2. Основные параметры полевого транзистора
Начальный ток стока Iс0 – ток в цепи стока транзистора, включенного по схеме с общим истоком, при Uси,< Uс нас; Uзи=0.
Ток стока в рабочей точке (при 0 > Uзи > Uотс)можно определить по формуле
Уравнение (1) является приближенным для проходной характеристики любого полевого транзистора (особенно с малыми напряжениями отсечки).
Напряжение отсечки Uотс– один из основных параметров, характеризующих ПТ. При напряжении на затворе, численно равным напряжению отсечки, практически полностью перекрывается канал полевого транзистора, и ток стока при этом стремится к нулю.
В справочных данных на ПТ всегда указывается, при каком значении тока стока произведены измерения напряжения отсечки. Так, например, для транзисторов КП307Е напряжения Uотс= 0.5 2.5 В получены при токе стока 0.01 мА.
Крутизна проходной характеристики. Входное сопротивление полевых транзисторов со стороны управляющего электрода (затвора) составляет 10 7 10 9 Ом. Усилительные свойства полевого транзистора, как и электронных ламп, характеризуются крутизной проходной характеристики: S=∂Iс ∂Uзи, при Uси=const. Выражение для крутизны характеристики в рабочей точке ПТ получим, используя (1)
где Uзи– напряжение затвор–исток, при котором вычисляется S;
Максимальное значение крутизны характеристики Sмакс достигается при Uзи=0. При этом численное значение Sмакс равно проводимости канала ПТ при нулевых смещениях на его электродах.
Соотношение (3) позволяет по двум известным параметрам рассчитать третий. Для большинства маломощных ПТ S лежит в пределах 210 мА/В.
Крутизна характеристики полевых транзисторов на 12 порядка меньше, чем у биполярных транзисторов, поэтому при малых сопротивлениях нагрузки коэффициент усиления каскада на ПТ Кu = S Rc (Rc – сопротивление в цепи стока) меньше коэффициента усиления аналогичного каскада на биполярном транзисторе.
В большинстве случаев крутизну характеристики полевых транзисторов считают частотно-независимым параметром. Поэтому быстродействие электронных схем на ПТ ограничено в основном паразитными параметрами схемы.
Внутреннее сопротивление канала Ri определяется выражением Ri = ∂Uси∂Iс при Uзи= соnst.
Это сопротивление при Uси=0 и произвольном смещении Uзи можно выразить через параметры транзистора:
При малом напряжении исток–сток вблизи начала координат выходной характеристики ПТ ведет себя как переменное омическое сопротивление, зависящее от напряжения на затворе. Минимальное значение сопротивления канала Ri0 наблюдается при Uзи=0. При увеличении обратного напряжения на затворе сопротивление канала нелинейно увеличивается. Значение Ri0 определяется по стоковой характеристике транзистора как тангенс угла наклона касательной к кривой Iс=f(Uс) при Uз=0 в точке Ucи=0.
Для приближенных расчетов имеет место простое соотношение:
Коэффициент усиления определяется как изменение напряжения стока к вызвавшему его изменению напряжения на затворе при Ic = const:
Изменение тока стока связано с изменением напряжением на затворе и изменением напряжения на стоке
разделив на ∂Uси и с учетом (6) после несложных преобразований получим связь между тремя параметрами
Максимальные напряжения затвор–сток, затвор–исток, исток–сток. При превышении допустимых значений напряжения между электродами транзистора возможен лавинный пробой перехода затвор-канал.
Обратное напряжение диода затвор–канал изменяется вдоль длины затвора, достигая максимального значения у стокового конца канала. Именно здесь происходит пробой полевого транзистора. Лавинный пробой не приводит к выходу из строя ПТ с управляющим p–n-переходом, если он не переходит в тепловой пробой. После возвращения в нормальный рабочий режим ПТ восстанавливают свою работоспособность.
Типичные значения параметров маломощного полевого транзистора КП-303В с p–n-переходом и каналом n-типа:
Начальный ток стока Ic0 = 2 ÷ 5 мА при Uси = 10 В, Uзи = 0.
Напряжение отсечки Uотс = −1 ÷ − 4 В при Uси = 10 В, Ic = 10 мкА.
