Обозначение выводов полевого транзистора
Для обозначения выводов биполярных транзисторов, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору, применяют буквы кириллицы или латиницы Б (В – Base), Э (Е – Emitter) и К (С -Collector) соответственно. На значке схемного обозначения транзистора стрелка указывает условное направление тока в эмиттере от плюса к минусу (рис. 1. а).
Для обозначения выводов полевых транзисторов, относящихся к затвору, стоку и истоку, применяют буквы кириллицы или латиницы 3 (G – Gate), С (D – Drain) и И (S – Source) соответственно.
Рис. 1. Обозначение выводов биполярных (а) и полевых (б) транзисторов на электрической схеме
Полевой транзистор – это полупроводниковый преобразовательный прибор, в котором ток, текущий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком. Предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.
Полевые транзисторы применяются в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением, ключевых и логических устройствах, при изготовлении микросхем.
Принцип действия полевых транзистор ов снован на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током, осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Поэтому эти транзисторы называют полевыми.
По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р- n – перехода и с изолированным затвором (МДП – или МОП – транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом.
В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на полевые транзисторы с каналом р- типа и полевые транзисторы с каналом n – типа. Канал р- типа обладает дырочной проводимостью, а n – типа – электронной.
Полевой транзистор с управляющим р- n – переходом – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р- n -переходом, смещенным в обратном направлении.
Устройство полевого транзистора с управляющим р- n -переходом (каналом n – типа)
Условное обозначение полевого транзистора с р- n -переходом и каналом n – типа (а), каналом р- типа (б)
Каналом полевого транзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения.
Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение U зи является обратным для обоих р- n – переходов. Ширина р- n – переходов, а, следовательно, эффективная площадь поперечного сечения канала, его сопротивление и ток в канале зависят от этого напряжения. С его ростом расширяются р- n – переходы, уменьшается площадь сечения токопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, следовательно, уменьшается ток в канале. Следовательно, если между истоком и стоком включить источник напряжения U си, то силой тока стока I с , протекающего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления (сечения) канала с помощью напряжения, подаваемого на затвор. На этом принципе и основана работа полевого транзистора с управляющим р- n – переходом.
При напряжении U зи = 0 сечение канала наибольшее, его сопротивление наименьшее и ток I с получается наибольшим. Ток стока I с нач при U зи = 0 называют начальным током стока. Напряжение U зи , при котором канал полностью перекрывается, а ток стока I с становится весьма малым (десятые доли микроампер), называют напряжением отсечки U зи отс .
Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р- n – переходом
Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р- n – переходом и каналом n – типа, отражают зависимость тока стока от напряжения U си при фиксированном напряжении U зи : I c = f ( U си ) при U зи = const .
Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р-п- переходом и каналом п- типа: а – стоковые; б – стокозатворная
Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние и управляющее напряжение U зи , и напряжение U си . При U си = 0 выходной ток I с = 0. При U си > 0 ( U зи = 0) через канал протекает ток I c , в результате создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока.
Полевые транзисторы с изолированным затвором
У полевого транзистора с изолированным затвором (МДП – транзистор), затвор отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. МДП – транзисторы в качестве диэлектрика используют оксид кремния SiO 2. Другое название таких транзисторов – МОП – транзисторы ( металл-окисел-полупроводник).
Принцип действия МДП – транзисторов основан на изменении проводимости поверхностного слоя полупроводника под воздействием поперечного электрического поля. Поверхностный слой, является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП – транзисторы выполняют двух типов – со встроенным каналом и с индуцированным каналом.
Конструкция МДП – транзистора со встроенным каналом n -типа. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, с помощью диффузионной технологии созданы две легированные области с противоположным типом электропроводности – n . На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Между истоком и стоком имеется поверхностный канал с электропроводностью n – типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика. На этот слой нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.
При подаче на затвор положительного напряжения, создающимся электрическим полем дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны – из подложки в канал.
Канал обогащается – электронами, и его проводимость увеличивается при возрастании ток стока . Это называется режим обогащения.
При подаче на затвор отрицательного напряжения, относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основными носителями заряда, проводимость уменьшается, а ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.
В таких транзисторах при U зи = 0, если приложить напряжение между стоком и истоком ( U си > 0), протекает ток стока I с нач , называемый начальным и, представляющий собой поток электронов.
Канал проводимости тока не создается, а образуется благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины, при приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения канала нету, и между истоком и стоком n -типа расположен только кристалл р- типа, а на одном из р- n – переходов получается обратное напряжение.
Полевым транзистором именуют такой компонент, через который под влиянием продольного электрического поля протекает ток, обусловленный движением носителей заряда сугубо одного типа.Так как принцип действия полевых транзисторов основан на перемещении основных носителей заряда одного типа проводимости, такие компоненты ещё называют униполярными.
