Транзисторы

1. Транзисторы

2.

• Транзисторы – полупроводниковые
усилительные приборы обладающие
свойством плавного регулирования
электрического тока.
• Транзисторы используются в схемах
автоматического
управления,
усилителях, генераторах, а также в
устройствах хранения информации.

3. Классификация транзисторов

• Транзисторы можно разделить на две
большие группы:
• 1. Биполярные транзисторы – устройства,
имеющие два взаимодействующих p-n
перехода, при этом в качестве управляющей
величины служит сила тока.
• 2. Полевые транзисторы – устройства в
которых
в
качестве
управляющей
величины используется электрическое
напряжение (напряженность электрического
поля).

4. Биполярные транзисторы

5. Биполярный транзистор(BJT) -

Биполярный транзистор(BJT) • Полупроводниковый усилительный прибор
с двумя p-n переходами, управляемый
слабым током, протекающим через открытый
p-n переход.
• Биполярные транзисторы не имеют такой
широкой номенклатуры, как полевые.
• УГО:
Б – база;
Э – эмиттер;
К – коллектор.

6. Историческая справка

• Биполярный транзистор
был создан раньше
полевого (1947 г., США),
хотя идея создания
полевого транзистора
возникла в (1926-1928 гг).
• Изобретатели

7.

• Устройство: биполярный транзистор
представляет
собой
кристалл
полупроводника
одного
типа
проводимости разделенный тонким
слоем полупроводника с другим типом
проводимости.
Этот
тонкий
слой
называется
базой
и
является
управляющим электродом. Две другие
области называются соответственно
эмиттер и коллектор.
Эмиттерный
переход
Коллекторный
переход

8.

• Конструктивные особенности (Важно!):
1) Эмиттер обладает самой большой
концентрацией основных носителей, много
большей чем в базе и коллекторе
2) База имеет самую малую концентрацию
основных носителей.
3) Ширина базы много меньше длины
свободного пробега основных носителей
заряда.
* Длина свободного пробега носителя – расстояние которое проходит
носитель заряда (электрон или дырка) до рекомбинации.

9.

• Принципы работы: Если отсутствует ток базы (Iб = 0), то
транзистор будет находится в закрытом состоянии (режим
отсечки) и ток коллектора Iк → 0. Это объясняется, тем, что
один из p-n переходов транзистора будет закрытым вне
зависимости от полярности напряжения, поданного на
коллектор и эмиттер.
• Если на базу относительно эмиттера подать напряжение
такой полярности, что переход база-эмиттер будет смещён в
прямом направлении, то через базу потечет ток (Iб ≠0),
вызванный
рекомбинацией
носителей,
интенсивно
поступающих в базу из эмиттера. Т.к. база тонкая и имеет
низкую концентрацию основных носителей, то носители из
эмиттера будут захвачены мощным полем коллектора и
образуют коллекторный ток (Iк ≠ 0). При этом Iк >> Iб .
• Для транзистора также справедливо соотношение:
Iэ = Iб + Iк

10.

• Если напряжение на коллекторе (Uкэ) велико, по
сравнению с напряжением на базе (Uбэ), то переход
коллектор-база (коллекторный переход) будет
смещен в обратном направлении, и ток коллектора
будет определяться в основном током базы (Iк ~ Iб) и
слабо зависеть от напряжения на коллекторе
(активный режим).
• Активный режим является основным режимом
работы
биполярного
транзистора,
который
используется в усилительных, генераторных и
регуляторных устройствах.
• Если напряжение на коллекторе (Uкэ) меньше,
напряжения на базе (Uбэ), то коллекторный переход
открывается, и ток коллектора быстро возрастает с
увеличением напряжения на коллекторе (режим
насыщения).
• Режим насыщения применяется главным образом в
устройствах автоматики, когда транзистор играет
роль электронного ключа.

11.

• Главным условием существования тока в
цепи
коллектора
(условие
работы
транзистора) является наличие тока в цепи
базы!
• В транзисторных схемах можно выделить
входную и выходную цепи, при этом один
из электродов транзистора оказывается
связан как с входной цепью, так и с
выходной (общий электрод).
• Общим электродом может выступать
любой электрод транзистора, на этом
основании выделяют три схемы включения
биполярного
транзистора:
с
общим
эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и
общей базой (ОБ).

