ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 8154
Скачиваний: 20
191
E
1
2
R
C
I
C
U
C
U
C0
U
0
0
И
R
C
C
З
E
Рис. 5.11 — Рабочие точки МДП-транзистора
в ключевом режиме
Поскольку при малых значениях U
C
сечение дырочного слоя
и концентрация дырок в нем почти не зависят от х, величину R
0
обычно называют сопротивлением канала. Из (5.18) и (5.19) оче-
видно, что остаточное напряжение на МДП-транзисторном ключе
имеет чисто омический характер:
.
CO
C
O
U
I R
=
Это обстоятельство является важным преимуществом МДП-
транзисторов, так как в случае биполярных транзисторов даже при
нулевом токе имеется вполне конечное остаточное напряжение.
Эквивалентная схема. Для МДП-транзисторов в отличие
от унитронов эквивалентная схема для переменных составляю-
щих должна отражать влияние подложки (независимо от наличия
потенциала). Одна из таких схем, предложенная В.Н. Кононовым,
показана на рис. 5.12. Несмотря на внешнюю симметрию, обе по-
ловины схемы имеют разные значения. Переходные и частотные
характеристики МДП-транзисторов обусловлены перезарядом
межэлектродных емкостей через внешние резисторы, а также пе-
резарядом емкости затвор-канал через сопротивление канала. По-
следний процесс накладывает принципиальное ограничение на
быстродействие транзистора. Строго говоря, канал МДП-транзис-
тора следует рассматривать как распределенную систему.
Однако удобнее в первом приближении охарактеризовать
инерционность этой системы постоянной времени, т. е. уподо-
бить канал простейшей RC-цепочке. В качестве элементов такой
цепочки можно принять емкость затвора (5.16) и сопротивление
192
канала (5.19). Тогда постоянная времени канала (она же постоян-
ная времени крутизны) будет иметь вид:
2
0
0)
.
(
S
З
З
L
R C
U
U
τ =
=
μ
−
(5.20)
Как видим, это по существу обратная величина добротности
(5.17).
Рис. 5.12 — Эквивалентная схема МДП-транзистора
для малых переменных составляющих
Для улучшения переходных и частотных свойств МДП-
транзистора нужно в первую очередь уменьшать длину канала, а
также увеличивать приповерхностную подвижность. При обыч-
ной длине канала 5—10 мкм граничная частота крутизны (
1
2
πτ
)
лежит в пределах 100—300 МГц. Однако при ультракоротких
(доли микрона) каналах удается обеспечить граничные частоты
до 10—20 Ггц и выше. На эквивалентной схеме параметры Сз и Rо
не показаны, так как их влияние отражено операторным или ком-
плексным характером крутизны S. В типичных случаях емкость за-
твора составляет десятые доли пикофарады (иногда 1—2 пф), а со-
противление канала — сотни Ом.
Межэлектродные емкости зависят от конструкции и геомет-
рии прибора и обычно не превышают 1 пф. Интересной особенно-
стью МДП-транзисторов является наличие критического значения
рабочего тока I
C
, при котором этот ток почти не зависит от темпера-
туры, поскольку взаимно компенсируются влияния температуры на
удельную крутизну S (через подвижность
μ
) и пороговое напряже-
ние U
0
, от которых в первую очередь зависит величина тока.
193
Вопросы
для
самопроверки
1.
В чём принципиальные отличия в работе полевых транзи-
сторов от биполярных?
2.
Объясните физические принципы работы полевого тран-
зистора с p-n переходом.
3.
Почему канал у стока сужается?
4.
Какие типы каналов у полевых транзисторов с p-n пере-
ходом Вы знаете?
5.
Нарисуйте статические выходные и передаточные харак-
теристики транзистора с p-n переходом.
6.
Почему нормальная работа полевого транзистора с p-n
переходом обеспечивается только при обратном смещении на пе-
реходе?
7.
Основные параметры унитрона.
8.
Начертите эквивалентную схему унитрона.
9.
В чём особенность полевых транзисторов с изолирован-
ным затвором?
10.
Какие типы полевых транзисторов с изолированным за-
твором Вы знаете?
11.
Объясните физические принципы работы полевого тран-
зистора со встроенным каналом?
12.
Начертите статические вольт-амперные характеристики
полевого транзистора со встроенным каналом.