Затвором называют вывод полевого транзистора, к которому подводят напряжение от устройства управления. Следует подчеркнуть, что управление полевыми транзисторами осуществляют напряжением, а биполярными транзисторами – током. Истоком именуют вывод, который обычно служит источником поступления в транзистор носителей заряда от устройства электропитания. Стоком называют вывод компонента, через который носители заряда покидают транзистор. Перемещение основных носителей заряда от истока к стоку происходит по области, которая носит название канала полевого транзистора. Каналы у полевых транзисторов могут быть как электронного, так и дырочного типов проводимостей. Носителями заряда в полевых транзисторах n-типа выступают электроны, а в приборах p-типа – дырки. Полевые транзисторы классифицируют на приборы с управляющим переходом и с изолированным затвором, причём последние подразделяют на транзисторы со встроенным каналом и приборы с индуцированным каналом.
К основным параметрам полевых транзисторов причисляют входное сопротивление, внутреннее сопротивление транзистора, также называемое выходным, крутизну стокозатворной характеристики, напряжение отсечки и другое.
Входное сопротивление транзистора – это отношение приращения напряжения затвор-исток и приращению тока затвора. Внутреннее сопротивление транзистора – это отношение приращения напряжения сток-исток к приращению тока стока при заданном напряжении затвор-исток. Крутизна стокозатворной характеристики – это отношение приращения тока стока к приращению напряжения затвор-исток при фиксированном напряжении сток-исток.
5.2. Полевые транзисторы с управляющим переходом
5.2.1. Конструкция полевых транзисторов с управляющим переходом
Первый полевой транзистор с управляющим переходом теоретически были рассчитан Уильямом Шокли в 1952 году. Одна из разновидностей таких транзисторов – унитрон – представляет собой полупроводниковую пластину дырочного или электронного типов проводимостей. На её торцы наносят токопроводящие плёнки, к которым подключают выводы стока и истока, а широкие грани легируют для получения противоположного типа проводимости относительно проводимости пластины и подсоединяют к этим граням вывод затвора.
Другая разновидность полевых транзисторов с управляющим переходом – текнетрон – может быть образован, например, стержнем из германия, к торцам которого подсоединяют выводы истока и стока, а вокруг стержня внесением индия выполняют кольцеобразный затвор.
Упрощённая конструкция полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа проводимости изображена на рис. 5.1.
Из рисунка видно, что канал возникает между двумя p-n переходами. Конструкция компонентов с каналом n-типа не имеет отличий от конструкции полевых транзисторов с каналом p-типа, что видно на рис. 5.2.
Но в полевых транзисторах с каналом n-типа полупроводник, в котором возникает канал, обладает электронным типом проводимости, а области затвора имеют дырочную проводимость. Полевые транзисторы с каналом n-типа могут обладать лучшими частотными и температурными свойствами и образовывать шумы меньшей амплитуды, чем приборы с каналом p-типа.
5.2.2. Принцип действия полевых транзисторов с управляющим переходом
Принцип действия полевых транзисторов с управляющим переходом заключён в изменении площади сечения канала под воздействием поля, возникающего при подаче напряжения между затвором и истоком.
Упрощённая структура полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа приведена на рис. 5.3.
Пока между затвором и истоком не подано напряжение управления, под воздействием внутреннего поля электронно-дырочных переходов они заперты, сечение канала наиболее велико, его сопротивление низко, и ток стока транзистора максимален. Напряжение затвор-исток, при котором ток стока наиболее велик, называют напряжением насыщения.
Если между затвором и истоком приложить небольшое напряжение, ещё немного закрывающее p-n переходы, то зоны, к которым подсоединён затвор, будут обеднены носителями заряда, размеры этих зон объёмного заряда возрастут, частично перекрывая сечение канала, сопротивление канала возрастёт, и сила тока стока станет меньше. Обеднённые носителями заряда области почти не проводит электрический ток, причём эти области неравномерны по длине пластины полупроводника. Так, у торца пластинки, к которому подключен вывод стока, обеднённые носителями заряда области будут наиболее существенно перекрывать канал, а у противоположного торца, к которому подсоединён вывод истока, снижение площади сечения канала будет наименьшим.
Если приложить ещё большее напряжение между затвором и истоком, то области, обеднённые носителями заряда, станут столь велики, что сечение канала может быть ими полностью перекрыто. При этом сопротивление канала будет наибольшим, а ток стока будет практически отсутствовать. Напряжение затвор-исток, соответствующее такому случаю, именуют напряжением отсечки.
К важнейшим характеристикам полевых транзисторов относят стокозатворную характеристику и семейство стоковых характеристик. Стокозатворная характеристика отражает зависимость силы тока стока от приложенного к выводам затвор-исток напряжения при фиксированном напряжении сток-исток. Это показано на рис. 5.4 для полевых транзисторов с управляющим переходом и каналами p-типа и n-типа проводимостей.
Семейство стоковых характеристик представляет зависимости токов стока от напряжений сток-исток при фиксированных стабильных напряжениях затвор-исток, что изображено на рис. 5.5.
