3.3 Подробный разбор параметров полевых транзисторов

Определение

Модель крутильного устройства
Крутизну очень часто обозначают как проводимость, г

м, с нижним индексом m для
взаимный
. Это определяется следующим образом:
г м = Δ я вне Δ V в { displaystyle g_ {m} = { frac { Delta I _ { text {out}}} { Delta V _ { text {in}}}}}
Для слабый сигнал переменный ток, определение проще:

г м = я вне v в { displaystyle g_ {m} = { frac {i _ { text {out}}} {v _ { text {in}}}}}

В блок, Сименс

, с символом,
S
; 1 сименс = 1 ампер на вольт заменил старую единицу проводимости, имеющую то же определение,
Мхо
(ом написано наоборот), символ,
℧
.

Биполярные транзисторы

• Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой выпускной квалификационной работой!
• Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала для самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

По этой ссылке вы сможете найти много готовых курсовых работ по физике:

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

Введение:

На протяжении большей части 20-го века физика была основной наукой. Электрификация, автомобили, космические полеты, атомная бомба — все эти достижения человечество обязано физике.

Электроника, в основе которой лежат физические процессы, то есть настоящая физика, уже в значительной степени изменила мир. Современный этап развития человеческого общества характеризуется все возрастающим проникновением электроники во все сферы человеческой жизни и деятельности. Достижения в этой области во многом способствуют решению сложных научно-технических задач, повышению эффективности научных исследований, созданию новых типов машин и оборудования, разработке эффективных технологий и систем управления, получению материалов с уникальными свойствами, улучшению сбора и обработки информации, и больше.

Последнее информационное направление в настоящее время является наиболее актуальным и общеизвестным. Совершенно невозможно представить наш мир без персональных компьютеров, ноутбуков, смартфонов, планшетов — всего, без чего немыслимы информационные технологии. Однако все это стало нашей реальностью только и исключительно благодаря развитию микроэлектроники.

Первые машины, которые можно описать с помощью термина «компьютер», появились в 1940-х годах. Компьютер был основан на вакуумных трубках диаметром около 12 мм и высотой 40 мм. Их заменили транзисторы, которые позже уступили место интегральным кремниевым цепям.

Вскоре после рождения микроэлектроники стало ясно, что ее развитие будет быстрым. По мере роста количества транзисторов растет мощность соответствующих вычислительных устройств.

Долгое время это правило, называемое законом Мура, было выполнено, но в последнее время темпы роста числа транзисторов стали падать. Причиной этому стал подход к физическому пределу — размер транзисторов был уменьшен до десятков нанометров.

Свойство усиления биполярного транзистора

Общая информация о транзисторах

Транзисторы — это полупроводниковые устройства, которые имеют как минимум три провода и при определенных обстоятельствах могут усиливать мощность, преобразовывать сигнал или генерировать колебания. Существует много различных типов транзисторов — это полевые (униполярные) и биполярные транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором и однопереходные (двухбазорные) транзисторы, фототранзисторы и другие.

Усилительные каскады, выполненные на транзисторах, требуют небольшого напряжения питания, всего несколько вольт, а КПД может достигать нескольких десятков процентов. По сравнению с вакуумными трубками, транзисторы имеют большую эффективность, низкое энергопотребление, длительный MTBF, малый вес и габариты, а также высокую механическую прочность. К недостаткам транзисторов относятся низкая радиационная стойкость, невозможность работы при температуре полупроводникового кристалла кремния, значительно превышающей 125 ° С, и т. д.

Транзисторы классифицируются по полупроводниковым материалам, подразделяя их на германий, кремний, арсенид галлия и другие.

Биполярные транзисторы, в которых две из трех областей имеют проводимость дырочного типа, называются транзисторами с прямой проводимостью или структурами p-n-p. А биполярные транзисторы, в которых две из трех областей имеют электронный тип проводимости, называются транзисторами с обратной проводимостью или структурами n-p-n.

Рассматриваемые устройства, которые не способны усиливать сигнал с частотой более 3 МГц, называются низкочастотными транзисторами. Устройства, которые могут усиливать сигнал с частотой более 3 МГц, но менее 30 МГц, называются среднечастотными транзисторами. А транзисторы, которые допускают усиление сигнала с частотой, превышающей 30 МГц, называются высокочастотными, а транзисторы, которые позволяют работать на еще более высокой частоте (выше 300 МГц), называются сверхвысокочастотными.

Если компоненты не могут обеспечить рассеиваемую мощность свыше 0,3 Вт, то такие транзисторы называются транзисторами малой мощности. Устройства с рассеиваемой мощностью более 0,3 Вт, но менее 3 Вт, называются транзисторами средней мощности. А транзисторы, мощность рассеивания которых превышает 3 Вт, называются мощными транзисторами.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор, разработанный в 1949-1950 гг. Американский физик В. Шокли является наиболее распространенным типом усиливающего полупроводникового устройства и является универсальным элементом электронной техники.