Крутизна проходной характеристики при Uси = 10 В, Uзи = 0, S = 2 ÷ 5 мА/В.
Внутреннее сопротивление Ri = 0,02 ÷ 0,5 Мом.
Ток утечки затвора Iз = 1 нА при Uзи = 10 В, Uси = 0.
Емкость входная Сзи не более 6 пФ.
Емкость проходная Сзс не более 2 пФ.
Максимальное напряжение затвор–сток, затвор–исток
Максимальное напряжение сток-исток Uси max = 25 В.
Максимальный ток стока Ic max =20 мА.
Максимальная рассеиваемая мощность при Т ≤ 25ºС
Р max = 200 мВт.
Диапазон температур окружающей среды Т от –40 до +85 ºС.
Крутизна характеристики:
(5.10а)
Она определяет влияние изменения напряжения на затворе на изменение тока стока. Числовое значение крутизны зависит от напряжения на затворе. С увеличением Uзи ток стока и крутизна уменьшаются. Беря производную от (5.9), находим значение крутизны в области насыщения:
(5.10б)
, получаем 
(5.11)
Знак минус в определении крутизны обусловлен тем, что под Uзи понимается абсолютная величина. Заметим, что крутизна при нулевом напряжении на затворе (Uзи=0) равна максимальной проводимости канала, т.е.
(5.12)
(5.13)
Согласно выражению (5.9) стоковый ток в области насыщения не зависит от напряжения сток-исток и 
должно быть равно бесконечности. Однако реальные стоковые характеристики имеют положительный наклон, что обусловлено модуляцией длины канала: с ростом Uси длина канала L уменьшается, уменьшается сопротивление канала Rk0, и ток стока несколько возрастает. Поэтому 
имеет конечную величину. Например, значение выходного сопротивления маломощных полевых транзисторов обычно лежит в пределах 10 – 100кОм.
3) коэффициент усиления:
. (5.14)
Параметры 
, 
и 
связаны между собой соотношением 
.
Цепь затвора характеризуется входным сопротивлением транзистора:
(5.15)
В качестве параметров указывают напряжение отсечки Uзиотс; ток насыщения стока при короткозамкнутом истоке и затворе (Uзи=0); емкости: затвор – сток Сзс, затвор – исток Сзи, сток – исток Сси, подложка — исток Спи, граничную частоту
, (5.16а)
где- постоянная времени цепи затвора.
Емкость затвора определяется как
(5.16б)
Из–за довольно высокой емкости затвора и низкой крутизны вольт-амперной характеристики кремниевые полевые транзисторы с управляющим p-n переходом имеют невысокую предельную частоту и применяются в основном для усиления сигналов в области низких и средних частот. Это объясняется невысокой подвижностью электронов в кремнии. Поэтому было предложено использовать новые полупроводниковые материалы с более высокой подвижностью электронов, в частности арсенид галлия (GaAs).
Чтобы сохранить основные преимущества полевых транзисторов (работа на основных носителях заряда) и использовать новые более перспективные материалы, была предложена другая конструкция полевого транзистора – полевой транзистор с барьером Шоттки. В настоящее время именно такую конструкцию имеют СВЧ полевые транзисторы из GaAs. В этих приборах с длиной канала 0,25 мкм получена граничная частота
Устройство полевого транзистора с барьером Шоттки качественно похоже на устройство рассмотренного выше полевого транзистора с управляющим p-n переходом. Отличием является то, что в этом транзисторе затвором является контакт металл-полупроводник, а тонкий слой проводящего полупроводника с характерной концентрацией n≈ 3∙10 17 см -3 получен эпитаксиальным наращиванием на полуизолированную подложку, изготовленную из GaAs.
Подобно биполярным транзисторам, полевые транзисторы используют в трех основных схемах включения: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). Усилительный каскад по схеме ОИ аналогичен схеме ОЭ. Схема ОС подобна эмиттерному повторителю и называется истоковым повторителем. Схема ОЗ аналогична схеме ОБ. Схема не усиливает тока, поэтому коэффициент усиления по мощности во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Эта схема имеет малое входное сопротивление, так как входным током является ток стока. Фаза напряжения при этом не инвертируется.
