h₂₂ являются разными величинами, так как они определяются при разных условиях (Δ u₁=0 и Δ i₂=0).

Зависимость между амплитудами токов и напряжений в транзисторе при использовании y-параметров можно выразить следующей системой уравнений:

(7.42).

Для системы y-параметров может быть применена эквивалентная схема, изображенная на рис.7.17 и соответствующая системе уравнений (7.42)

Рис.7.17

В этой схеме генератор тока y₂₁U_m₁ учитывает усиление, создаваемое транзистором, а генератор y₁₂U_m₂ – внутреннюю обратную связь в транзисторе.

Иногда транзистор представляют в виде П-образной эквивалентной схемы с проводимостями (рис.7.18), которые связаны с y-параметрами следующими соотношениями:

(7.43)

Рис.7.18

Разновидности дискретных транзисторов.

Существующие типы транзисторов классифицируются по методу изготовления, применяемым материалам, особенностям работы, назначению, мощности, диапазону рабочих частот и другим признакам. Исключительно широкое распространение получили биполярные транзисторы, имеющие два p-n перехода. Следует различать два вида таких транзисторов: дрейфовые, в которых основным механизмом движения неосновных носителей заряда через базу является дрейф, т.е. под действием укоряющего электрического поля, и бездрейфовые, в которых такое движение осуществляется главным образом посредством диффузии.

Бездрейфовые транзисторы имеют по всей базовой области одну и ту же концентрацию примеси. Вследствие этого в базе не возникает электрического поля, и носители в ней совершают диффузионное движение от эмиттера к коллектору. Скорость такого движения меньше скорости дрейфа носителей в ускоряющем электрическом поле. Следовательно, бездрейфовые транзисторы предназначены для более низких частот. нежели дрейфовые.

В дрейфовых транзисторах электрическое поле в базе ускоряет неосновные носители при их движении к коллектору, поэтому повышается предельная частота и коэффициент усиления тока. Электрическое поле в базе создается за счет неодинаковой концентрации примесей базовой области, что может быть достигнуто при диффузионном методе изготовления p-n перехода. Транзисторы, изготовленные таким методом, называются диффузионными.

Рассмотрим теперь основные типы транзисторов, различаюшиеся по конструкции и принципу изготовления переходов.

Бездрейфовые транзисторы могут иметь сплавные переходы, полученные по такой же технологии, как у диодов. В сплавных транзисторах невозможно сделать очень тонкую базу, и поэтому они предназначены только для низких и средних частот. Мощные сплавные транзисторы имеют увеличенную площадь переходов. Сплавные транзисторы выпускаются на мощность от нескольких милливатт до десятков ватт. Их достоинство в том, что на коллекторном и эмиттерном переходе можно допустить обратное напряжение 50-70 В, для германия и 70- 150 В для кремния. Сравнительно малые сопротивления эмиттера, базы и коллектора позволяют получать в сплавных транзисторах большие токи в импульсном режиме. Однако предельную частоту f_α не удается сделать выше 20МГц. Недостатком сплавных транзисторов является также значительный разброс параметров и характеристик.

Дрейфовые транзисторы делаются на предельные частоты, в десятки раз более высокие, нежели у сплавных транзисторов. Это объясняется, прежде всего, уменьшением времени пролета носителей в базе. Как правило, при изготовлении дрейфовых транзисторов применяется метод диффузии, при котором база может быть сделана очень тонкой. Коллекторный переход получается плавным, и тогда его емкость гораздо меньше, чем емкость сплавных переходов. За счет малой толщины базы коэффициенты усиления α и β значительно выше, чем у сплавных транзисторов. Важно также, что метод диффузии позволяет изготовлять транзисторы более точно, с меньшим разбросом параметров и характеристик.

Сплавно-диффузионные транзисторы отличаются тем, что у них базовая область и коллекторный переход изготовлены методом диффузии, а эмиттерный переход – методом вплавления. Такие транзисторы имеют рабочие частоты до сотен мегагерц, но рассчитанные на небольшие мощности (100-150мВт). Эмиттерный переход в них получается малой толщины, и поэтому может выдержать только низкие обратные напряжения.

Конверсионные транзисторы интересны тем, что у них может быть получен тонкий базовый слой большой площади, необходимый для изготовления более мощных высокочастотных транзисторов. В конверсионных транзисторах диффузионный эмиттерный переход образуется за счет обратной диффузии примеси из полупроводника в металл эмиттерного электрода. Для этой цели служит пластинка германия (исходный материал) содержашая одновременно донорные и акцепторные примеси. В качестве последней применяется медь, которая при вплавлении эмиттерного сплава энергично диффундирует из германия в эмиттер. Благодаря этому в слое германия, прилегающем к эмиттеру, резко снижается концентрация акцепторной примеси и образуется слой базы с электронной проводимостью. Такой процесс перемены типа проводимости называют конверсией.

Транзисторы конверсионного типа имеют малую емкость коллектора и могут работать при относительно высоких напряжениях коллекторного перехода. Эти транзисторы обладают хорошей стабильностью и малым разбросом параметров, а также удобны в производстве. Их недостаток – низкое максимальное обратное напряжение эмиттерноно перехода.

В мезатранзисторах применяется мезаструктура. Такие транзисторы изготавливаются сразу в большом количестве из одной пластины исходного полупроводника, что уменьшает разброс параметров. На поверхности этой пластины. Которая должна служить коллектором, методом диффузии создают слой базы толщиной в несколько микрометров. Для каждого транзистора в этот слой вплавляют маленькие капли сплавов для образования эмиттерной области и вывода от базы. Такие транзисторы имеют малые емкости переходов (С_к мене 2 пФ), малое сопротивление r_б и могут работать на частотах до сотен мегагерц.