Перед нами наиболее важные характеристики типичного кремниевого транзистора с низким энергопотреблением: характеристика прямого переноса и семейство выходных характеристик — при заданном токе эмиттера и при заданном напряжении базового эмиттера. Отметим главное.

При тех значениях тока коллектора Ik, которые приемлемы для конкретного устройства, напряжение между базой и эмиттером транзистора должно почти всегда находиться в диапазоне 0,6-0,7 В.

Крутизна прямой передачи биполярного транзистора очень высока (десятки и сотни мА / В).

Выходное сопротивление транзистора при данном токе эмиттера очень велико — не менее 1 МОм.

Усиливающие свойства транзистора сохраняются, когда напряжение между коллектором и базой Ikb падает до нуля.

Токи коллектора и эмиттера практически равны друг другу. Точнее, они отличаются друг от друга небольшой величиной базового тока.

Более того, коэффициент отношения транзистора является параметром — коэффициент передачи тока, обозначаемый h21E (также можно найти вариант).

Биполярные транзисторы представляют собой полупроводниковые устройства с двумя взаимодействующими электрическими pn-переходами, которые способны усиливать сигнал мощности за счет внешнего источника питания. Простейшим транзистором является полупроводниковый троид с двумя pn-переходами.

В биполярном транзисторе два типа зарядов, электроны и дырки, одновременно участвуют в передаче тока. Транзисторные переходы образованы тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования этих областей различают транзисторы типов n-p-n и p-n-p. Транзисторы типа n-p-n предпочтительны, так как подвижность электронов в них выше, чем подвижность дырок.

Соединение, работающее в прямом направлении, называется эмиттером, а соответствующий внешний слой называется эмиттером. Средний слой называется базовым. База имеет противоположный тип проводимости и всегда имеет высокое сопротивление, т. е. Концентрация дырок в ней во много раз ниже концентрации электронов в эмиттере.

Второй переход, обычно смещенный в противоположном направлении, называется коллектором, а самый внешний слой называется коллектором. Это имя отражает функцию сбора инжектированных носителей, которые прошли через базовый слой. Концентрация электронов в нем также высока, она лишь немного ниже, чем в эмиттере.

Транзистор, вообще говоря, является обратимым устройством, то есть эмиттер и коллектор можно менять, поддерживая работу устройства. Однако из-за асимметрии реальной структуры, а также из-за разницы в материалах эмиттера и коллектора, нормальные и обратные соединения транзистора неодинаковы.

В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в основании может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее поле отсутствует, и в нем движутся неосновные носители в основании за счет диффузионного процесса. Такие транзисторы называются диффузионными или дрейфовыми.

При неравномерном распределении концентрации примеси в основании возникает внутреннее электрическое поле, и в нем перемещаются неосновные носители заряда в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль.

Принцип действия биполярных транзисторов

Если напряжение подается на транзистор на переход эмиттера в прямом направлении и на переход коллектора в противоположном направлении, и Ek >> Ee (Ek = 110 В, Ee = 0,11 В), то открывается эмиттерное соединение, его потенциальный барьер уменьшается, переход сужается, его сопротивление уменьшается, и начинается процесс инжекции носителей заряда из эмиттера в базу (в нашем случае электроны), поскольку концентрация электронов в эмиттере намного выше, чем концентрация дырок в основании. Следовательно, основание заполнено неосновными носителями заряда, и поскольку толщина основы w в реальных транзисторах сделана меньше, чем длина свободного пробега L электрона, только небольшая часть электронов, инжектированных в базу, рекомбинирует с отверстиями основания. Заряд рекомбинированных электронов остается в основании, и дополнительный положительный заряд должен поступать из внешней цепи, чтобы восстановить электронейтральность основания, поэтому ток базы является током рекомбинации.

Большинство электронов, инжектированных в базу, не успевают рекомбинировать с дырками и падают рядом с полем коллектора в электрическом поле, которое ускоряется для них, поскольку соединение коллектора включается в противоположном направлении, а электроны в базы являются миноритариями. Поэтому все электроны из базы поступают в коллектор, образуя ток коллектора во внешней цепи. В дополнение к току, вызванному неосновными носителями заряда, инжектированными в базу, обычный обратный неконтролируемый ток ko протекает через коллектор p-n-перехода, смещенный в противоположном направлении. Таким образом, общий ток в цепи будет е = к + б + ко.

Поскольку основание имеет высокое сопротивление, можно предположить, что дырки не проходят в излучатель, поскольку они рекомбинируют с электронами в основании. Рекомбинация дает базовый ток, который мал, потому что концентрация дырок в основании низкая.