12. Характеристики и параметры биполярного транзистора

• Характеристики и параметры транзистора зависят от
схемы включения.
• Далее рассмотрим характеристики и параметры для
схемы ОЭ.
• В
качестве
параметров
транзистора
будем
использовать малосигнальные гибридные h –
параметры. Эти параметры относятся к «инженерным»
(формальным), т.к. описывают работу транзистора в
виде модели четырехполюсника.
• Существуют также «физические» (естественные)
параметры, имеющие больше физического смысла,
однако
они
сложны
для
экспериментального
определения.
• Между формальными и естественными параметрами
можно установить однозначное соответствие.

13.

• Входная характеристика и параметры:
Параметры:
U бэ
U бэ/// U бэ//
h11
Uк const
I б
I б/ I б//
U / бэ
U бэ0 U бэ/
h12
Iб const
U кэ
U кэ 2 U кэ1
Зависимость тока базы Iб
от напряжения на базе Uбэ
при постоянном
напряжении на коллекторе
Uкэ = const.
Uкэ2 > Uкэ1
h11 – входное
сопротивление (~ 102 Ом)
h12 – коэффициент
обратной связи по
напряжению (~ 10-2)

14.

• Выходная характеристика и параметры:
Режим
насыщения
Активный
режим
I / к
I к/ I к//
h21
Uк const /
I б
I б I б//
I к
I к 2 I к1
h22
Iб const
U кэ
U кэ 2 U кэ1
h21 – коэффициент
передачи по току (~ 102 )
Режим отсечки
Зависимость тока коллектора Iк
от напряжения на коллекторе
Uкэ при постоянном токе базы
Iб = const.
I`б > Iб0 > I``б
h22 – выходная
проводимость (~ 10-4 См)
* Коэффициент передачи по току
h21 определяет усилительные
свойства биполярного транзистора.

15. Особенности биполярных транзисторов

• 1) Вследствие открытого перехода базаэмиттер биполярный транзистор обладает
относительно
низким
входным
сопротивлением (~ 100 Ом) и поэтому
потребляет значительно больше энергии из
входной цепи чем полевые транзисторы.
• 2) Биполярные транзисторы обладают
повышенным
быстродействием
из-за
низкой барьерной емкости
открытого
перехода база-эмиттер.

16. Применение

• Широко применяются в различных
электронных
устройствах,
т.к.
относительно неприхотливы к условиям
работы.
• Вследствие высокого быстродействия
применяются
в
ячейках
быстродействующей
статической
памяти цифровых вычислительных
устройств.

17. Схемы простейших устройств автоматики на биполярном транзисторе

• Управляемый делитель напряжения
• Назначение элементов: Биполярный
транзистор – управляющий активный
элемент; Rк – ограничивает ток
коллектора; Rб – ограничивает ток
базы;
Rп-R1
–
управляющий
делитель напряжения.
• Принципы работы:
• Если Rп >> R1, то Uб – мало, ток в базе мал и транзистор
находится в режиме отсечки (закрыт) => Rкэ >> Rк => Uк → Uпит.
• Если Rп < R1, то Uб и ток базы возрастают (транзистор в активном
режиме) => Rкэ < Rк => Uк < Uпит.
• При Rп = 0 Uб → Max (транзистор полностью открыт) => Rкэ → 0
=> Uк → 0.

18.

• Фотоэлектронный ключ (фотореле)
• Назначение элементов: Биполярный
транзистор – управляющий активный
элемент; Rк – ограничивает ток
коллектора; Rб – ограничивает ток
базы;
Rф-R1
–
управляющий
делитель
напряжения,
чувствительный к свету.
• Принципы работы:
• Если Rф – затемнён, то Rф >> R1 => Uб – мало, ток в базе мал и
транзистор находится в режиме отсечки (закрыт) => Rкэ >> Rк =>
Uк → Uпит.
• Если Rф – освещён, то Rф → Min (Rф<< R1)=>Uб → Max
(транзистор полностью открыт) => Rкэ → 0 => Uк → 0.

19.