34) Крутизна и напряжение отсечки пт.
- Крутизна — один из основных параметров полевого транзистора, характеризующий его усилительные свойства. Крутизна представляет собой отношение изменения тока стока
к изменению напряжения на затворе 
при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора т.е. на стоке. Крутизна передаточной характеристики полевого транзистора 
обычно составляет несколько миллиампер на вольт. С ростом отрицательного напряжения на затворе значение крутизны характеристики транзистора будет уменьшаться, т.к. при увеличении отрицательного напряжения на затворе будет увеличиваться ОПЗ перехода затвора и уменьшаться толщина проводящего канала. Вблизи напряжения отсечки толщина канала вместе с током стока уменьшается до нуля, сопротивление канала возрастает и крутизна падает до нуля.
- Управление полевым транзистором осуществляется напряжением на затворе. Поэтому для количественной оценки управляющего действия затвора используют крутизну характеристики: s=dIc/dUзи при Uси=const. Крутизна характеристики достигает максимального значения при Uзи=0. Крутизну характеристики полевого транзистора можно определить графоаналитическим способом. Для этого необходимо провести касательную к стокзатворной характеристики в точке Uзи=0. Наклон этой касательной и определит значение S.
Увеличение ширины канала и степени легирования приведёт к росту крутизны транзистора, потому что при прочих равных условиях, рост числа электронов и размеров области приведёт к уменьшению сопротивления и, следовательно, обеспечит больший ток стока при том же напряжении на затворе. Следовательно, крутизна увеличится. Существенно, что толщина канала одинаково увеличивает крутизну и напряжение отсечки. Ширина канала увеличивает только крутизну, но не влияет на напряжение отсечки. Напряжение отсечки:
- Ток стока имеет слабую зависимость от напряжения сток–исток, поэтому передаточная характеристика изображена в виде одной кри- вой, исходящей из точки UЗИ = Uотс. Это напряжение называется на- пряжением отсечки, при достижении которого транзистор полностью закрыт. По мере уменьшения отрицательного напряжения на затворе ток стока увеличивается в соответствии с уравнением , (3.1) где I0 – ток насыщения транзистора при UЗИ = 0. 2 ЗИ C 0 отс 1 U I I U
Напряжение отсечки будет расти с ростом степени легирования канала транзистора, потому что чем больше число доноров в ОПЗ, тем труднее удалить из канала подвижные электроны. Аналогично с толщиной, необходимо большее напряжение, чтоб удалить все электроны в подложку из толстого канала.
- НАПРЯЖЕНИЕ ОТСЕЧКИ (у полевого транзистора) — параметр полевого транзистора с управляющим p-n переходом, определяющий значение напряжение между затвором и стоком, при котором происходит насыщение тока стока, т.е. ток стока перестает зависеть от напряжения на стоке относительно истока.
Поскольку ОПЗ обладает высоким сопротивлением, то при увеличении ширины ОПЗ сечение канала уменьшается и его сопротивление возрастает. Самое низкое сопротивление канала и, соответственно, самый большой ток через него будет при нулевом напряжении на затворе (Uз = 0), затем по мере увеличения ширины ОПЗ при возрастании Uз и, соответственно, уменьшении сечения канала ток будет падать и при некотором напряжении отсечки Uзо канал полностью перекроется и ток через него перестанет возрастать. Соответствующие вольтамперные характеристики ПТУП приведены на рис. 77. 
Рис. 77. Вольтамперные характеристики полевого транзистора с управляющим pn переходом.
11.03.2016 516.79 Кб 19 3.pdf
11.03.2016 43.91 Кб 454 3.Равномерное прямолинейное движение.docx
27.03.2015 18.86 Mб 21 3031 часть 1.rtf
27.03.2015 606.72 Кб 14 3031 часть 2.doc
27.03.2015 3.2 Mб 27 3063.doc
20.12.2018 354.56 Кб 22 31-35.docx
04.08.2019 36 Кб 9 31-37.docx
27.03.2015 4.93 Mб 13 32-43.doc
04.09.2019 94.25 Кб 10 32. Радикальная экономическая реформа.docx
28.07.2019 35.27 Mб 13 325_1_5.rtf
28.07.2019 96.4 Mб 10 325_3.rtf
Ограничение
Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:
Искусство схемотехники. Часть 1 — Транзисторы и их модели
Издательство Наука и Техника предложило для ознакомления несколько глав из только что вышедшей книги С. А. Гаврилова «Искусство схемотехники. Просто о сложном».