В этой схеме транзистор включен с общей базой, в которой ток эмиттера является входным током e = in, а ток коллектора является выходом to = out. Для транзистора важно знать соотношение между входным и выходным током, поэтому для расчета эквивалентных электрических цепей вводится следующий параметр — коэффициент передачи тока.

Коэффициент инжекции электронов, показывающий, какая часть полного тока эмиттера является его электронной составляющей, поскольку дырочная составляющая, которая значительно меньше первой, также входит в общий ток эмиттера; k — коэффициент переноса электронов через базу, который показывает долю инжектированных электронов, достигающих коллектора, и зависит от толщины основания, которая, в свою очередь, зависит от напряжения на pn-переходе.

Предположим теперь, что на вход этой цепи поступил переменный сигнал Uin. В этом случае входной ток эмиттера в = e = Uin / Re начнет протекать через разомкнутый контакт эмиттера. Ток коллектора приблизительно равен току эмиттера, тогда на выходе транзистора, на соединении коллектора, появится переменный сигнал, равный Uout = Uk = k * Rk. Коэффициент усиления по напряжению на транзисторе:

Поскольку сопротивление перехода закрытого коллектора намного больше, чем перехода открытого эмиттера, усиление напряжения транзистора для этой цепи будет очень большим. Таким образом, схема переключения транзистора с общей базой не усиливает сигнал тока, но очень хорошо усиливает сигнал напряжения. Усиление происходит за счет внешнего источника питания.

Биполярные транзисторные коммутационные схемы

Источник сигнала подключен между базой и эмиттером транзистора, соединенного в общую схему эмиттера, и нагрузка подключена к коллектору. Полюса одинаковых знаков электропитания соединены с эмиттером транзистора. Входной ток каскада является базовым током транзистора, а выходной ток — током коллектора.

На практике они управляются одним источником питания, а не двумя. Включение n-p-n-транзистора полностью аналогично включению p-n-p-транзистора, но в этом случае вы должны изменить полярность обоих источников питания.

Коэффициент усиления каскада равен отношению тока коллектора к базовому току и может обычно достигать от десятков до нескольких сотен. Транзистор, подключенный в соответствии с общей схемой эмиттера, теоретически может дать максимальное усиление сигнала по сравнению с другими вариантами включения транзистора. Входной импеданс рассматриваемой ступени, равный отношению напряжения базового эмиттера к току базы, лежит в диапазоне от сотен до тысяч Ом. Это меньше, чем каскад с транзистором, подключенным к общей цепи коллектора. Выходной каскад общего эмиттера имеет фазовый сдвиг на 180 ° от входа. Колебания температуры оказывают существенное влияние на режим работы транзистора, подключенного к общей цепи эмиттера, и поэтому следует использовать специальные схемы стабилизации температуры. В связи с тем, что сопротивление коллекторного перехода транзистора в рассматриваемом каскаде выше, чем в каскаде с общим основанием, требуется больше времени для рекомбинации носителей заряда, и, следовательно, каскада с общим эмиттером имеет худшее свойство частоты.

Нагрузка подключена к эмиттеру транзистора, соединенного в цепь с общим коллектором, входной сигнал подается на базу. Входной ток каскада является базовым током транзистора, а выходной ток — током эмиттера.

Выходной сигнал снимается с нагрузочного резистора, подключенного последовательно с клеммой эмиттера. Вход каскада имеет высокое сопротивление, обычно от десятых долей МОм до нескольких МОм, из-за того, что коллекторное соединение транзистора заблокировано. А выходной импеданс ступени, напротив, мал, что позволяет использовать такие ступени для согласования предыдущей ступени с нагрузкой. Стадия с транзистором, подключенным по общей схеме коллектора, не усиливает напряжение, а усиливает ток (обычно в 10 … 100 раз). Фаза входного напряжения сигнала, подаваемого на каскад, совпадает с фазой выходного напряжения, то есть его инверсия отсутствует. Именно из-за сохранения фазы входных и выходных сигналов ступень с общим коллектором имеет другое название — повторитель эмиттера. Температурные и частотные свойства повторителя эмиттера хуже, чем у каскада, на котором транзистор подключен в соответствии с общей базовой цепью.

В каскаде, собранном по общей базовой схеме, напряжение на входном сигнале подается между эмиттером и базой транзистора, а выходное напряжение снимается с клемм на базе коллектора.

В этом случае эмиттерное соединение компонента открыто и его электропроводность высока. Входное сопротивление ступени мало и обычно лежит в диапазоне от единиц до сотен Ом, что объясняется недостатком описанного включения транзистора. Кроме того, для работы каскада с транзистором, подключенным в соответствии со схемой с общей базой, необходимы два отдельных источника питания, а коэффициент усиления по току ступени меньше единицы. Усиление напряжения ступени часто достигает от десятков до нескольких сотен раз.

