Файл: 1. Полупроводники. Основные положения теории электропроводимости. Собственная и примесная проводимость полупроводника.docx

15.Эквивалентная схема замещения биполярного транзистора в H – параметрах

При любой схеме включения транзистор может быть представлен в виде активного четырехполюсника (рис. 1.2), на входе которого действует напряжение u₁и протекает ток i₁, а на выходе — напряжение u₂ и ток i₂.
Рис.1.2. Схема транзистора, представленного в виде активного четырехполюсника
Для транзисторов чаще всего используются h-параметры, т.к. они наиболее удобны для измерений. Система уравнений, показывающая связь напряжений и токов с h-параметрами, имеет вид:

u₁ = h₁₁ i₁ + h₁₂ u₂;

i₂ = h₂₁ i₁ + h₂₂ u₂ .

Физический смысл соответствующих коэффициентов следующий:

h₁₁ =i₁ / u₁ - входное сопротивление при коротком замыкании на выходе (u₂=0);

h₁₂ =i₁ / u₂ - коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе (i₁=0);

h₂₁ =i₂ / i₁ - коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе (u₂=0);

h₂₂ =i₂ / u₂ - выходная проводимость при холостом ходе на входе (i₁=0).

Знание h-параметров позволяет построить эквивалентную линейную схему замещения транзистора, изображенную на рис.1.3.

Подобные схемы замещения используются при аналитическом расчете транзисторных схем, позволяют получить простые расчетные соотношения и произвести количественную оценку параметров схем.



Рис.1.3. Эквивалентная схема замещения транзистора в h-параметрах

Значения h-параметров зависят от выбора рабочей точки, температуры, частоты и схемы включения транзистора. Для определенной схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК) добавляются соответствующие ин­дексы (Э, Б, К) при обозначении параметров, напримерh_11Э; h_{22 K} и т. д.

Приближенные значения h-параметров можно определить графоаналитическим способом по статическим входным и выходным харак­теристикам. Для определения всех

---

h-параметров необходимо иметь не менее двух характеристик каждого семейства (входных и выход­ных). Параметры рассчитываются по величинам конечных при­ращений токов и напряжений вблизи рабочей точки транзис­тора.

16 Полевой транзистор с управляющим p-n переходом .Устройство , принцип работы, вольтамперные характеристики, основные параметры , графическое обозначение

Полевым транзистором (ПТ) называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором ток создается носителями заряда одного знака, а управление током осуществляется электрическим полем. ПТ подразделяются на два вида: полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором. Структурная схема ПТ с управляющим p-n-переходом представлена на рис.2.1.

Центральную область транзистора называют каналом. В зависимости от проводимости канала выделяют ПТ с каналом n-типа или каналом p-типа. Канал n-типа обладает электронной проводимостью, p-типа - дырочной. Электрод, из которого в канал входят носители заряда, называют истоком (И), а электрод, через который носители уходят из канала, - стоком (С). Между стоком и истоком подключается источник питания U_СИ и сопротивление нагрузки R_н. Напряжение прикладывается такой полярности, чтобы ток основных носителей протекал в канале от истока к стоку.



Рис.2.1. Структурная схема полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и р-каналом



Вдоль канала расположены слои полупроводника с проводимостью противоположного знака. Эти области соединены вместе и образуют единый электрод, называемый затвором (З). Между каналом и затвором образуется p-n-переход. Между затвором и истоком подается напряжение питания U_ЗИ, запирающее p-n-переход.

• 
  исток — электрод, из которого в канал входят основные носители заряда;
  
• 
  сток — электрод, через который из канала уходят основные носители заряда;
  
• 
  затвор — электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала.
  

Работа ТП основана на изменении проводимости канала под действием напряжения, приложенного к затвору. При увеличении

---

U_ЗИ p-n-переход смещается в обратном направлении, ширина слоев, обедненных носителями зарядов, увеличивается; p-n-переход расширяется. Концентрация примесей в полупроводниковых слоях затвора больше чем в канале, поэтому расширение p-n-перехода идет в основном за счет канала. Проводимость канала прямо пропорциональна эффективной площади его поперечного сечения. При расширении p-n-перехода эффективная площадь поперечного сечения уменьшается, снижается проводимость канала.