По достижении определённого значительного напряжения сток-исток развивается лавинный пробой области между затвором и стоком.
При этом идёт резкое увеличение тока стока, что можно видеть на стоковой характеристике.
Функционирование полевых транзисторов с управляющим переходом возможно сугубо путём обеднения канала носителями заряда. В связи с тем, что напряжение сигнала прикладывают к закрытому переходу, входное сопротивление каскада велико и для рассмотренных выше приборов может достигать 109 Ом.
5.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором
Полевой транзистор с изолированным затвором потому носит такое название, что его затвор, выполненный из тонкого металлического покрытия, нанесён на диэлектрический слой, который отделяет затвор от канала. По этой причине полевые транзисторы с изолированным затвором имеют аббревиатуру МДП (металл – диэлектрик – полупроводник). Слой диэлектрика часто образуют двуокисью кремния. Такие полевые транзисторы носят аббревиатуру МОП (металл – оксид – полупроводник). Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют большее входное сопротивление, достигающее 1015 Ом, чем полевые транзисторы с управляющим переходом.
5.3.1. Полевые транзисторы со встроенным каналом
Структура полевого транзистора со встроенным каналом n-типа проводимости дана на рис. 5.6.
Приложим от источника питания постоянное напряжение между выводами сток-исток. Пока напряжение затвор-исток отсутствует, канал обладает некоторым сопротивлением, по нему двигаются основные носители заряда, а, следовательно, протекает некоторый ток стока транзистора. Если к выводам затвор-исток транзистора с каналом n-типа подключить источник питания так, чтобы на затвор было подано напряжение положительной полярности, то неосновные носители заряда, присутствующие в подложке, будут втянуты электрическим полем в канал. Концентрация носителей заряда в канале возрастёт, его сопротивление станет меньше, а, значит, ток стока станет больше. Если подключить источник питания обратной полярностью так, чтобы на затвор было подано отрицательное напряжение относительно истока, то электроны, присутствующие в канале, под действием поля будут вытеснены в подложку.
При этом концентрация носителей заряда в канале станет ниже, сопротивление канала возрастет, и ток стока станет меньше. Если запирающее напряжение затвор-исток будет столь велико, что практически все носители заряда будут оттеснены в подложку, то ток стока станет почти отсутствовать. Стокозатворные характеристики полевых транзисторов со встроенным каналом n-типа и p-типа проводимостей приведены на рис. 5.7.
Заключим, что полевые транзисторы со встроенным каналом функционируют как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала.
5.3.2. Полевые транзисторы с индуцированным каналом
Структура полевого транзистора n-типа проводимости с индуцированным каналом представлена на рис. 5.8.
Когда напряжение затвор-исток полевого транзистора, изображённого на рисунке, отсутствует, либо к затвору приложено напряжение отрицательной полярности, канал не возникает и ток стока транзистора не течёт. Когда на затор транзистора подано напряжение положительной полярности относительно истока, возникнет электрическое поле, втягивающее в область под затвором электроны, которые находились в подложке на правах неосновных носителей заряда.
А дырки из канала полем будут оттеснены в подложку, обладающую p-типом проводимости. Концентрация электронов в локальном участке полупроводника под затвором между стоком и истоком возрастает относительно концентрации дырок, то есть имеет место смена типа проводимости и возникает, или как говорят, индуцируется, канал. В результате происходит движение носителей заряда по каналу, и течёт ток стока. Стокозатворные характеристики полевых транзисторов с индуцированным каналом p-типа и n-типа проводимостей даны на рис. 5.9.
Сделаем вывод, что полевые транзисторы с индуцированным каналом функционируют сугубо в режиме обогащения канала носителями заряда.
5.4. Режимы работы полевых транзисторов
5.4.1. Динамический режим работы транзистора
Динамическим режимом работы называют такой режим, в котором к транзистору, который усиливает входной сигнал, подключена нагрузка. Такой нагрузкой может служить резистор Rс, подсоединённый последовательно со стоком полевого транзистора, включённого по схеме с общим истоком, что показано на рис.
5.10.
Постоянное напряжение питания каскада Uп составляет сумму падений напряжений на выводах сток-исток транзистора и на резисторе Rс, то есть Uп = URс + Uси.р. В тоже время, согласно закону Ома, падение напряжения на нагрузочном резисторе Rс равно произведению протекающего по нему тока Iс.р на его сопротивление: URс = Iс.р • Rс. Согласно сказанному, напряжение питания каскада составляет: Uп = Uси.р + Iс.р • Rс. Последнее выражение можно переписать относительно напряжения сток-исток транзистора, и в этом случае получим линейную формулу для выходной цепи Uси.р = Uп – Iс.р • Rс, которую именуют уравнением динамического режима.
На выходных статических характеристиках транзистора для получения представления о режимах работы каскада строят динамическую характеристику, имеющую форму линии. Рассмотрим рисунок 5.11, на котором изображена такая динамическая характеристика усилительного каскада.