13.
Основные физические принципы работы полевого тран-
зистора с индуцированным или наведенным каналом.
14.
В чем принципиальное отличие передаточных характе-
ристик полевого транзистора с индуцированным каналом от ана-
логичных для встроенного канала?
15.
Начертите передаточные характеристики транзистора
с индуцированным каналом для p- и n-типа.
16.
Основные параметры полевых транзисторов с изолиро-
ванным затвором.
17.
Объясните, что означает понятие «насыщение тока сто-
ка» и с чем это связано?
18.
Начертите эквивалентную схему для полевого транзи-
стора с изолированным затвором.
194
6
ТРАНЗИСТОРНЫЕ
КЛЮЧИ
6.1
Введение
Будем называть ключом такую схему, основное назначение
которой состоит в замыкании и размыкании цепи нагрузки с по-
мощью управляющих входных сигналов. По аналогии с механи-
ческим ключом (контактом) качество транзисторного ключа
определяется в первую очередь минимальным падением напря-
жения на нем в замкнутом состоянии, минимальным током
в разомкнутом состоянии, а также скоростью перехода из одного
состояния в другое. Ключевые схемы лежат в основе более слож-
ных импульсных схем; поэтому материал данной главы будет
широко использован в дальнейшем. Кроме того, некоторые типы
транзисторных ключей имеют самостоятельное значение в каче-
стве бесконтактных прерывателей. Транзисторный ключ имеет
ряд схемных вариантов, простейший из которых приведен на
рис. 6.1. Активная нагрузка R
k
включена в коллекторную цепь,
а управляющие импульсы поступают от генератора Е
Б
через со-
противление R
Б
,
которое, в частности, может быть внутренним
сопротивлением генератора.
VT
I
Э
I
К
Е
Б
R
Б
R
K
E
K
U
ВЫХ
I
Б
Рис. 6.1 — Простейший ключ на транзисторе,
включенном по схеме ОЭ
Включение транзистора по схеме ОЭ имеет в импульсной
технике столь же широкое распространение, как и в области усили-
телей. Поэтому такое включение положено в основу последующего
195
анализа, а особенности других включений и других схемных ва-
риантов ключей будут охарактеризованы позднее. В отличие
от усилителей, в которых (за исключением мощных каскадов
класса В) транзисторы работают в активном режиме, в ключах
(импульсных устройствах вообще) транзисторы должны работать
в нескольких качественно различных режимах. Эти режимы ха-
рактеризуются полярностями напряжений на переходах транзи-
стора.
А именно различают:
1. Режим отсечки (U
БЭ
>
0; U
K
<
0).
2. Нормальный активный режим (U
БЭ
<
0; U
КБ
<
0).
3. Инверсный активный режим (U
БЭ
>
0; U
КБ
>
0).
4. Режим насыщения (U
БЭ
<
0; U
КБ
>
0). Последний было бы
правильнее называть режимом двойной инжекции, так как насы-
щение (тока), как увидим ниже, есть лишь результат такого ре-
жима в ключевых схемах.
6.2
Статические
характеристики
ключа
в
схеме
с
общим
эмиттером
(
ОЭ
)
Рассмотрим семейство характеристик транзистора, вклю-
ченного по схеме ОЭ (рис. 6.2). Проведем на характеристиках
линию нагрузки Rк, или построим статическую вольт-амперную
характеристику резистора Rк, уравнение которой имеет вид
k
K
E
I
R
=
, т. е. закон Ома. Учитывая, что это уравнение прямой ли-
нии, для её построения достаточно найти две точки. При токе, рав-
ном нулю, — точка E
K
.
При падении напряжения на резисторе Rк
напряжения E
K
ток равен I
K
. Минимальный ток ключа соответству-
ет точке 2, а минимальное падение напряжения на транзисторе —
точке 1. В точке 2 транзистор заперт, так как на его базе действу-
ет положительное смещение; в точке 1 транзистор открыт и
насыщен. Рассмотрим подробнее эти два состояния, положив в
основу формулы (4.4), описывающие идеализированный герма-
ниевый транзистор в режиме большого сигнала.
Режим отсечки. Пусть обе э. д. значительно превышают ве-
личину температурного потенциала
T
ϕ . Положим, кроме того,