Сегодня Радиолоцман предлагает вниманию читателей первую главу.
| Заказать книгу можно в интернет-магазине издательства |
Книга является путеводителем для радиолюбителя и начинающего разработчика в мир создания электронных схем на полупроводниковых элементах. Глубина рассмотрения сочетается с предельной доступностью, использованием наиболее простых и «прозрачных» методов синтеза схем и их анализа. Выдержан принцип пошагового рассмотрения – от простого к сложному.
Радиолюбителям эта уникальная книга поможет перейти от слепого копирования схем к созданию собственных конструкций. Создаются и сравниваются аналогичные конструкции на различной элементной базе.
Содержится интересный разбор частых заблуждений и ошибок, много полезного материала из практики разработчиков электронных схем.
Книга предназначена для радиолюбителей и начинающих разработчиков. В ряде случаев книга будет полезна профессиональным разработчикам и студентам радиотехнических специальностей: изложение ведется на достаточно серьезном уровне.
1.1 Транзисторы и их модели
Характеристики транзисторов
Начало промышленного выпуска плоскостных полупроводниковых триодов приходится на середину 50-х годов прошлого века. Тогдашним радиоинженерам, привыкшим работать с электронными лампами, новый усилительный прибор казался как бы «ухудшенной радиолампой».
Дело в том, что и принципы построения схемных конфигураций, и методы расчетов – по инерции оставались пронизанными «ламповым подходом», предполагавшим относительно надежное знание характеристик активного прибора. Вы и сами наверняка встречали в литературе методики расчетов транзисторных каскадов, связанные с отысканием рабочих точек на кривых, построением к ним касательных, и прочим подобным… В этой книге ничего такого не будет.
| Радиолюбитель: | Не понимаю, что в этом плохого, ведь такие методики считаются классикой? |
Плохо то, что кривые оказываются недостоверными, характеристики – нестабильными, в итоге весь расчет – блефом.
| Радиолюбитель: | Однако во многих справочниках вольтамперные характеристики для различных типов транзисторов приведены. |
Если вы в них всмотритесь, то убедитесь, что все они похожи как две капли воды. Вполне достаточно иметь представление о типичной характеристике биполярного транзистора. Ей-то мы сейчас и займемся. Не забывая, что характеристику нельзя рассматривать как «точную».
| Радиолюбитель: | Если она не точная… то как же быть? |
Секрет состоит в непревзойденных свойствах обычного (так называемого биполярного) транзистора. А именно: характерные его сопротивления оказываются либо значительно меньше, либо значительно больше типичных величин пассивных сопротивлений схемы.
Это дает возможность использовать очень простые, но достаточно адекватные модели активных приборов. Эффективность применения таких моделей связана с особым подходом к расчету, когда анализ схемы проводят не со входа, а с выхода, ориентируясь на «конечный результат».
| Радиолюбитель: | Я уже догадываюсь, что речь идет о подходе, похожем на тот, который применяют при построении устройств на операционных усилителях? |
Совершенно верно. Точно так же, как в вашем примере, использование таких моделей предполагает построение схемных конфигураций, основные параметры которых мало зависят от характеристик активных элементов.
Этому же способствует отказ от привычки «экономить» транзисторы (как когда-то лампы).
| Радиолюбитель: | Это-то понятно, ведь даже дискретные полупроводниковые приборы дешевле, да и, пожалуй, надежнее многих других элементов схемы. |
Верно. Ну а количество активных элементов на кристалле интегральной схемы, как вы понимаете, вообще не имеет существенного значения.