• Реле времени
• Назначение элементов: Биполярный
транзистор – управляющий активный
элемент; Rк – ограничивает ток
коллектора; VD – индикатор работы;
Rб – ограничивает ток базы; С-Rc –
времязадающая
цепь;
R1
–
стабилизирует
изменяющееся
сопротивление
перехода
базаколлектор; K – управляющий ключ.
• Принципы работы:
• Если К – разомкнут, Iб = 0 => транзистор – закрыт, светодиод VD
– не горит, Uк ≈ Uпит.
• При замыкании ключа К происходит зарядка конденсатора С, при
этом транзистор открывается VD – горит, Uк → 0.
• После размыкания ключа К происходит разрядка конденсатора С
через резистор Rc и переход база-эмиттер транзистора. Время
разрядки пропорционально величине С·Rc. Пока существует ток
разрядки транзистор находится в открытом состоянии и
светодиод горит. *Подумайте, как можно реализовать
задержку зажигания светодиода при включении схемы?

20. Полевые транзисторы

21.

• Полевые транзисторы это класс
полупроводниковых
усилительных
приборов
предназначенных
для
плавного регулирования тока в
электрических
цепях
с
помощью
электрического поля (напряжения).
• Управляющей величиной в полевых
транзисторах является напряжение.
• За
счет
возможности
плавного
регулирования тока на транзисторах
можно
собрать
усилительные
и
генераторные устройства.

22. Историческая справка

• Первый патент на полевой транзистор с
изолированным затвором: 1926 – 1928 г.г.,
Лилиенфельд Ю.Э. (Австро-Венгрия, США)
• Реализации идеи помешали
технические трудности.
• Техническая
реализация:
Дэвон Кан и Мартин
Аттала (Bell Labs) 1960 г.
• Начало
промышленного
производства 1964 г.

23.

• Другой принцип – полевой транзистор
с управляющим p-n переходом (JFET):
1953 г. Джорож Дейси и Йен Росс.
• В производство запустили только к 1960
г.
• В
настоящее
время
полевые
транзисторы
имеют
широкую
номенклатуру
и
отличаются
по
принципам действия.

24.

• Классификация полевых транзисторов и
УГО

25.

• * Существуют также особый вид
полевых транзисторов – транзисторы
с плавающим затвором – они
являются
основой
современной
энергонезависимой Flash памяти.

26. 1. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом (JFET)

• - разновидность полевых транзисторов
принцип работы которых основан на
использовании обратносмещенного p-n
перехода как регулятора тока в
полупроводниковой структуре.
• УГО:
И – исток;
С – сток;
З – затвор.

27.

• Устройство:
транзистор
представляет
собой
кристалл примесного полупроводника (p или n
типа) к которому подключены два электрода (исток и
сток). Полупроводник между стоком и истоком
образует канал по которому протекает основной ток.
На боковых гранях кристалла располагаются
полупроводники с другим типом проводимости, они
образуют затвор. Затвор является управляющим
электродом в полевом транзисторе.

28.

• Принципы работы: при нулевом напряжении
затвор-исток (Uзи = 0) и ненулевом напряжении
питания (Ucи ≠ 0) в канале начинает протекать
электрический ток Iнач. При подаче на затвор
обратного напряжения p-n переход затвор-канал
расширяется в область канала, канал становится уже
и ток в нём падает. При некотором напряжении
Uзи=Uотс (напряжение отсечки) канал полностью
перекроется и ток в цепи исток-сток прекратится.

29.

• Характеристики и параметры
• Основные параметры:
• Iнач – начальный ток
стока;
• Uотс – напряжение
отсечки;
• S=dI/dU – крутизна
характеристики.
• * Крутизна определяет
Сток-затворная характеристика
усилительные свойства
полевого транзистора.

30.

Стоковая характеристика
• Параметры: Up – напряжение перекрытия
канала (соответствует выходу зависимости на
пологий участок). При Uз = 0, Up = Uотс.

31.

• * Вследствие протяженности затвора и
канала, канал начинает перекрываться
ближе к стоку, т.к. у стока наблюдается
большая разность потенциалов затворканал. Точка выхода тока стока в
насыщение (начало пологого участка
стоковой характеристики) соответствует
перекрытию канала у стока.

32. Особенности

• 1) Т.к. со стороны входа (затвор-исток) мы
имеем обратносмещенный p-n переход,
который
обладает
повышенным
сопротивлением, то полевой транзистор
потребляет минимум тока из входной цепи.
• 2) Вследствие повышенной барьерной
емкости закрытого p-n перехода входная
емкость
полевого
транзистора
также
повышена,
что
ухудшает
его
быстродействие.

33. Применение

• Полевой транзистор с управляющим p-n
переходом
применяется
главным
образом в низкочастотных цепях, где
необходимо высокое (~100 кОм)
входное сопротивление.
• Наличие пологого участка на стоковой
характеристике
дает
возможность
создавать источники стабильного
тока.