Преимущества включают возможность функционирования каскада на значительно более высокой частоте по сравнению с двумя другими вариантами включения транзистора и слабое влияние на работу каскада колебаний температуры. Вот почему каскады с транзисторами, соединенными по общей базовой схеме, часто используются для усиления высокочастотных сигналов.

Разновидности биполярных транзисторов

Точечный транзистор является первым полупроводниковым устройством, в котором обнаружен эффект усиления. Это явление, при котором ток зонда повторяет изменение тока основного контакта при значительном обратном напряжении. При формировании контактов под иглами формируются слои: p-типа под эмиттером, двойной p-n-слой под коллектором. Основное отличие состоит в том, что в этих структурах наблюдается увеличение тока в цепи с ОВ, т. е. B> 1. Допустимая рассеиваемая мощность таких устройств мала и составляет несколько 100 мВт, Iko? 1h2 мА, rc = 7h15 кОм, re? rb = до 500 Ом, то есть их параметры намного хуже, чем у планарных. И сегодня их успешно заменили дрейфовые и лавинные транзисторы.

Лавинный транзистор — устройство, использующее ударную ионизацию в коллекторном переходе, позволяющее получить S-образную (неоднозначную по напряжению) выходную характеристику в цепи с ОЭ. Упрощенная формула для сопротивления:rk = UM (-db / dIe) / .

Таким образом, характеристики лавинного транзистора напоминают характеристики тиристора или тиратрона. Интересно отметить, что в случае Ib> 0 «отрицательное сечение» также возможно в принципе, но это требует очень критической комбинации параметров.

Основным недостатком такого устройства является высокое напряжение на коллекторе.

Однопереходный транзистор (ОПТ) — это устройство с «отрицательным» сопротивлением, в котором ток нагрузки может увеличиваться даже при уменьшении Uin. Если OPT включен, то его можно отключить только путем размыкания цепи или удаления Uin. ОПТ реализует различные источники пускового напряжения. Вы можете применить Ucm

· Статистический индукционный транзистор (SIT) представляет собой полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, который может работать как с обратным смещением (режим FET), так и с прямым (затвор BT). В отличие от BT, обратное напряжение, подаваемое на затвор транзистора, может достигать 30 В, что значительно ускоряет процесс резорбции неосновных носителей, которые появляются в канале с прямым смещением затвора. SIT, как и IGBT, имеет большую емкость затвора, перезарядка которой требует значительных управляющих токов. Преимущество SIT по сравнению с BT — его повышенная производительность. Время включения практически не зависит от режима работы, время отключения зависит от соотношения токов стока и затвора. Особенностью SIT, которая затрудняет использование его в качестве переключателя, является его нормально разомкнутое состояние в отсутствие тока управления. К преимуществам SIT также следует отнести низкое сопротивление канала в открытом состоянии, которое составляет 0,1 — 0,025 Ом.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)

Мы рассмотрим их более подробно.

IGBT сделаны как комбинация входного однополярного (полевого) изолированного затворного транзистора (IGBT) и выходного биполярного n-p-n BT. Существует много разных способов создания таких устройств, но наиболее распространенными являются устройства IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), которые успешно сочетают в себе свойства полевых транзисторов с вертикальным каналом и дополнительным биполярным транзистором. Таким образом, IGBT имеет три внешних отведения: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), основания и источника (S) являются внутренними. Комбинация двух устройств в одной структуре позволила нам объединить преимущества полевого и биполярного транзисторов: высокое входное сопротивление с большой токовой нагрузкой и низкое сопротивление.

Структура IGBT

На схеме VT представляет собой полевой транзистор с изолированным затвором, VT1 представляет собой биполярный транзистор, R1 представляет собой последовательное сопротивление канала полевого транзистора, R2 представляет собой сопротивление, которое шунтирует соединение база-эмиттер биполярного транзистора VT1. Из-за сопротивления R2 биполярный транзистор блокируется и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора VT. Структура транзистора IGBT дополняется другим pn-переходом, благодаря которому в эквивалентной схеме появляется другой pnp-транзистор VT2. Результирующая структура двух транзисторов VT1 и VT2 имеет глубокую внутреннюю положительную обратную связь, поскольку ток коллектора транзистора VT2 влияет на базовый ток транзистора VT1, а ток коллектора VT1 определяет базовый ток транзистора VT2.

Предполагая, что коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов VT1 и VT2 имеют значения b1 и b2 соответственно, находим Ik2 = b2Ie2, Ik1 = b1Ie1 и Ie = Ik1 + Ik2 + Ic. Из последнего уравнения можно определить ток стока полевого транзистора Ic = Ie (1 — b1 — b2).

