Схемы включения биполярного транзистора. Опишите преимущества и недостатки каждой схемы.

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (схема ОБ, рис. 4.16); с общим эмиттером (схема ОЭ, рис. 4.17) и с общим коллектором (схема ОК, рис. 4.18).

 

Рис. 4.16. Включение биполярного транзистора по схеме с общей базой (схема ОБ)
Плюсы: хорошие температурные и частотные свойства (не греется, частоты высокие передаёт).
Минусы: не усиливает ток, малое входное сопротивление, высокий коэффициент передачи напряжения.

 

 

Рис. 4.17. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (схема ОЭ)

Минусы: плохие температурные и частотные свойства.
Плюсы: большое усиления тока, большое входное сопротивление.

 

Рис. 4.18. Включение биполярного транзистора по схеме с общим коллектором (схема ОК)

Минусы: нет усиления напряжения.
Плюсы: большое входное сопротивление и малое выходное.

27. Нарисуйте и опишите полупроводниковые структуры полевых транзисторов с управляющим p - n -переходом. Укажите причины, которые позволяют управлять сопротивлением канала, и причины, приводящие к насыщению тока стока.

Работа полевого транзистора с управляющим р-п -переходом основана на изменении сопротивления канала за счет изменения размеров области, обедненной основными носителями заряда. Под действием приложенного к затвору обратного напряжения поперечное сечение канала может меняться, что и ведет к изменению его сопротивления.
 Упрощенная полупроводниковая структура одной из первых конструкций полевого транзистора с управляющим р-п- переходом.

Ширина р-п -перехода зависит также от тока, протекающего через канал. Если U _СИ ¹ 0, например U _CИ > 0, то ток I _C, протекающий через транзистор, создаст по длине последнего падение напряжения, которое оказывается запирающим для перехода «затвор - канал» лишь на ограниченной длине канала в области, близкой к стоку. Так, если считать, что сопротивление транзистора определяется только сопротивлением канала, то у края р-п- перехода, обращенного к истоку, будет действовать напряжение U _ЗИ, а у края, обращенного к стоку, действует напряжение | U _ЗИ| + U _СИ. При изменении напряжения Uзи (обратного для p-n-переходов) меняется ширина p-nпереходов транзистора за счет изменения толщины запирающего слоя, а => изменяется поперечное сечение токопроводящего канала и его проводимость, и в конечном итоге, выходной ток стока Iс транзистора.

 

1. При Uзи = 0 и Uси > 0 входная цепь закорочена. Толщина p-n-переходов минимальна (сопротивление канала минимально), через канал протекает максимальный ток стока Iс.

2. При возрастании напряжения Uзи < 0 и Uси > 0 толщина переходов увеличивается, сечение канала и его проводимость уменьшаются, => ток Iс снижается.

3. При некотором значении Uси канал сужается настолько, что границы p-n-переходов смыкаются и сопротивление канала становится достаточно высоким.

 

При малых значениях напряжения U _СИ и малом токе I _C транзистор ведет себя как линейное сопротивление (область I на рис. 5.3). Увеличение U _СИ приводит к почти линейному возрастанию I _C, а уменьшение U _ЗИ- к соответствующему уменьшению I _C. По мере роста U _СИ характеристика I _C = ¦(U _СИ) все сильнее отклоняется от линейной, что связано с сужением канала у стокового конца.

 

 

Рис. 5.3. Семейство выходных ВАХ полевого транзистора с управляющим   р-п- переходом

 

При определенном значении тока наступает так называемый режим насыщения (область II на рис. 5.3), который характеризуется тем, что с увеличением U _СИ ток I _C меняется незначительно. Это происходит потому, что при большом напряжении U _СИ канал у стока стягивается в узкую горловину. Наступает своеобразное динамическое равновесие, при котором увеличение U _СИи рост тока IC вызывают дальнейшее сужение канала и соответственно уменьшение тока IC. В итоге последний остается почти постоянным. Напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения. Оно, как видно из рис. 5.3,меняется при изменении напряжения U _ЗИ.  

 

Нарисуйте и опишите полупроводниковые структуры полевых МДП транзисторов с индуцированным каналом. Укажите причины, которые позволяют управлять сопротивлением канала, и причины, приводящие к насыщению тока стока.

 

 

 

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом[1] — это полевой транзистор, в котором пластина из полупроводника, например p-типа (Рис. 1), имеет на противоположных концах электроды (исток и сток), с помощью которых она включена в управляемую цепь. Управляющая цепь подключается к третьему электроду (затвору) и образуется областью с другим типом проводимости, в данном случае n-типом.

 

Электроды полевого транзистора имеют следующие названия:

исток (англ. source) — электрод, из которого в канал входят основные носители заряда;

сток (англ. drain) — электрод, через который из канала уходят основные носители заряда;

затвор (англ. gate) — электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала.

Проводимость канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по типу проводимости канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Нарисуйте и опишите полупроводниковые структуры полевых МДП транзисторов со встроенным каналом. Укажите причины, которые позволяют управлять сопротивлением канала, и причины, приводящие к насыщению тока стока. (СМ. 28)

30. Нарисуйте графики проходных и выходных ВАХ полевого транзистора с управляющим p - n -переходом и укажите относительное расположение (в пространстве определения выходных ВАХ) омической области, области насыщения тока стока и пробойной области, отметив физические причины, определяющие границы между этими областями.