34. Типовые схемы включения

• Усилитель для электретного (конденсаторного)
микрофона с высоким входным сопротивлением ~
100 кОм.

35.

• Источник стабильного тока на полевом
транзисторе
Изменяя Rсм можно
регулировать стабильный
ток в цепи.

36. 2. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП/ МОП – типа, MOSFET)

• Разновидность
полевых
транзисторов,
имеющих
металлический
затвор,
изолированный
от
полупроводниковой
структуры слоем диэлектрика (оксидом
кремния SiO2).
• Второе название произошло от структуры
транзистора
(Металл-ДиэлектрикПолупроводник
или
Металл-ОкиселПолупроводник)

37.

• Работа полевых транзисторов МОП
/МДП типа основана на влиянии
электрического поля затвора на
концентрацию основных носителей в
канале транзистора.
• Входной управляющей величиной
здесь
является
напряжение
на
затворе, которое пропорционально
увеличивает
напряженность
электрического поля затвора.

38.

• 2.1 Полевой транзистор МДП/МОП
типа со встроенным каналом.
• УГО:
З – затвор;
И – исток;
С – сток;
П – подложка.

39.

• Устройство: На подложке из примесного
полупроводника одного типа (p) расположен
канал из примесного полупроводнка другого
типа
(n),
над
каналом
расположен
металлический затвор (з), изолированный
от полупроводниковой структуры оксидом
полупроводника SiO2.

40.

• Принципы работы:
• 1) При Uзи = 0 по каналу протекает Iс = Iнач;
• 2) При Uзи > 0 электрическое поле затвора
притягивает электроны из подложки в канал (режим
обогащения) и ток стока возрастает;
• 3) При Uзи < 0 электрическое поле затвора
выталкивает электроны из канала в подложку
(режим обеднения) и ток стока падает.

41.

• Характеристики и параметры
транзисторов со встроенным каналом
Сток-затворная
характеристика
Стоковая
характеристика
* Параметры аналогичны параметрам транзистора с управляющим
p-n переходом.

42.

• 2.2 Полевой транзистор МДП/МОП
типа со индуцированным каналом.
• УГО:
З – затвор;
И – исток;
С – сток;
П – подложка.

43.

• Устройство:
В
транзисторе
с
индуцированным каналом канала как
такового нет, подложка перекрывает область
между истоком и стоком. Образованные
таким образом два встречно включенных p-n
перехода препятствуют протеканию тока при
Uзи=0

44.

• Принципы работы: такой транзистор может
работать только в режиме обогащения.
• 1) При Uзи=0 Ic=0 (транзистор закрыт);
• 2) При Uзи≠0 электрическое поле затвора
притягивает в подзатворную область неосновные
носители заряда подложки (электроны для подложки
p-типа и дырки для подложки n-типа) и между
истоком и стоком образуется инверсная область
(индуцированный канал) за счет которого
транзистор начинает проводить ток Ic≠0.

45.

• Характеристики и параметры транзистора с
индуцированным каналом.
Сток-затворная
характеристика
Стоковая
характеристика
* К традиционным параметрам полевых транзисторов добавляется
пороговое напряжение Uпор.

46. Применение транзисторов МДП/МОП типа

• Т.к. такие транзисторы имеют изолированный
затвор, то они практически не потребляют
тока из входной цепи (Rвх→∞), по этой причине
их используют в усилителях с высоким
входным сопротивлением, а также в элементах
внутренней
памяти
(ОЗУ)
цифровых
устройств.
• МОП транзисторы также можно использовать
для генераторов стабильного тока.

47.

• Транзисторы со встроенным каналом
по принципу действия близки к
электронным
лампам,
по
этой
причине их часто используют в
каскадах,
аналогичных
ламповым
каскадам.
• Транзисторы
с
индуцированным
каналом чаще используют в качестве
электронных ключей в том числе в
интегральных логических элементах
(КМОП/КМДП – логика).

48.

Логический
элемент ИЛИ-НЕ

49.

