Файл: С.Н. Гринфельд Физические основы электроники уч. пособие.doc

4.16. Составной транзистор

Коэффициент усиления каскадов, выполненных на биполярных транзисторах, определяется коэффициентом передачи тока транзистора в схеме с ОЭ (h_21э)_.Увеличение этого коэффициента в ряде случаев позволяет существенно упростить схемотехнику проектируемых усилительных устройств. Так, при построении многокаскадных усилителей можно обойтись меньшим числом каскадов или при управлении мощной нагрузкой отказаться от промежуточных усилителей мощности и управлять значительной мощностью непосредственно от маломощного источника.

Увеличить h_21э можно чисто схемотехническим путем за счет каскадного включения нескольких транзисторов. Применительно к транзисторам одного типа проводимости такие схемы были впервые предложены Дарлингтоном и поэтому часто называются схемами Дарлингтона или составными транзисторами.

Составной транзистор (пара Дарлингтона), получаемый соединением коллекторов и эмиттера Э₁ с базой Б₂ (рис. 4.13), характеризуется большим входным сопротивлением, большим коэффициентом передачи базового тока  и меньшим выходным сопротивлением на переменном сигнале по сравнению с одиночным БТ.

Интегральный коэффициент передачи по току составного транзистора(_D) определяется следующим образом:

_D = i_кD/i_бD = i_кD/i_б1 = (i_к1 + i_к2)/i_б1= (₁i_б1+₂i_б2)/i_б1= (₁i_б1+₂i_э1)/i_б1=

= (₁i_б1+₂ (₁ + 1)i_б1)/i_б1 =₁ +₂ (₁ + 1) =₁ +₂₁ +₂.

Если составной транзистор (СТ) синтезирован на основе одинаковых транзисторов (₁ =₂ =), то

_D =(+ 2),

т.е. _Dхарактеризуется квадратичным увеличением.

Суммарное входное сопротивление (h_11эD) составного транзисторабольше входного сопротивления одиночного транзистора, так как входы Т₁ и Т₂включены последовательно, т.е.

h_11эD= u_вхD/i_бD= (u_вх1+ u_вх2)/i_б1= (i_б1h_11э1+ i_б2h_11э2)/i_б1= (i_б1h_11э1+ i_э1h_11э2)/i_б1=

= (i_б1h_11э1+ (₁ + 1)i_б1h_11э2)/i_б1= h_11э1+ (₁ + 1)h_11э2.

Из итогового выражения видно, суммарное входное сопротивление определяется в основном входным сопротивлением второго транзистора и коэффициентом передачи по току первого транзистора.

Так как коллекторные цепи транзисторов включены параллельно (см. рис.4.13), следовательно, суммарная проводимость составного транзистора(h_22эD) возрастает (выходное сопротивление уменьшается).

На практике составные транзисторы могут быть реализованы на основе соответствующего соединения одиночных транзисторов, но промышленностью также выпускаются уже готовые составные транзисторы, конструктивно оформленные в едином корпусе.

а)

4.2. Полевые транзисторы

Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых прохождение тока обусловлено дрейфом основных носителей заряда под действием продольного электрического поля. Управление величиной тока в них осуществляется путем изменения электропроводности токопроводящего слоя (канала) полупроводника поперечным электрическим полем. Каналом служит тонкий слой однородного полупроводника. По конструктивному исполнению и технологии изготовления полевые транзисторы можно разделить на две группы:

1. полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом;

2. полевые транзисторы с изолированным затвором.

Основной особенностью полевых транзисторов, по сравнению с биполярными, является их высокое входное сопротивление, которое может достигать 10⁹ – 10¹⁴ Ом. Таким образом, эти приборы можно рассматривать как управляемые потенциалом, что позволяет на их основе создать схемы с чрезвычайно низким потреблением энергии в статическом режиме. Последнее особенно существенно для электронных статических микросхем памяти с большим количеством запоминающих ячеек.

Так же, как и биполярные, полевые транзисторы могут работать в ключевом режиме, однако падение напряжения на них во включенном состоянии весьма значительно, поэтому эффективность их работы в мощных схемах меньше, чем у биполярных приборов.

Полевые транзисторы могут иметь каналы как p-типа, так и n-типа, управление которыми осуществляется при разной полярности на электродах (поскольку m_n > m_p, выгоднее применять n-канал). Это свойство комплементарности расширяет возможности при конструировании схем и широко используется при создании запоминающих ячеек и цифровых схем на основе МДП-транзисторов.

4.2.1. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом Структура и принцип действия пт

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (ПТУП) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала p-n-переходом, смещенным в обратном направлении (рис. 4.14).

Электрод, из которого в канал входят носители заряда, называютистоком; электрод, через который из канала уходят носители заряда, – стоком; электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, – затвором. При подключении к истоку отрицательного (для n-канала), а к стоку положительного напряжения в канале возникает электрический ток, создаваемый движением электронов от истока к стоку, т.е. основными носителями заряда. В этом заключается существенное отличие полевого транзистора от биполярного. Движение носителей заряда вдоль электронно-дырочного перехода (а не через переходы, как в биполярном транзисторе) является второй характерной особенностью полевого транзистора.

П

Рис. 4.15. Форма канала при напряжении на затворе U_{зи отс}

При подаче на переход обратного напряжения U_зи < 0, его ширина равномерно увеличивается, сечение канала уменьшается по всей его длине и сопротивление канала возрастает. Самое низкое сопротивление канала и соответственно самый большой ток через него будет при нулевом напряжении на затворе (U_зи = 0), затем по мере увеличения ширины перехода при возрастании U_зи и соответственно уменьшении сечения канала ток будет падать, и при некотором напряжении на затворе произойдет смыкание переходов, канал полностью перекроется и ток через него перестанет протекать. Это напряжение называется напряжением затвор-исток отсечки (U_{зи отс}). Канал в этом случае будет иметь вид, показанный на рис. 4.15.

Характеристики птуп

Выходные характеристики транзистора. На рис. 4.16 изображено семейство статических выходных характеристик I_с = f (U_си) при различных значениях напряжения на затворе U_зи.

Каждая характеристика имеет два участка – омический (для малых U_си) и насыщения (для больших U_си). При U_зи= 0 с увеличением напряже­ния U_сток I_свначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться закону Ома. Ток I_сначинает расти медленно, ибо его увеличение приводит к повышению падения напряжения в канале и возрастанию потенциала вдоль канала от истока к стоку. Потенциал же затвора одинаков по всей длине.

Появляется разность потенциалов между каналом и затвором, которая увеличивается в сторону стока. Вследствие этого толщина запирающего слоя увеличивается клинообразно (рис. 4.17) и сопротивление канала также увеличивается, а возрастание тока I_Сзамедляется. При напряжении насыщения U_{си нас}= U_{зи отс}сечение канала у стока приближается к нулю, и рост тока стока I_спрекращается.

Р

Рис. 4.18. Стоко-затворные характеристики ПТУП

Следующая характеристика, снятая при некотором обратном напряжении затвора (U¢_зи), когда запирающий слой имеет большую толщину при тех же значениях U_си, будет более пологой на начальном участке, и насыщение наступит раньше, при меньших значениях

U¢_{си нас} = U_{зи отс –} U¢_зи.

Передаточные (стоко-затворные) характеристики (рис. 4.18) представляют собой зависимости тока стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке

I_с = f(U_зи) ׀_{Uси = const}.

Х

Рис. 4.19. Входная характеристика ПТУП