 

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

При малых значениях напряжения Uси и малом токе Iс транзистор ведет себя как линейное сопротивление (область I на рис. 5.3). Увеличение Uси приводит к почти линейному возрастанию Iс, а уменьшение Uзи соответствующему уменьшению Iс. По мере роста Uси характеристика Iс =f (Uси) все сильнее отклоняется от линейной, что связано с сужением C СИ канала у стокового конца.

При определенном значении тока наступает так называемый режим насыщения (область II на рис. 5.3), который характеризуется тем, что с увеличением Uси ток Iс меняется незначительно. Это происходит потому, что при большом напряжении Uси канал у стока стягивается в узкую горловину. Наступает своеобразное динамическое равновесие, при котором увеличение Uси и рост тока Iс вызывают дальнейшее сужение канала и соответственно уменьшение тока Iс. В итоге последний остается почти постоянным. Напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения. Оно, как видно из рис. 5.3, меняется при изменении напряжения UЗИ.

Напряжение отсечки, определенное при напряжении Uси < Uси.нас., численно равно напряжению насыщения при Uзи = 0, а напряжение насыщения при определенном напряжении на затворе Uзи равно разности напряжения отсечки и напряжения затвор-исток. При значительном увеличении напряжения U у стокового конца наблюдается пробой СИ р-п-перехода. В выходных характеристиках полевого транзистора можно выделить две рабочие области: О А и АБ. Область ОА называют крутой областью характеристики; область АБ – пологой или областью насыщения. В крутой области транзистор может быть использован как омическое управляемое сопротивление. В усилительных каскадах транзистор работает на пологом участке характеристики. За точкой Б возникает пробой электрического перехода.

Входная характеристика полевого транзистора с управляющим р-п-переходом обычно не рассматривается, поскольку она представляет со- бой обратную ветвь вольтамперной характеристики р-п-перехода.

31. Нарисуйте графики проходных и выходных ВАХ полевого транзистора с индуцированным каналом и укажите относительное расположение (в пространстве определения выходных ВАХ) омической области, области насыщения тока стока и пробойной области, отметив физические причины, определяющие границы между этими областями.

 

 

ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором похожи на ВАХ полевого транзистора с управляющим PN-переходом. Как видно на графике а), вначале ток Iси растет прямо пропорционально росту напряжения Uси. Этот участок называют омическая область (действует закон Ома), или область насыщения (канал транзистора насыщается носителями заряда). Потом, когда канал расширяется почти до максимума, ток Iси практически не растет. Этот участок называют активная область.

Когда Uси превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN-перехода), структура полупроводника разрушается, и транзистор превращается в обычный проводник. Данный процесс не восстановим, и прибор приходит в негодность.

32. Укажите способ вычисления координат рабочей точки полевого транзистора в пространстве определения его проходных и выходных ВАХ, представьте физическое обоснование такого выбора рабочей точки и опишите правила построения нагрузочной прямой.

Положение рабочей точки полевого транзистора достаточно определить на плоскости представления выходных вольт-амперных характеристик (т.е. на плоскости {UСИ,IС}). На этой плоскости представляется семейство выходных ВАХ (взятое из справочника или построенное по результатам экспериментальных измерений). Поверх полученной картины достраивается нагрузочная прямая.

Положение нагрузочной прямой зависит от того, в каком режиме должен работать транзистор. Амплитуда усиливаемого сигнала, подаваемого на вход рассчитываемого транзисторного каскада, может быть различной величины. В одних случаях приходится усиливать очень слабые электрические сигналы, в других случаях амплитуда усиливаемого сигнала может оказаться относительно большой. Для этих двух крайних ситуаций, соответствующих режимам сильного и слабого сигнала, положение нагрузочной прямой должно быть различным. В случае сильного входного сигнала наиболее оптимальной нагрузочной прямой является линия, проходящая через точку максимального изгиба верхней ветви семейства выходных ВАХ транзистора. На рис.1 эту точку обозначили буквой А. Второй определяющей точкой искомой нагрузочной прямой является точка О, лежащая на оси напряжений UКЭ и соответствующая напряжению источника питания, Епит. Таким образом, в случае сильного сигнала нагрузочная прямая должна примерно совпадать с наклонной сплошной линией, проходящей через точки А и О (см. рис.22). В случаях более слабых сигналов она будет проходить через точки А1и О, А2и О, А3и О. Определив значения IC00 и Епит и, следовательно, задав положение нагрузочной прямой, необходимо выбрать на этой прямой положение рабочей точки. Для этого следует найти точки пересечения выбранной нагрузочной прямой с самой нижней ветвью ВАХ (с одной стороны) и с пунктирной параболической кривой (с другой стороны). Последняя проходит через точки максимального изгиба всех графиков семейства выходных ВАХ. Середина отрезка нагрузочной прямой, заключенной между указанными двумя точками пересечения и является оптимальным положением рабочей точки транзистора.

Физическое обоснование: Выбор рабочей точки транзистора определяется максимальным выходным напряжением, максимальной рассеиваемой мощностью, максимальным изменением тока стока, максимальным коэффициентом усиления по напряжению, наличием напряжений смещения, минимальным коэффициентом шума.