Схема реверсивного управления двигателем постоянного тока
(драйвер двигателя)
Позволяет
изменять
постоянного тока.
направление
вращения
двигателя

50. 2.3 Транзистор с плавающим затвором (FGMOS)

• По
сути
это
транзистор
с
индуцированным каналом у которого
имеется дополнительный (плавающий)
затвор,
расположенный
между
металлическим
(управляющим)
затвором
и
полупроводниковой
структурой.
• Плавающий
затвор
не
имеет
выводов во внешнюю цепь!

51.

• В
качестве
плавающего
затвора
используется
тонкая
область
в
полупроводниковой структуре между
нитридом кремния (Si3N4) и оксидом
кремния (SiO2).
• Эта
область
способна
хранить
электрический заряд в течение
длительного времени (несколько лет)

52.

• Принципы работы: При подаче напряжения одной
полярности на управляющий затвор основные
носители из подложки туннелируют в плавающий
затвор и заряжают его. За счет поля плавающего
затвора
транзистор
открывается
(режим
обогащения) и начинает проводить электрический
ток. Теперь даже при снятии напряжений со всех
электродов заряд на плавающем затворе сохранится
(хранение логической 1). Для перевода транзистора
в закрытое состояние достаточно подать на
управляющий электрод импульс другой полярности
или
облучить
ультрафиолетом
(память
с
ультрафиолетовым стиранием). В этом случае
заряд из плавающего затвора перейдет в подложку.
Поле плавающего затвора станет равным нулю и
транзистор закроется (хранение логического 0)

53. Особенности полевых транзисторов МДП/МОП типа

• Повышенная
входная
емкость
(пониженное быстродействие)
• Высокое входное сопротивление ~ 106
Ом (низкое энергопотребление)
• Низкая
электрическая
прочность
подзатворного
диэлектрического
слоя
(слой
SiO2)
(высокая
чувствительность к статическому
электричеству!)

54.

• Электронные изделия на полевых транзисторов
запрещено подвергать воздействию электрических
разрядов! Это приведет к потере работоспособности.
• Для
защиты
от
статического
электричества
применяют
специальные
антистатические
упаковочные материалы, а также системы
заземления инструмента и открытых частей тела
при монтаже (антистатические браслеты)

55.

• Биполярный
транзистор
с
изолированным затвором (IGBT) –
силовой полупроводниковый прибор,
сочетающий в себе два транзистора
(биполярный и полевой).
УГО
Эквивалентная схема

56. Особенности

• Биполярный
транзистор
с
изолированным затвором сочетает в
себе свойства полевого транзистора со
стороны управляющей цепи (низкое
энергопотребление для управления) и
свойства биполярных транзисторов со
стороны
управляемой
цепи
(повышенные рабочие напряжения,
низкое сопротивление в открытом
состоянии).

57. Применение

• Применяются
преимущественно
в
силовой электронике в качестве
управляющих
ключей
(инверторы,
сварочные преобразователи, схемы
управления электродвигателями)

58. Вопросы

1) Дайте определение транзисторам. В чем их принципиальное
отличие от тиристоров?
2) Начертите УГО биполярного транзистора и назовите его выводы.
3) Нарисуйте полупроводниковую структуру биполярного транзистора с
обозначением выводов.
4) Назовите основные конструктивные особенности биполярного
транзистора.
5) Назовите условие существования тока в цепи коллектора для
биполярного транзистора.
6) Назовите и охарактеризуйте режимы работы биполярного
транзистора.
7) Приведите пример входных и выходных характеристик биполярного
транзистора. Какие параметры и как можно по ним определить?
8) Назовите особенности и сферы применения биполярных
транзисторов.
9) Начертите УГО полевых транзисторов с управляющим p-n
переходом, МДП типа со встроенным каналом и индуцированным
каналом. Подпишите названия выводов.

59.

10) Назовите особенности полевых транзисторов с управляющим p-n
переходом.
11) Назовите особенности полевых транзисторов МДП типа.
12) Приведите характеристики и параметры полевого транзистора с
управляющим p-n переходом.
13) Приведите характеристики и параметры полевого транзистора МДП
типа со встроенным каналом.
14) Приведите характеристики и параметры полевого транзистора МДП
типа с индуцированным каналом.
15) Какую полярность напряжения можно подавать на затвор полевого
транзистора МДП типа со встроенным каналом?
16) Какую полярность напряжения можно подавать на затвор полевого
транзистора МДП типа с индуцированным каналом?
17) Где применяются полевые транзисторы с плавающим затвором?
18) Что такое биполярные транзисторы с изолированным затвором? В
чем их особенности и где они применяются?