Чтобы провести эту линию, которую ещё называют нагрузочной прямой, необходимо знать две координаты точек, соответствующих напряжению питания каскада и току стока в режиме насыщения.
Эта нагрузочная прямая пересекает семейство выходных статических характеристик, а точка пересечения, которую называют рабочей, соответствует определённому напряжению затвор-исток. Зная положение рабочей точки, можно вычислить некоторые ранее не известные токи и напряжения в конкретном устройстве.
5.4.2. Ключевой режим работы транзистора
Ключевым называют такой режим работы транзистора, при котором он может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт, а промежуточное состояние, при котором компонент частично открыт, в идеале отсутствует. Мощность, которая выделяется в транзисторе, в статическом режиме равна произведению тока, протекающего через выводы сток-исток, и напряжения, приложенного между этими выводами.
В идеальном случае, когда транзистор открыт, т.е. в режиме насыщения, его сопротивление межу выводами сток-исток стремится к нулю. Мощность потерь в открытом состоянии представляет произведение равного нулю напряжения на определённую величину тока. Таким образом, рассеиваемая мощность равна нулю.
В идеале, когда транзистор закрыт, т.е. в режиме отсечки, его сопротивление между выводами сток-исток стремится к бесконечности. Мощность потерь в закрытом состоянии есть произведение определённой величины напряжения на равное нулю значение тока. Следовательно, мощность потерь равна нулю.
Выходит, что в ключевом режиме, в идеальном случае, мощность потерь транзистора равна нулю. На практике, естественно, когда транзистор открыт, присутствует некоторое небольшое сопротивление сток-исток. Когда транзистор закрыт, по выводам сток-исток протекает ток небольшой величины. Таким образом, мощность потерь в транзисторе в статическом режиме мала. Однако в динамическом режиме, когда транзистор открывается или закрывается, его рабочая точка форсирует линейную область, в которой ток через транзистор может условно составлять половину максимального тока стока, а напряжение сток-исток может достигать половины от максимальной величины. Таким образом, в динамическом режиме в транзисторе выделяется огромная мощность потерь, которая свела бы на нет все замечательные качества ключевого режима, но к счастью длительность нахождения транзистора в динамическом режиме много меньше длительности пребывания в статическом режиме.
В результате этого КПД реального транзисторного каскада, работающего в ключевом режиме, может быть очень высок и составлять до 93% – 98%.
Работающие в ключевом режиме транзисторы широко применяют в силовых преобразовательных установках, импульсных источниках электропитания, в выходных каскадах некоторых передатчиков и пр.
| Здесь Ваше мнение имеет значение – поставьте вашу оценку (оценили – 15 раз) |
Москатов Е. А. Книга «Электронная техника. Начало»
Полевой транзистор с p – n переходом. Устройство, принцип действия.
Биполярные транзисторы управляются током, полевые транзисторы управляются напряжением.
Различают
следующие типы полевых транзисторов:
полевые транзисторы с управляющим
p-n переходом;
полевые транзисторы с изолированным затвором.
Полевой транзистор с p-n переходом.
Обозначение выводов: С-сток, З-затвор, И-исток
Рис. 44 Полевой транзистор с каналом n типа.
Рис. 45 Полевой транзистор с каналом p типа.
Ток через канал образуется за счет основных носителей. При n-канале — за счет электронов. Управляющей цепью является цепь затвор-исток (З-И). Управляемой цепью является С-И. С помощью Uзи регулируется ширина канала, его проводимость, ток через него. При подаче отрицательного напряжения на затвор в области p-n перехода образуется обедненный слой (как у диода, смещенного в обратном направлении). Чем шире обедненный слой, тем уже канал, по которому могут проходить электроны от истока к стоку, т.к. обедненный слой, лишенный свободных носителей ведет себя как изолятор.
В
отличие от биполярного транзистора
ток, текущий через полевой транзистор,
образуется только
основными носителями,
поэтому такой транзистор называют униполярным.
Он в меньшей степени подвержен влиянию
температуры и радиации, т.к. этими
факторами определяется концентрация
неосновных носителей.
Входные и выходные характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом n-типа
Характеристики полевого транзистора с каналом n-типа приведены на рис.
При Uзи=0 , Iс=Icнач=Imax; при |-Uзи|>|-Uотс|, Iс=0. Здесь Icнач –начальный ток стока; напряжение Uотс называется — напряжение отсечки. Uотс=(0,3…10)В, Iснач=(1…20)мА. Запрещается подавать положительное напряжение на затвор, так как на переходе ЗИ возрастает выделяемая мощность (нагрев). При приложении отрицательного управляющего напряжения обратный ток через ЗИ пренебрежительно мал.
Управление током стока осуществляется путем подачи Uзи со знаком, обратным направлению проводимости p-n перехода.
Полевые мдп-транзисторы, их особенности, характеристики. Сравнительная оценка полевых и биполярных транзисторов.
