ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 10237
Скачиваний: 26
191
E
1
2
R
C
I
C
U
C
U
C0
U
0
0
И
R
C
C
З
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 перезарядкой
межэлектродных емкостей через внешние резисторы, а также пе-
резарядкой емкости затвор-канал через сопротивление канала.
Последний 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. уподобить
канал простейшей RC-цепочке. В качестве элементов такой це-
почки можно принять емкость затвора (5.16) и сопротивление ка-
192
нала (5.19). Тогда постоянная времени канала (она же постоянная
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 ультрако-
ротких (доли микрона) каналах удается обеспечить граничные
частоты до 10 — 20 Ггц и выше. На эквивалентной схеме пара-
метры Сз и Rо не показаны, так как их влияние отражено опера-
торным или комплексным характером крутизны S. В типичных
случаях емкость затвора составляет десятые доли пикофарады
(иногда 1 — 2 пф), а сопротивление 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 темпе-
ратуры, поскольку взаимно компенсируются влияния температуры
на удельную крутизну S (через подвижность
μ) и пороговое на-
пряжение 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 оп-
ределяется в первую очередь минимальным падением напряже-
ния на нем в замкнутом состоянии, минимальным током в ра-
зомкнутом состоянии, а также скоростью перехода из одного со-
стояния 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 сопро-
тивление R
Б,
которое, в частности, может быть внутренним со-
противлением генератора.
VT
I
Э
I
К
U
ВХ.
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 уси-
лителей. Поэтому такое включение положено в основу после-
195
дующего анализа, а особенности других включений и других
схемных вариантов ключей будут охарактеризованы позднее. В
отличие от усилителей, в которых (за исключением мощных кас-
кадов класса В) транзисторы работают в активном режиме, в
ключах (импульсных устройствах вообще) транзисторы должны
работать в нескольких качественно различных режимах. Эти ре-
жимы характеризуются полярностями напряжений на переходах
транзистора.
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
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 A, 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 на-
сыщен. Рассмотрим подробнее эти два состояния, положив в ос-
нову формулы (4.4), описывающие идеализированный германие-
вый транзистор в режиме большого сигнала.
Режим отсечки. Пусть обе э. д. значительно превышают ве-
личину температурного потенциала
T
ϕ . Положим, кроме того,
что сопротивления R
Б
и R
К
выбраны таким образом, что падением