Так как ток стока Ic PTIZ можно найти через наклон S и напряжение Uz на затворе Ic = SUz, мы определяем ток IGBT-транзистора: Iк = Iз = SkUz, где Sk = S / [1-] — эквивалентная крутизна BT с изолированным затвором.

Принципиальная схема IGBT. Он подчеркивает его гибридность в том смысле, что изолированный затвор изображен так же, как в PTIZ, а электроды коллектора и эмиттера изображены как в BT.

Другое преимущество IGBT заключается в том, что последовательное сопротивление значительно уменьшается, и, следовательно, уменьшается падение напряжения на замкнутом переключателе. Последнее объясняется тем, что последовательное сопротивление канала R2 шунтируется двумя насыщенными транзисторами VT1 ​​и VT2, соединенными последовательно.

Зона безопасной работы IGBT аналогична IGBT, т. е. В ней отсутствует участок вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисторов. Поскольку в основе лежат транзисторы IGBT-типа с наведенным каналом, напряжение, подаваемое на затвор, должно быть больше, чем пороговое напряжение, которое имеет значение 5-6 В.

Скорость IGBT немного ниже, чем скорость PT, но значительно выше, чем скорость BT. Исследования показали, что для большинства IGBT-транзисторов время включения и выключения не превышает 0,55 х1,0 мкс.

Microsemi NPT Power IGBT 650V для промышленного применения

Корпорация Microsemi объявила сегодня о начале поставок нового семейства IGBT на 650 В с NPT с рабочими токами 45, 70 и 95 А.

Новые биполярные транзисторы могут работать в жестких условиях и предназначены для использования в таких приложениях, как солнечные инверторы, сварочные аппараты и импульсные источники питания. IGBT-транзисторы Microsemi NPT способны повысить эффективность конечных решений за счет более низкого значения потерь по сравнению с ближайшими аналогами (примерно на 8%).

Новые модели обеспечивают частоту переключения до 150 кГц, но этот уровень можно повысить, используя транзисторы в сочетании с ключевым элементом микросемиодов, изготовленных по технологии карбида кремния. Все члены IGBT нового поколения Microsemi 650-V NPT изготовлены с использованием передовой технологии Power MOS 8. Этот процесс снижает общие потери при переключении и позволяет элементам работать на значительно более высоких частотах переключения, чем конкурирующие решения.

Изолированные биполярные транзисторы с плоским затвором (IGBT) могут быть подключены параллельно (они имеют положительный температурный коэффициент Vcesat) для повышения надежности силовых устройств. Время стабильности короткого замыкания также стандартизировано, что обеспечивает надежную работу устройств в тяжелых промышленных условиях.

Влияние частоты на усиливающие свойства биполярных транзисторов

Известно, что чем выше частота сигнала, поступающего на вход транзисторной ступени, тем ниже коэффициент усиления по току. Основной вклад в уменьшение усиливающих свойств следует отнести к барьерной емкости и запаздыванию переменных токов коллектора от эмиттера на время, необходимое для диффузии носителей заряда в базовой области. Кроме того, емкости между корпусом и клеммами транзистора отрицательно влияют на усиливающие свойства устройства.

Коллекторное соединение транзистора имеет высокое сопротивление. Увеличение частоты приводит к уменьшению реактивной емкости коллектора коллектора, что приводит к его значительному шунтированию и ухудшению усиливающих свойств каскада.

Носители заряда пересекают основную область и рекомбинируют за короткий конечный интервал времени, десятки наносекунд. Чем выше частота, тем значительнее будет задержка носителей заряда. При постоянном токе сдвиг фаз между токами коллектора и эмиттера транзистора равен нулю, а суммарный базовый ток минимален. На высокой частоте произойдет фазовый сдвиг между переменными токами коллектора и эмиттера транзистора, который не был на постоянном токе. В этом случае общий базовый ток транзистора на высокой частоте намного выше, чем общий базовый ток на низкой частоте и, более того, при постоянном токе. Увеличение базового тока для получения заданного фиксированного тока коллектора означает уменьшение коэффициента усиления тока транзистора.

Чтобы увеличить частоту среза усиления транзистора, необходимо сделать базовую область максимально тонкой, увеличить скорость прохождения через нее неосновных носителей заряда, уменьшить емкость клемм корпуса и транзистора и т. д.