Структура МДП транзистора представлена на рис:
Их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-оксид-полупроводник) транзисторами. У таких транзисторов затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой работы таких транзисторов является эффект поля, который состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля.
Устройство: Есть подложка из полупроводника с р – проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n – проводимостью (исток и сток)
Между
ними пролегает узкая
приповерхностная перемычка,
проводимость которой также n-типа. Над
ней на поверхности пластины имеется
тонкий слой диэлектрика (чаще всего из
диоксида кремния — отсюда, кстати,
аббревиатура МОП). А уже на этом слое и
расположен затвор — тонкая металлическая
пленка.
Сам кристалл обычно соединен с
истоком, хотя бывает, что его подключают
и отдельно.
Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.
А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.
Рассмотренная
выше конструкция транзистора с
изолированным затвором похожа на
конструкцию с управляющим p-n переходом
тем, что даже при нулевом токе на затворе
при ненулевом напряжении исток-сток
между ними существует так называемый
начальный ток стока.
В обоих случаях
это происходит из-за того, что канал для
этого тока встроен в конструкцию
транзистора. Т.е., строго говоря, только
что мы рассматривали такой подтип
МДП-транзисторов, как транзисторы
с встроенным каналом.
Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.
Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим
на затвор (прямое относительно истока)
напряжение. Возникшее электрическое
поле «потянет» электроны из
сильнолегированных областей в подложку
в направлении затвора. И по достижении
напряжением на затворе определенного
значения в приповерхностной зоне
произойдет так называемая инверсия
типа проводимости.
Т.е. концентрация
электронов превысит концентрацию дырок,
и между стоком и истоком возникнет
тонкий канал n-типа. Транзистор начнет
проводить ток, тем сильнее, чем выше
напряжение на затворе. полевой транзистор
переход затвор
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.
Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:
А) со встроенным каналом n- типа;
Б) со встроенным каналом р- типа;
В) с выводом от подложки;
Г) с индуцированным каналом n- типа;
Д) с индуцированным каналом р- типа;
Е) с выводом от подложки.
Сравнительная оценка полевых и биполярных транзисторов.
Теория транзисторов — Транзисторы с биполярным переходом
Транзисторы с биполярным переходом
Вы должны вспомнить из более раннего обсуждения, что PN-переход с прямым смещением
сравнимы с элементом цепи с низким сопротивлением, потому что он пропускает большой ток в течение
заданное напряжение.
В свою очередь, PN-переход с обратным смещением сравним с
высокоомный элемент цепи. Используя формулу закона Ома для мощности
( P = I 2 R ) и при условии, что ток поддерживается постоянным,
можно сделать вывод, что мощность, развиваемая на высоком сопротивлении, больше
чем тот, который развивался при низком сопротивлении. Таким образом, если бы кристалл содержал
два PN-перехода (один с прямым смещением, другой с обратным смещением), маломощный сигнал
могут быть введены в переход с прямым смещением и генерировать сигнал высокой мощности
на переходе с обратным смещением. Таким образом, будет получен прирост мощности
по кристаллу. Эта концепция является основной теорией того, как работает транзистор.
усиливает. Имея в памяти эту свежую информацию, давайте перейдем непосредственно к
NPN-транзистор.
Работа транзистора NPN
Как и в случае диода с PN-переходом, N-материал, из которого состоит
две концевые секции транзистора N P N содержат некоторое количество свободных электронов,
в то время как центральная секция P содержит избыточное количество отверстий.
Действие на каждом перекрестке между этими секциями такое же, как описано ранее для диода; то есть,
развиваются области истощения и появляется соединительный барьер. Использование транзистора
в качестве усилителя каждый из этих переходов должен модифицироваться некоторым внешним напряжением смещения.
Чтобы транзистор функционировал в этом качестве, первый PN-переход
(переход эмиттер-база) смещен в прямом или низкоомном направлении.
В то же время второй переход PN (переход база-коллектор) смещен в обратном направлении,
или высокоомное, направление. Простой способ запомнить, как правильно смещать транзистор
заключается в наблюдении за элементами NPN или PNP, из которых состоит транзистор. Письма
эти элементы указывают, какую полярность напряжения использовать для правильного смещения. Например,
обратите внимание на транзистор NPN ниже:
1. Излучатель, который является первой буквой в последовательности N PN, подключается к n отрицательная сторона батареи, а основание, которое является второй буквой (N P N),
подключается к положительной стороне p .
2. Однако, поскольку второй PN-переход должен быть смещен в обратном направлении для правильного работы транзистора, то коллектор должен быть подключен к напряжению противоположной полярности ( p ositive), чем то, что указано в его буквенном обозначении (NP N ). Напряжение на коллекторе также должно быть больше положительного, чем на базе, как показано ниже:
Теперь у нас есть правильно смещенный NPN-транзистор.
Таким образом, база транзистора N P N должна быть p положительной с относительно эмиттера, а коллектор должен быть более положительным, чем база.