Биполярный транзистор
Перед нами важнейшие характеристики типичного маломощного кремниевого транзистора: характеристика прямой передачи (рис. 1.1) и семейство выходных характеристик – при заданном токе эмиттера (рис. 1.2) и при заданном напряжении база-эмиттер (рис. 1.3). Отметим главное.
| Рис. 1.1. | Типичное напряжение между базой и эмиттером – около 0.7 В |
| Рис. 1.2. | Ток коллектора практически равен току эмиттера |
| Рис. 1.3. | При UКЭ, близком к нулю, усилительные свойства теряются |
При тех значениях тока коллектора IК, которые являются допустимыми для конкретного прибора, напряжение между базой и эмиттером транзистора (а оно-то и служит управляющим) почти всегда должно находиться в пределах 0..6…0.7 В.
Крутизна прямой передачи биполярного транзистора S = ΔIК / ΔUБЭ очень велика (десятки и сотни мА/В), это хорошо видно по рис. 1.1.
Выходное сопротивление транзистора (см. рис 1.2) при заданном эмиттерном токе – ΔUКБ / ΔIК очень велико – не менее 1 МОм.
Усилительные свойства транзистора сохраняются при снижении напряжения между коллектором и базой IКБ до нуля (и даже чуть ниже – см. рис. 1.2).
Токи коллектора и эмиттера практически равны между собой. Точнее, они различаются на малую величину тока базы:
| IЭ = IК + IБ ≈ IК | (1.1) |
причем отношение IК / IБ представляет собой известный параметр транзистора – коэффициент передачи тока, обозначаемый h21Э (можно также встретить и вариант обозначения β).
Крутизна прямой передачи
С достаточной степенью точности крутизна биполярного транзистора определяется током коллектора:
| S = IК / φТ или: S = 40IК | (1.2) |
(IК в миллиамперах, S – в миллиамперах на вольт). Фигурирующий здесь коэффициент 40 – это величина, обратная так называемому термическому потенциалу φТ, пропорциональному абсолютной температуре. И она потребует поправок, если температура кристалла отличается от «нормальной», при которой φТ = 25 мВ.
Вообще-то (1.2) является дифференциальным уравнением, из которого следует, что характеристика прямой передачи (зависимость IК от UБЭ) является экспоненциальной функцией. И это действительно верно для не слишком больших токов.
| Радиолюбитель: | А как для «слишком больших»? |
При токах IК, близких к предельно допустимым для транзисторов данного типа, формула (1.2) дает завышенные значения. Причина – дополнительное падение напряжения от базового тока на омическом сопротивлении базы.
«Линейный участок» или иллюзия?
Не правда ли, кривые, наподобие изображенной на рис. 1.1, дают видимость наличия ясно выраженных участков: с большей кривизной (левее) и почти линей-ного (справа)?
| Радиолюбитель: | По-моему, это очевидно. |
Вот отсюда – ошибочные советы по «правильному выбору рабочей точки», при котором надо судить по визуально оцениваемой форме кривых.
Но достаточно изменить масштаб графика по оси токов, и прежняя экспонента просто сдвинется вправо или влево. Это сразу обнаружит иллюзорность выделения в характеристике транзистора специфических участков или каких-либо особых точек (например, «с максимальной кривизной – для лучшего детекти-рования»).
| Радиолюбитель: | А как же тогда выбирать оптимальный режим, ведь в книгах всегда твердят: «на линейном участке»? |
Такие вопросы решаются не столь легкомысленно, а на более серьезной основе, и мы это увидим в последующих главах.
Коэффициент передачи тока базы
Статическое значение параметра h21Э, контролируемое на низких частотах, играет немалую роль при расчете схем. Завод-изготовитель, даже для нормальной температуры, дает на величину h21Э весьма большой допуск (убедитесь в этом, заглянув в справочник).
| Радиолюбитель: | Да, в справочных данных обычная разница между минимумом и максимумом 2.5 – 3 раза. |
Вот чтобы не оказаться в ситуации, когда спроектированная схема неработоспособна с некоторыми экземплярами транзисторов (вполне исправными!), расчет ведут всегда, ориентируясь на наихудшее для данного случая значение коэффициента передачи тока h21Э (для выбранного типа прибора и классификационной группы).
| Радиолюбитель: | То есть – на наименьшее? |
Почему же? Смотря по содержанию расчета. Бывает и обратное.