Влияние температуры на режимы работы биполярных транзисторов

Чтобы предотвратить выход из строя германиевого транзистора, температура его кристалла должна быть ниже примерно 70 ° C, кремниевого транзистора должна быть меньше 125 … 150 ° C, а транзистора арсенида галлия должна быть меньше 150 … 200 ° C. Введение легирующих добавок несколько корректирует максимально допустимую температуру кристаллов, и некоторые специально разработанные транзисторы могут выдерживать более высокие температуры. Нагрев биполярных транзисторов вызывает увеличение проводимости базовой области и возвратного тока коллектора. Когда температура корпуса транзистора повышается с 20 ° C до 60 ° C, обратный ток коллектора обычно может возрасти до шести раз. Следовательно, колебания температуры оказывают очень существенное влияние на функционирование ступени транзистора, вызывая значительные изменения в его рабочем режиме. Чтобы колебания температуры не приводили, например, к возникновению самогенерации каскада, предназначенного для усиления или других вредных последствий, необходимо использовать схемы термостабилизации для режимов работы транзисторов.

Вывод:

В заключение немного о будущем: исследователи ожидают, что процесс миниатюризации прекратится в 2022 году. Транзисторы достигнут таких размеров, что они больше не будут подчиняться законам классической физики, на которых построена работа всех современных компьютеров. В настоящее время во всем мире проводятся исследования в области создания новой элементной базы для электроники. Наиболее перспективным считается создание транзистора на основе органических соединений и на основе углеродных трубок. И если определенные обнадеживающие результаты уже были получены при создании отдельных транзисторов, то перспективы создания микросхем на основе новой элементной базы выглядят более расплывчатыми. Поэтому принципы работы традиционных полупроводниковых приборов будут востребованы довольно долго.

Транссопротивление

Транссопротивление

(для
сопротивление передачи
), также редко называемый
взаимное сопротивление
, это двойной крутизны. Он относится к соотношению между изменением напряжения в двух точках выхода и соответствующим изменением тока в двух точках входа и обозначается как rм:
р м = Δ V вне Δ я в { displaystyle r_ {m} = { frac { Delta V _ { text {out}}} { Delta I _ { text {in}}}}}
Единица СИ для измерения сопротивления — это просто , как в сопротивлении.

Трансимпеданс

(или,
перевод сопротивление
) является AC-эквивалентом сопротивления и является двойной пропускания.

Где используются полевые транзисторы?

Настоящий уровень технологии позволяет сделать сопротивление открытого канала мощного полевого транзистора (ПТ) достаточно малым – в несколько сотых или тысячных долей Ома!

И это является большим преимуществом, так как при протекании тока даже в десяток ампер рассеиваемая на ПТ мощность не превысит десятых или сотых долей Ватта.

Таким образом, можно отказаться от громоздких радиаторов или сильно уменьшить их размеры.

ПТ широко используются в компьютерных блоках питания и низковольтных импульсных стабилизаторах на материнской плате компьютера.

Из всего многообразия типов ПТ для этих целей используются ПТ с индуцированным каналом.

Устройства

Вакуумные трубки

Для вакуумные трубкикрутизна определяется как изменение тока пластины (анода), деленное на соответствующее изменение напряжения сетки / катода, при постоянном напряжении между пластиной (анодом) и катодом. Типичные значения gм для малосигнальной вакуумной лампы от 1 до 10 миллисименс. Это одна из трех характерных констант вакуумной лампы, две другие — ее усиление μ (мю) и сопротивление пластины rп или га. В Ван дер Бейл уравнение определяет их связь следующим образом:

г м = μ р п { displaystyle g_ {m} = { frac { mu} {r_ {p}}}} [1]

Полевые транзисторы

Аналогичным образом в полевые транзисторы, и МОП-транзисторы в частности, крутизна — это изменение тока стока, деленное на небольшое изменение напряжения затвора / истока при постоянном напряжении стока / истока. Типичные значения гм

для слабосигнального полевого транзистора от 1 до 30 миллисименс.

С использованием Модель Шичмана – Ходжесакрутизну для полевого МОП-транзистора можно выразить как (см. МОП-транзистор статья):

г м = 2 я D V OV { displaystyle g_ {m} = { frac {2I_ {D}} {V _ { text {OV}}}}}

где яD

— постоянный ток стока на точка смещения, и
VOV
это напряжение перегрузки, которое представляет собой разность между напряжением точки смещения затвор – исток и напряжением пороговое напряжение (т.е.
VOV
≡
VGS
—
Vth
).[2]:п. 395, уравнение. (5,45) Напряжение перегрузки (иногда известное как эффективное напряжение) обычно выбирается примерно на уровне 70–200 мВ для 65 нм технологический узел (
яD
≈ 1,13 мА / мкм ширины) для
гм
11–32 мСм / мкм.[3]:п. 300, таблица 9.2[4]:п. 15, §0127

Кроме того, крутизна переходного полевого транзистора определяется выражением г м = 2 я D S S | V п | ( 1 − V г S V п ) { displaystyle g_ {m} = { frac {2I_ {DSS}} { left | {V_ {P}} right |}} left ({1 — { frac {V_ {GS}} {V_ { P}}}} right)} , где Vп — напряжение отсечки, а IDSS — максимальный ток стока.