Соединение прямого смещения NPN
Важный момент, который следует отметить в это время, который не обязательно упоминался
во время объяснения диода, это тот факт, что материал N с одной стороны
перехода с прямым смещением легирован сильнее, чем материал P.
Это приводит к тому, что через соединение проходит больше тока.
электронов-носителей из материала N, чем большинство дырок-носителей из P
материал.
Следовательно, проводимость через прямосмещенный переход, как показано
на рисунке ниже в основном на электронов основных носителей из материала N (эмиттер).
Переход с прямым смещением в транзисторе NPN.
С переходом эмиттер-база на рисунке, смещенным в прямом направлении, электроны покидают отрицательную клемму батареи и входят в материал N (эмиттер). Поскольку электроны являются основными носителями тока в материале N, они легко проходят через через эмиттер, пересечь переход и соединить с отверстиями в материале P (основа). Для каждого электрона, заполняющего дырку в материале P, другой электрон покинет материал P (создав новую дырку) и войдет в положительный полюс батареи.
Соединение обратного смещения NPN
Второй переход PN (база-коллектор), или переход с обратным смещением, как его называют.
(рисунок ниже), блокирует пересечение узла большинством носителей тока. Однако,
есть очень небольшой ток, упомянутый ранее, который действительно проходит через это соединение.
Этот ток называется ток меньшинства или обратный ток . Как вы помните,
этот ток создавался электронно-дырочными парами. Миноритарные перевозчики для
PN-переход с обратным смещением — это электронов в материале P и дырок в материале Н. Эти неосновные носители фактически проводят ток для
переход с обратным смещением, когда электроны из материала P входят в материал N,
а отверстия из материала N входят в материал P. Однако меньшинство
Электроны тока (как вы увидите позже) играют самую важную роль в
работу NPN-транзистора.
Переход с обратным смещением в транзисторе NPN.
В этот момент вы можете задаться вопросом, почему второй переход PN (база-коллектор) не
смещен в прямом направлении, как и первый переход PN (излучатель-база). Если оба соединения
были бы смещены вперед, электроны имели бы тенденцию вытекать из каждого
конечная часть N P N транзистор (эмиттер и коллектор)
к центральной секции P (базе). По сути, у нас было бы два переходных диода, обладающих
общей базы, тем самым исключая любое усиление и нанося ущерб цели
транзистор.
Слово предостережения в порядке в это время. Если вы должны
ошибочно смещает второй PN-переход в прямом направлении, чрезмерное
ток может выделять достаточно тепла, чтобы разрушить переходы, делая
бесполезный транзистор. Поэтому убедитесь, что полярность напряжения смещения верна.
перед выполнением каких-либо электрических соединений.
Взаимодействие соединения NPN
Теперь мы готовы посмотреть, что произойдет, если мы поместим два соединения Транзистор NPN в работе в то же время. Для лучшего понимания того, как эти два соединения работают вместе, обратитесь к рисунку ниже во время обсуждения.
Работа транзистора NPN.
Батареи смещения на этом рисунке обозначены V CC для
питания коллектора и В BB для питания базового напряжения.
Также обратите внимание, что батарея основного источника питания довольно мала, на что указывает
количество ячеек в аккумуляторе, обычно 1 вольт или менее. Однако,
подача коллектора, как правило, намного выше, чем подача базы, обычно
около 6 вольт.
Как вы увидите позже, эта разница в напряжениях питания
необходимо, чтобы ток протекал от эмиттера к коллектору.
Как указывалось ранее, ток во внешней цепи всегда обусловлен
к движению свободных электронов. Следовательно, электроны текут из отрицательных
клеммы батарей питания к эмиттеру N-типа. Это комбинированное движение
электронов известен как ток эмиттера ( I E ).
Поскольку электроны являются основными носителями в материале N, они будут двигаться через
эмиттер из N-материала к переходу эмиттер-база. С этой развязкой вперед
при смещении электроны продолжают двигаться в базовую область. Как только электроны находятся в
основание, представляющее собой материал П-типа, теперь они становятся малыми носителями .
Часть электронов, перемещающихся в базу, рекомбинирует с имеющимися дырками.
На каждый электрон, который рекомбинирует, другой электрон уходит через базу.
провод как базовый ток I B (создание нового отверстия для
возможная комбинация) и возвращается к батарее основного питания V BB .
Электроны, которые рекомбинируют, теряются для коллектора. Поэтому,
чтобы сделать транзистор более эффективным, базовая область сделана очень тонкой и
слегка легированный. Это уменьшает возможность рекомбинации электрона.
с дырой и потеряться. Таким образом, большая часть электронов, перешедших в базу
области попадают под влияние большого обратного смещения коллектора. Эта предвзятость действует
как прямое смещение для неосновных носителей (электронов) в базе и, как таковое,
ускоряет их через переход база-коллектор в коллектор
область, край. Поскольку коллектор изготовлен из материала N-типа, электроны
которые доходят до коллектора снова стали мажоритарными текущими перевозчиками .