Таким образом, изменяя управляющее напряжение на затворе, можно изменять величину тока в канале. На рис. 2.2 представлены ВАХ ПТ: стокозатворная (при U_CИ=const) и стоковая (при U_ЗИ = const). При U_ЗИ= U_ЗИОТС канал практически смыкается, эффективная площадь его сечения стремится к нулю, сопротивление – к бесконечности, а I_C - к нулю.

Стоковые характеристики имеют явно выраженный нелинейный характер. В рабочем режиме используется пологий участок стоковой характеристики.

К основным параметрам ПТ относятся: крутизна стокозатворной характеристики (при U_CИ=const), которая характеризует усилительные свойства ПТ и дифференциальное сопротивление канала (при U_ЗИ = const).

Рис.2.2. Вольт-амперные характеристики полевого транзистора а - стокозатворная, б - стоковая

Для расчета крутизны на линейном участке стокозатворной характеристики строят треугольник АВС (рис.2.2а), по которому находят приращения тока и напряжения . Дифференциальное сопротивление канала определяется наклоном стоковой характеристики в области насыщения (рис. 2.2б). Этот параметр находят построением треугольника А’В’С’, по которому определяют приращения тока и напряжения .

Применение

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

---

17. МДП транзистор с встроенным каналом. Устройство , принцип работы, вольтамперные характеристики, основные параметры , графическое обозначение

Полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET) — это полевой транзистор, затвор которого электрически изолирован от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильно легированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой диоксида кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 10¹⁰…10¹⁴ Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 10⁷…10⁹), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

Рассмотрим особенности МДП-транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом п-типа показана на рис. 5.7, а. В исходной пластине кремния р-типа с помощью диффузионной технологии созданы области истока, стока и канала п-типа. Слой окисла SiO2 выполняет функции защиты поверхности, близлежащей к истоку и стоку, а также изоляции затвора от канала. Вывод подложки (если он имеется) иногда присоединяют к истоку.

---

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора со встроенным каналом п-типа для случая соединения подложки с истоком показаны на рис. 5.7, б. По виду эти характеристики близки к характеристикам полевого транзистора с p-n-переходом. Рассмотрим характеристику при Uзи = 0, что соответствует соединению затвора с истоком. Внешнее напряжение приложено к участку исток — сток положительным полюсом к стоку. Поскольку Uзи = 0, через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. На начальном участке 0—а, когда падение напряжения в канале мало, зависимость Ic(Ucи) близка к линейной. По мере приближения к точке б падение напряжения в канале приводит ко все более существенному влиянию его сужения (пунктир на рис. 5.7, а) на проводимость канала, что уменьшает крутизну нарастания тока на участке а—б. После точки б токопроводящий канал сужается до минимума, что вызывает ограничение нарастания тока и появление на характеристике пологого участка II.



Рис. 5.7. Конструкция МДП-транзистора со встроенным каналом п-типа (а); стоко-затворная характеристика (б); стоко-затворная характеристика (в)

Покажем влияние напряжения затвор — исток на ход стоковых характеристик.

В случае приложения к затвору напряжения (Uзи < 0) поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны — носители заряда в канале, что приводит к уменьшению их концентрации в канале и проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при Uзи < 0 располагаются ниже кривой, соответствующей Uзи = 0. Режим работы транзистора (Uзи < 0), при котором происходит уменьшение концентрации заряда в канале, называют режимом обеднения.

При подаче на затвор напряжения Uзи > 0 поле затвора притягивает электроны в канал из р-слоя полупроводниковой пластины. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями. Проводимость канала возрастает, ток Iс увеличивается. Стоковые характеристики при Uзи > 0 располагаются выше исходной кривой (Uзи = 0).

Для транзистора имеется предел повышения напряжения Uсз ввиду наступления пробоя прилежащего к стоку участка сток — затвор. На стоковых характеристиках пробою соответствует достижение некоторой величины Uси.пр. В случае Uзи 0 (режим обогащения).

---