Традиционно крутизна для полевых транзисторов и полевых МОП-транзисторов, указанная в приведенных выше уравнениях, выводится из уравнения передачи каждого устройства с использованием исчисление. Однако Картрайт[5] показал, что это можно сделать без исчисления.

Биполярные транзисторы

Гм из биполярный малосигнальные транзисторы широко варьируются, будучи пропорциональными току коллектора. Его типичный диапазон составляет от 1 до 400 миллисименс. Изменение входного напряжения применяется между базой / эмиттером, а выходное — это изменение тока коллектора, протекающего между коллектором / эмиттером с постоянным напряжением коллектора / эмиттера.

Крутизну биполярного транзистора можно выразить как

г м = я C V Т { displaystyle g_ {m} = { frac {I_ {C}} {V_ {T}}}}

где яC

= Постоянный ток коллектора на Q-точка, и
VТ
= тепловое напряжениеобычно около 26 мВ при комнатной температуре. Для типичного тока 10 мА,
гм
≈ 385 мСм. Входное сопротивление — это текущий коэффициент усиления. (β) делится на крутизну.

Выходная (коллекторная) проводимость определяется Раннее напряжение и пропорционален току коллектора. Для большинства транзисторов, работающих в линейном режиме, оно значительно ниже 100 мкСм.

Как работает полевой транзистор?

ПТ с индуцированным каналом содержит три электрода — исток (source), сток (drain), и затвор (gate).

Принцип работы ПТ наполовину понятен из графического обозначения и названия электродов.

Канал ПТ – это «водяная труба», в которую втекает «вода» (поток заряженных частиц, образующих электрический ток) через «источник» (исток).

«Вода» вытекает из другого конца «трубы» через «слив» (сток). Затвор – это «кран», который открывает или перекрывает поток. Чтобы «вода» пошла по «трубе», надо создать в ней «давление», т.е. приложить напряжение между стоком и истоком.

Если напряжение не приложено («давления в системе нет»), тока в канале не будет.

Если приложено напряжение, то «открыть кран» можно подачей напряжения на затвор относительно истока.

Чем большее подано напряжение, тем сильнее открыт «кран», больше ток в канале «сток-исток» и меньше сопротивление канала.

В источниках питания ПТ используется в ключевом режиме, т.е. канал или полностью открыт, или полностью закрыт.

Честно сказать, принципы действия ПТ гораздо более сложны, он может работать не только в ключевом режиме. Его работа описывается многими заумными формулами, но мы не будем здесь все это описывать, а ограничимся этими простыми аналогиями.

Скажем только, что ПТ могут быть с n-каналом (при этом ток в канале создается отрицательно заряженными частицами) и p-каналом (ток создается положительно заряженными частицами). На графическом изображении у ПТ с n-каналом стрелка направлена внутрь, у ПТ с p-каналом – наружу.

Собственно, «труба» — это кусочек полупроводника (чаще всего – кремния) с примесями химических элементов различного типа, что обуславливает наличие положительных или отрицательных зарядов в канале.

Теперь переходим к практике и поговорим о том,

Усилители

Усилители крутизны

А усилитель крутизны

(
г
м усилитель) выдает ток, пропорциональный его входному напряжению. В
сетевой анализ
, усилитель крутизны определяется как
источник тока, управляемый напряжением
(
VCCS
). Обычно эти усилители устанавливаются в каскод конфигурация, улучшающая частотную характеристику.

Усилители сопротивления

Основная статья: трансимпедансный усилитель

А усилитель сопротивления

выводит напряжение, пропорциональное входному току. Усилитель сопротивления часто упоминается как
трансимпедансный усилитель
, особенно производителями полупроводников.

Термин для усилителя сопротивления в сетевом анализе: источник напряжения с управляемым током

(
CCVS
).

Базовый усилитель инвертирующего сопротивления может быть построен из операционный усилитель и одиночный резистор. Просто подключите резистор между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя и подключите неинвертирующий вход к земле. Тогда выходное напряжение будет пропорционально входному току на инвертирующем входе, уменьшаясь с увеличением входного тока и наоборот.

Для усиления сигнального тока от фотодиодов на приемном конце сверхвысокоскоростных оптоволоконных линий широко используются специальные микросхемы трансрезисторных (трансимпедансных) усилителей.

Операционные усилители крутизны

An операционный усилитель крутизны (OTA) — это интегральная схема, которая может работать как усилитель крутизны. Обычно они имеют вход, позволяющий контролировать крутизну.[6]

Почему транзистор – полевой?