Оказавшись в коллекторе, электроны легко перемещаются через материал N и
возврат к плюсовой клемме коллектора питающей батареи В СС как ток коллектора ( I C ).
Для дальнейшего повышения КПД транзистора коллектор
физически больше основания по двум причинам: (1) увеличить
вероятность сбора носителей, которые диффундируют в сторону, а также
непосредственно через базовую область, и (2) чтобы коллектор мог обрабатывать
больше тепла без повреждений.
Таким образом, полный ток в транзисторе NPN протекает через вывод эмиттера. Следовательно, в процентах I E составляет 100 процентов. На с другой стороны, так как основа очень тонкая и слегка легированная, то меньший процент от общего тока (ток эмиттера) будет течь в базе цепи, чем в коллекторной цепи. Обычно не более 2-5%. общий ток является базовым током ( I B ), а остальные 95 к 98 процентов — ток коллектора ( I C ). Очень простой между этими двумя течениями существует связь:
Проще говоря, это означает, что ток эмиттера разделяется на ток базы.
и ток коллектора. Поскольку количество тока, выходящего из эмиттера, равно
исключительно функцией смещения эмиттер-база, и поскольку коллектор получает
большую часть этого тока, то небольшое изменение смещения эмиттер-база будет иметь
гораздо большее влияние на величину тока коллектора, чем на
базовый ток. В заключение отметим, что относительно небольшое смещение эмиттер-база регулирует
относительно большой ток эмиттер-коллектор.
Работа транзистора PNP
Транзистор PNP работает по существу так же, как транзистор NPN.
Однако, поскольку эмиттер, база и коллектор PNP-транзистора изготовлены из
материалы, отличные от тех, что используются в NPN-транзисторах, разные токи
поток носителей в блоке PNP. Основными носителями тока в PNP-транзисторе являются
отверстия. Это в отличие от NPN-транзистора, где ток большинства
переносчиками являются электроны. Чтобы поддерживать этот другой тип тока (дырочный поток),
батареи смещения перевернуты для транзистора PNP. Типичная предвзятость
Настройка транзистора PNP показана на рисунке ниже. Заметить, что
процедура, использованная ранее для правильного смещения транзистора NPN, также применима
здесь к транзистору PNP. Первая буква (П) в P Последовательность NP
указывает полярность напряжения, необходимого для эмиттера ( p положительная),
а вторая буква (N) указывает на полярность базового напряжения ( n отрицательная).
Поскольку переход база-коллектор всегда смещен в обратном направлении, то
полярность напряжения ( n отрицательная) должна использоваться для коллектора.
Таким образом,
база транзистора P N P должна быть n отрицательной относительно
к эмиттеру, а коллектор должен быть более отрицательным, чем база.
Помните, как и в случае NPN-транзистора, эта разница в
напряжение питания необходимо для протекания тока (дырочный проток в корпусе
транзистора PNP) от эмиттера к коллектору. Хотя отверстие
поток является преобладающим типом тока в транзисторе PNP, отверстие
поток происходит только внутри самого транзистора, в то время как электроны текут в
внешний контур. Однако именно внутридырочное течение приводит
к потоку электронов во внешних проводах, подключенных к транзистору.
Правильно смещенный PNP-транзистор.
PNP-соединение с прямым смещением
Теперь рассмотрим, что происходит, когда переход эмиттер-база в
рисунок ниже смещен вперед. При показанной настройке смещения положительный
клемма батареи отталкивает отверстия эмиттера к основанию, в то время как
отрицательный вывод направляет базовые электроны к эмиттеру.
Когда
эмиттерная дырка и базовый электрон встречаются, объединяются. Для каждого электрона, который
соединяется с дыркой, другой электрон покидает отрицательный полюс
батареи и входит в базу. При этом электрон покидает
эмиттер, создавая новую дырку, и входит в положительный вывод
батарея. Это движение электронов в базу и из эмиттера
составляет базовый текущий поток ( I B ), и пути эти
электронов называют цепью эмиттер-база.
Переход с прямым смещением в PNP-транзисторе.
Соединение обратного смещения PNP
В переходе с обратным смещением (рисунок ниже) отрицательное напряжение на коллекторе
а положительное напряжение на базе блокирует основных носителей тока от пересечения перекрестка. Однако это же отрицательное напряжение коллектора действует как
прямое смещение для неосновные токовые отверстия в основании, которые пересекаются
перекресток и войти в коллектор. неосновных электронов тока в
коллектор также воспринимает прямое смещение (положительное базовое напряжение) и перемещается в базу.
Отверстия в коллекторе заполняются электронами, поступающими из отрицательного
клемма аккумулятора. В то же время электроны покидают отрицательную клемму
батареи, другие электроны в базе разрывают свои ковалентные связи и входят
положительный полюс аккумулятора. Хотя есть только меньший текущий поток
в переходе с обратным смещением он все еще очень мал из-за ограниченного
число миноритарных текущих носителей.
Переход с обратным смещением в PNP-транзисторе.
