Электротехника и электроника (стр. 8 )

Рисунок 3

1.7.2.2. Статические вольт-амперные характеристики и параметры

полевых транзисторов

Для анализа работы полевых транзисторов используют проходные и выходные статические характеристики. Проходная характеристика выражает зависимость тока стока iс (выходного тока) от напряжения затвор-исток uз-и (напряжения на входе) при постоянном напряжении uс-и (напряжении на выходе):

       .

В свою очередь выходная статическая характеристика выражает зависимость тока стока iс (выходного тока) от напряжения сток-исток uс-и (напряжении на выходе) при постоянном напряжении uз-и (напряжении на входе):

       .

Проходные характеристики полевых транзисторов, имеющих различную конструкцию представлены на рисунке 4. Из анализа характеристики видно, что в полевом транзисторе с управляющим p-n переходом (рисунок 4а) при отсутствии запирающего напряжения на затворе (uз-и=0) площадь поперечного сечения наибольшая. Сопротивление постоянному току минимальное, следовательно, ток стока – максимальный.

В полевых транзисторах с изолированным затвором и встроенным каналом (рисунок 5а) при отсутствии напряжения на затворе (uз-и=0) канал подзаперт и через него протекает начальный ток стока ic нач. Увеличение потенциала на затворе приводит к обогащению канала, повышению его проводимости и, соответственно, к увеличению выходного тока.

Выходной ток в полевых транзисторах с индуцированным каналам появляется только при некотором Uпор, которое обеспечивает образование проводящего канала. Следует отметить, что для всех типов полевых транзисторов увеличение внешнего напряжения uс-и приложенного к каналу приводи к увеличению выходного тока.

Рисунок 4

Выходные характеристики полевых транзисторов приведены на рис. 5. Все они имеют один и тот же вид, но отличаются напряжениями на затворе и их полярностью.

Проанализируем выходную характеристику на примере полевого транзистора с управляющим p-n переходом. На характеристике можно выделить две области: линейную и насыщения.

Рисунок 5

В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет сделать вывод о независимости тока стока от напряжения на стоке. В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения – как усилительный элемент.

Рассмотрим линейную область. В линейной области ток стока полевого транзистора определяется уравнением:

       ,        (9.6)

где k – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора, Uп - пороговое напряжение (или напряжение отсечки).

На начальном участке линейной области (до перегиба) можно при малом значении напряжения на стоке воспользоваться упрощенным выражением, полагая в (9.6) uси≈0:

       .        (9.7)

Выражение (9.7) позволяет определить сопротивление канала в линейной области:

       .        (9.8)

Анализ выражения (9.8) показывает, что сопротивление канала будет минимальным в случае, если напряжение на затворе uзи будет равно нулю. Если напряжение на затворе будет увеличиваться, то сопротивление соответственно будет тоже расти.

При приближении к точке перегиба характеристик сопротивление канала будет увеличиваться, так как начинает сказываться второй член в выражении (9.6). В этом случае можно определить дифференциальную проводимость канала:

       ,

откуда получаем значение дифференциального сопротивления канала:

       .        (9.9)

Зависимость сопротивления канала от напряжения на стоке ucи нарушает линейность сопротивления, однако при малом уровне сигнала этой зависимостью можно пренебречь. Таким образом, основное применение полевых транзисторов в линейной области определяется их способностью изменять сопротивление при изменении напряжения на затворе. Это свойство позволяет использовать транзисторы в качестве замкнутого ключа с весьма малым собственным сопротивлением канала.

В области насыщения ток стока полевого транзистора определяется уравнением:

       ,        (9.10)

из которого следует его полная независимость от напряжения на стоке. Практически такая зависимость есть, но в большинстве случаев она слабо выражена. Из уравнения (3.10) можно найти начальный ток стока при условии, что uзи = 0:

       .        (9.11)

Выражение (9.11) показывает, что значение коэффициента k введенного в формуле (9.6), можно установить экспериментально, измерив, начальный ток стока и пороговое напряжение Uп (или напряжение отсечки), так как:

       .

Поскольку полевые транзисторы в области насыщения используются в основном как усилительные приборы, то для оценки их усилительных свойств найдем значение крутизны вольт-амперной характеристики:

       .        (9.12)

Из уравнения (9.12) следует, что максимальное значение крутизна имеет при uзи = 0. С увеличением напряжения на затворе крутизна уменьшается и при uзи=Uп становится равной нулю.

В заключении хотелось бы отметить ряд достоинств, которые позволили полевым транзисторам практически повсеместно вытеснить биполярные транзисторы:

- высокое входное сопротивление, достигающее значения 1012…1015 Ом, и, соответственно, малый входной ток, достигающий 10-15А;

- более низкий уровень собственных шумов;

- высокая радиационная стойкость;

- хорошая реализация в интегральных микросхемах

Выводы:

1. Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом может работать в двух режимах: режиме обеднения и в режиме обогащения.

2. Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.

3. Полевой транзистор можно использовать как ключ, управляемый напряжением на затворе.

1.8 Тиристоры

1.8.1. Общие сведения

Тиристор - это полупроводниковый прибор с тремя и более р-n переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.

Структура тиристора показана на рисунке 1.1. Тиристор представляет собой четырехслойный р1-n1-р2-n2 прибор, содержащий три последовательно соединенных р-n перехода (П1 П2 и П3). Обе внешние области называют эмиттерами (Э1, Э2), а внутренние области - базами (Б1, Б2) тиристора (см. рис. 1.1а). Переходы П1 и П2 называются эмиттерными, переход П3 - коллекторный переход.

Рис. 1.1. Схема диодного тиристора: а) структура диодного тиристора; б) зонная диаграмма

Прибор без управляющих электродов работает как двухполюсник и называется диодным тиристором (динистором). Прибор с управляющим электродом является трехполюсником и называется триодным тиристором.

На рисунке 1.2 показана схема триодного тиристора с управляющими электродами при его приборной реализации и характеристики тиристора. Управляющий электрод может быть подключен к любой из баз (Б1, Б2) тиристора, как показано на рисунке 1.2а.

Управляющие тиристоры используются для коммутирования высоких значений токов, напряжений и мощностей. Поэтому корпуса тиристоров как правило являются достаточно массивными и в ряде случаев снабжены радиаторами для улучшения теплоотвода. На рисунке 1.2б приведена топология корпуса тиристора малой мощности. Для коммутации мощностей важными параметрами являются время включения и выключения тиристора. Характерные значения этих времен для тиристоров лежат в микросекундном диапазоне. На рисунке 1.2в в качестве примера приведены такие характеристики для триодного тиристора КУ208.

Рис. 1.2. (а) Схема, (б) приборная реализация и (в) характеристики триодного тиристора

При создании тиристора в качестве исходного материала выбирается подложка n - или р-типа. Типичный профиль легирующей примеси в диффузионно-сплавном приборе показан на рисунке 1.8.3. В качестве исходного материала выбрана подложка n-типа. Диффузией с обеих сторон подложки одновременно создают слои р1 и р2. На заключительной стадии путем сплавления (или диффузии) с одной стороны подложки создают слой n2. Структура полученного тиристора имеет вид p1+-n1-p2-n2+.