Коэффициент передачи тока h21Э зависит от величины коллекторного тока, но меньше, чем крутизна. Для маломощных транзисторов этот параметр чаще всего имеет максимум в диапазоне токов 5…20 мА, но заметный спад его начинается лишь при IК менее 0.5…1 мА. Поэтому не сделает большой ошибки тот, кто будет ориентироваться на значение h21Э, взятое из паспортных данных (приведенных, конечно, для определенного IК, может быть, вовсе не того, на которое производится расчет).
Германиевые транзисторы
Все, сказанное выше о кремниевых приборах, по большей части относится и к германиевым.
| Радиолюбитель: | Почему-то в современных схемах их практически и не встретишь. |
Так и есть – по ряду причин (которые станут ясны в свое время). Пока следует лишь указать, что усилительный режим германиевых транзисторов соответствует меньшим напряжениям UБЭ (0.15…0.2 В).
Полевые транзисторы
Они, в отличие от биполярных, во многом напоминают электронные лампы. Не обладая высокой крутизной, они в некоторых случаях являются удачным дополнением биполярных приборов, если надо, например, обеспечить высокое входное сопротивление каскада. Ведь ток затвора полевого транзистора практически равен нулю.
На рис. 1.4 представлена типичная характеристика прямой передачи транзистора с управляющим p-n переходом и каналом n-типа (2П302А). Рабочая область напряжений на затворе в усилительном режиме простирается от напряжения отсечки UОТС, при котором ток стока падает практически до нуля, до примерно +0.5 В (большее напряжение UЗИ подавать нельзя: открывается переход затвор-канал и работа транзистора нарушается).
Подобную же характеристику имеет и полевой МДП (или МОП, в зарубежной литературе – MOSFET) транзистор со встроенным каналом n-типа (например, 2П305А). Только в этом случае она продолжается также и в область положительных напряжений на затворе – ведь здесь затвор полностью изолирован от канала.
| Рис. 1.4. | Полевой транзистор «с обеднением» при нулевом напряжении на входе открыт |
Транзисторы, которые при UЗИ = 0 открыты, относят к приборам «с обеднением». А на рис. 1.5 изображена стоко-затворная характеристика транзистора «с обогащением» – полевого МОП прибора (2П304А). Он имеет индуцированный канал p-типа, который открыт лишь тогда, когда напряжение затвор-исток превышает по абсолютной величине пороговое UПОР, на графике это примерно 3.7 В. Данные о пороговых напряжениях (и напряжениях отсечки) всегда можно найти в паспортах на полевые приборы.
Ранее мы видели, что биполярный транзистор сохраняет усилительные свойства при снижении напряжения между коллектором и эмиттером до десятых долей вольта. В противоположность им, полевые приборы требуют для эффективной работы в усилитель-ных каскадах определенного напряжения на стоке:
| | UСИ | > | UЗИ – UПОР | или: | UСИ | > | UЗИ – UОТС |. | (1.3) |
Проследите по стоковой вольтамперной характеристике (рис. 1.6), что при несоблюдении этого условия рабочая точка оказывается на участке характеристики, где крутизна и выходное сопротивление резко падают.
| Рис. 1.6. | На крутом участке характеристики усилительные свойства полевого транзистора падают |
Крутизна полевого транзистора
В паспорте на полевой транзистор вы найдете значение крутизны прямой передачи
гарантированное заводом-изготовителем для определенного тока стока (например, для IС = 10 мА).
| Радиолюбитель: | А если придется использовать прибор при другой величине тока? |
Несложно дать оценку крутизны, зная, что она изменяется пропорционально квадратному корню из тока: ведь характеристика прямой передачи здесь – парабола. Пусть при IС = 10 мА крутизна составляет 5 мА/В. Тогда для IС = 2 мА получаем – сколько?
| Радиолюбитель: | Думаю, что посчитать можно так: . |
Верно. Иногда для аналогичных расчетов удобнее бывает учитывать, что от напряжения затвор-исток крутизна зависит линейно, снижаясь до нуля при напряжении отсечки.
| Радиолюбитель: | Я вижу, что для полевых транзисторов все как-то сложнее, что ли, чем для биполярных. |
Увы, такова специфика вольтамперных характеристик и параметров полевых приборов. Эту разницу мы почувствуем немедленно: стоит лишь обратиться к анализу задачи стабилизации режима активного прибора.
Продолжение читайте здесь