Взаимодействие соединения PNP
Взаимодействие между переходами прямого и обратного смещения в PNP
транзистор очень похож на транзистор NPN, за исключением того, что в PNP
транзистор, большинство носителей тока — дырки. В транзисторе PNP, показанном на рис.
На рисунке ниже положительное напряжение на эмиттере отталкивает дырки к базе.
Оказавшись в базе, дырки объединяются с базовыми электронами. Но опять же, помните, что
базовая область сделана очень тонкой, чтобы предотвратить рекомбинацию дырок с
электроны.
Следовательно, значительно больше 90 процентов отверстий, которые входят в основание, становятся
притягиваются к большому отрицательному напряжению коллектора и проходят прямо через базу.
Однако для каждого электрона и дырки, которые объединяются в базовой области,
электрон покидает отрицательную клемму базовой батареи ( V BB )
и входит в базу как ток базы ( I B ). В то же время
электрон покидает отрицательную клемму батареи, другой электрон покидает
эмиттер как I E (создание новой дыры) и входит в
положительная клемма В BB . При этом в коллекторной цепи
электроны из коллекторной батареи ( V CC ) попадают в коллектор
как I C и совместить с лишним отверстием от основания.
На каждую дырку, нейтрализованную в коллекторе электроном, приходится другой электрон.
покидает эмиттер и начинает свой путь обратно к положительной клемме V CC .
Работа транзистора PNP.
Хотя ток во внешней цепи транзистора PNP противоположен
в направлении транзистора NPN, основные носители всегда
поток от эмиттера к коллектору. Этот поток большинства носителей
также приводит к образованию двух отдельных токовых петель внутри каждого
транзистор. Одна петля — это путь базового тока, а другая петля — это
тракт коллектор-ток. Сочетание тока в обоих
эти петли ( I B + I C ) Итого
ток транзистора ( I E ). Самое главное помнить
о двух разных типах транзисторов заключается в том, что эмиттер-база
напряжение PNP-транзистора оказывает такое же управляющее влияние на коллектор
ток как у транзистора NPN. Говоря простым языком, увеличение
напряжение прямого смещения транзистора уменьшает переход эмиттер-база
барьер. Это действие позволяет большему количеству носителей достичь коллектора, вызывая
увеличение тока от эмиттера к коллектору и через
внешний контур. И наоборот, уменьшение напряжения прямого смещения
уменьшает ток коллектора.
| Главная Транзистор с заземленной базой Сети с четырьмя клеммами | |
| См. также: Сравнение электронных ламп с транзисторами | |
| Поиск в библиотеке VIAS | Индекс | |
Автор: Леонард Кругман Во всех типах инженерных схем часто бывает удобно представить устройство электрическим эквивалентом. Это неизменно облегчает задачу оптимизации конструкции, поскольку устройство, по сути, сводится к более простой эквивалентной форме. Одним из наиболее полезных методов эквивалентных представлений является четырехполюсник . Сеть с четырьмя клеммами (также называемая соединительной сетью или парной сетью с двумя клеммами) показана на рис. 3-1. Терминалы a и b представляют вход в сеть, а клеммы c и d — выход. Герметичная сеть может быть и часто бывает очень сложной. В качестве примера рассмотрим случай связи акустического входа микрофона в многозвенной цепи передачи с акустическим выходом приемника. Эта система включает в себя линии передачи, электронные схемы, акустическую, электрическую и механическую энергию и преобразователи. Однако в четырехтерминальном методе анализа полная промежуточная система между микрофонным входом и выходом приемника представлена запечатанной коробкой. Рис. 3-1. Сеть четырехполюсная, условное обозначение. Преимущество этого типа представления в том, что требуется только один базовый анализ конкретного устройства или системы. Однажды решенные проблемы, связанные с одной и той же системой или устройством, становятся рутиной и превращаются в простую замену чисел. Четырехтерминальные сети делятся на две общие классификации: активные и пассивные. Пассивные сети — это те, которые не содержат источника энергии внутри герметичной коробки; токи и напряжения внутри коробки являются результатом подачи энергии на внешние клеммы. Примеры пассивных сетей включают фильтры, аттенюаторы и линии передачи. С другой стороны, активные сети содержат внутренние источники энергии. Таким образом, их примеры включают в себя все типы усилительных устройств, включая транзисторы. Хотя обычный транзистор имеет только три внешних соединения, анализ цепи с четырьмя выводами применим, поскольку один из электродов является общим как для входной, так и для выходной цепи.  | |
Сама сеть, представляющая собой эквивалент устройства или любой комбинации устройств, расположена между входным и выходным зажимами и считается герметичной, так что электрические измерения можно производить только на входном и выходном зажимах.
Для электронных устройств другие преимущества заключаются в том, что базовая эквивалентная схема может быть модифицирована для учета эффектов высокочастотной работы и что эквивалентная схема неизменно содержит минимальное количество параметров, которые могут быть непосредственно связаны с внешними измерениями.