Наилучшими из диффузионных являются планарные транзисторы. Такие транзисторы обладают хорошими качествами и получили большое распространение. Они удобны в производстве и могут быть изготовлены на различные мощности с высокими предельными частотами.

Планарно-эпитаксиальные транзисторы являются дальнейшим развитием планарных транзисторов. У планарных транзисторах велико сопротивление коллекторной области, что невыгодно. Например. При импульсной работе в режиме насыщения у транзистора большое сопротивление насыщения. Если уменьшить удельное сопротивление материала коллектора. То возрастает емкость С_к и снижается пробивное напряжение коллекторного перехода. Эти недостатки устраняются в эпитаксиальных транзисторах.

Существует ряд других особых типов транзисторов. Наибольший интерес представляют лавинные транзисторы, работающие в режиме размножения носителей, т.е. при напряжении U_кб, превышающем допустимое напряжение для нормальной работы в режиме усиления. При некоторых условиях лавинные транзисторы имеют отрицательное выходное сопротивление и α > 1. Это позволяет применять их в импульсных устройствах для генерации коротких импульсов и переключения.

Полевые транзисторы.

Введение.

Работа полевых транзисторов основана на использовании только одного типа носителей - основных (электронов или дырок). Процессы инжекции и диффузии в таких транзисторах практически отсутствуют, во всяком случае, не играют принципиальной роли. Основным механизмом движения носителей является дрейф в электрическом поле.

Для того чтобы управлять током в полупроводнике при постоянном электрическом поле, нужно менять либо удельную проводимость полупроводникового слоя, либо его площадь. На практике используется и тот и другой способ, причем в основе обоих способов лежит эффект поля.

Проводящий слой, по которому проходит рабочий ток, называется каналом. Каналы могут быть приповерхностными и объемными. Приповерхностные каналы представляют собой либо обогащенные слои, обусловленные наличием донорных примесей в диэлектрике, либо инверсионные слои, образующиеся под действием внешнего поля. Объемные же каналы представляют собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем.

Транзисторы с приповерхностным каналом имеют классическую структуру металл-диэлектрик-полупроводник. Их называют МДП-транзисторами. В частном случае, если диэлектриком является окисел (двуокись кремния SiO₂), используется название МОП-транзисторы.

Транзисторы с объемным каналом характерны тем, что обедненный слой создается с помощью p-n перехода. Поэтому их часто называют полевые транзисторы с управляющим p-n переходом. Однако это название длинное и неудобное. Поэтому в литературе их просто называют полевыми транзисторами. Исходя из вышесказанного, можно предложить следующую классификацию полевых транзисторов, которая вместе с условными обозначениями представлена на рис. 7.19.

Рис.7.19.

Здесь: И – исток, С – сток, З – затвор. Функциональное назначение этих электродов будет описано ниже.

Рассмотрим основные различия между биполярными и полевыми транзисторами.

- В биполярных транзисторах существенную роль играют два типа носителей заряда: основные и неосновные.

- В биполярном транзисторе управление выходным током осуществляется с помощью входного тока базы или эмиттера. Что неизбежно связано со сравнительно малым входным сопротивлением. В ряде случаев это не является недостатком, а скорее преимуществом. Например, при малом входном сопротивлении всякого рода наводки посторонних напряжений оказываются значительно меньшими, чем при высоком входном сопротивлении. Однако, иногда крайне важно иметь очень большое входное сопротивление. Благодаря управлению электрическим полем входное сопротивление полевых транзисторов для постоянного тока и на низких частотах переменного тока может быть очень большим: 10¹² – 10¹³ Ом.

- Технология изготовления полевых транзисторов значительно проще, чем биполярных. Особенно важно, что полевые транзисторы в микросхемах занимают значительно меньшую площадь на один транзистор и потребляют гораздо меньший ток. Это позволяет создавать большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (БИС и СБИС).

- В биполярных транзисторах с увеличением температуры увеличивается число генерируемых неосновных носителей, а, следовательно, возрастает ток. В полевых транзисторах ток зависит от концентрации основных носителей и их подвижности. Концентрация зависит от степени легирования и не зависит от температуры. Вследствие тепловых колебаний кристаллической решетки с ростом температуры подвижность носителей в канале падает, что приводит к уменьшению тока и крутизны характеристик транзистора. Полевой транзистор в отличие от биполярного транзистора, температурно устойчив, так как повышение температуры вследствие прохождения тока вызывает увеличение сопротивления канала. Наряду с полевыми транзисторами, в которых наблюдается уменьшение стокового тока с ростом температуры, выпускаются полевые транзисторы, у которых ток стока возрастает с повышением температуры, а также транзисторы, имеющие нулевой температурный коэффициент при некотором значении напряжения на затворе. Различный характер температурных характеристик объясняется тем, что изменение температуры влияет не только на подвижность носителей и связанное с этим объемное рассеяние, но и на поверхностное рассеяние в канале, имеющее обратную температурную зависимость. При температурах, близких к абсолютному нулю, кремниевые и германиевые биполярные транзисторы работать не могут, тогда как униполярные транзисторы работают.

Полевые транзисторы – наиболее распространенный сегодня класс транзисторов. На основе кремниевых МОП-транзисторов в настоящее время создаются сложные интегральные схемы: микропроцессоры, цифровые сигнальные процессоры, запоминающие устройства ЭВМ. Полевые транзисторыс барьером Шоттки используются для создания низкошумящих и мощных усилителей в СВЧ технике. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом используются в радиоэлектронике в качестве низко шумящих усилителей с высоким входным сопротивлением, электронных ключей, стабилизаторов тока и как резисторы, управляемые напряжением.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 Следующая ⇒