Слово «транзистор» образовано от двух английских слов translate и resistor, то есть, иными словами, это преобразователь сопротивления.

Среди всего многообразия транзисторов есть и полевые, т.е. такие, которые управляются электрическим полем.

Электрическое поле создается напряжением. Таким образом, полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, управляемый напряжением.

В англоязычной литературе используется термин MOSFET (MOS Field Effect Transistor). Есть другие типы полупроводниковых транзисторов, в частности, биполярные, которые управляются током. При этом на управление затрачивается и некоторая мощность, так как к входным электродам необходимо прикладывать некоторое напряжение.

Канал полевого транзистора может быть открыт только напряжением, без протекания тока через входные электроды (за исключением очень небольшого тока утечки). Т.е. мощность на управление не затрачивается. На практике, однако, полевые транзисторы используются большей частью не в статическом режиме, а переключаются с некоторой частотой.

Конструкция полевого транзистора обуславливает наличие в нем внутренней переходной емкости, через которую при переключении протекает некоторый ток, зависящий от частоты (чем больше частота, тем больше ток). Так что, строго говоря, некоторая мощность на управление все-таки затрачивается.

использованная литература

1. Бленкоу, Мерлин (2009). «Разработка ламповых усилителей для гитары и баса».
2. Sedra, A.S .; Смит, К. (1998), Микроэлектронные схемы
   (Четвертое изд.), Нью-Йорк: Oxford University Press, ISBN 0-19-511663-1
3. Бейкер, Р. Джейкоб (2010), Разработка, компоновка и моделирование схем CMOS, третье издание
   , Нью-Йорк: Wiley-IEEE, ISBN 978-0-470-88132-3
4. Сансен, W.M.C. (2006), Основы аналогового дизайна
   , Дордрехт: Спрингер, ISBN 0-387-25746-2
5. Картрайт, Кеннет V (осень 2009 г.), «Вывод точной крутизны полевого транзистора без исчисления» (PDF), Журнал «Технологический интерфейс»
   ,
   10
   (1): 7 страниц
6. «Трансимпедансные усилители SFP 3,2 Гбит / с с RSSI» (PDF). datasheets.maximintegrated.com
   . Максим. Получено 15 ноября 2022.

• Горовиц, Пол & Хилл, Уинфилд (1989), Искусство электроники
  , Издательство Кембриджского университета, ISBN 0-521-37095-7 CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)

Устройство и основные характеристики МОП-транзисторов

МОП-транзистор (MOSFET, «металл-оксид-полупроводник») – полевой транзистор с изолированным затвором (канал разделен с затвором тонким диэлектрическим слоем). Другое название МОП-транзистора – униполярный. Основные области применения таких приборов – выполнение функций электронного переключателя и усилителя электронных сигналов в старой и современной системотехнике.

Практически все типы MOSFET имеют три вывода:

Исток – источник носителей зарядов. Является аналогом эмиттера в биполярном приборе.

Сток. Служит для приема носителей заряда от истока. Аналог коллектора биполярного транзистора.

Затвор. Выполняет функции управляющего электрода. Аналог в биполярном устройстве – база.

Особая категория – транзисторы с несколькими затворами. Они применяются в цифровой технике для организации логических элементов или в качестве ячеек памяти EEPROM.

Основные характеристики униполярных транзисторов, учитываемые при выборе нужного прибора:

управляющее напряжение;

в открытом состоянии – внутреннее сопротивление и наибольшее значение допустимого постоянного тока;

в закрытом состоянии – максимально допустимое напряжение прямого типа.

Схемы включения транзистора.

Для полевого транзистора, как и для биполярного, выделяют три схемы включения. Для полевого транзистора это схемы с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используются схемы с общим истоком.

Для понимания особенностей работы некоторого электронного устройства очень полезно уметь относить конкретное решение к той или иной схеме включения (если схема такова, что это в принципе возможно).

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Моделирующие программы при замене транзистора математической моделью никак не учитывают способ включения транзистора. Важно понять, что если даже на стадии разработки математической модели имеет место ориентация на конкретную схему включения, то на стадии использования эта модель должна правильно моделировать транзистор во всех самых различных ситуациях.

При объяснении влияния напряжения uис на ширину p-n-перехода фактически использовалась схема с общим истоком (см. рис. 1.87) (Статья 1 Устройство и основные физические процессы). Рассмотрим характеристики, соответствующие этой схеме (что общепринято).

Так как в рабочем режиме iз = 0, iu ~ iс, входными характеристиками обычно не пользуются. Например, для транзистора КП10ЗЛ, подробно рассматриваемого ниже, для тока утечки затвора iз ут при t < 85°С выполняется условие iз ут< 2 мкА.

Изобразим схему с общим истоком (рис. 1.89).