Mazos galios aukšto dažnio vienos pakopos lauko tranzistoriai
5 (100%) 1 vote

Mazos galios aukšto dažnio vienos pakopos lauko tranzistoriai

TURINYS:

8.1. Tranzistoriai 3

8.1.1. ĮVADAS 3

8.1.2. TRANZISTORIŲ VEIKIMO PRINCIPAI 4

8. 1. 3. 1. MAITINIMO ŠALTINIO PARINKIMAS 7

8. 1. 3. 2. TRANZISTORIŲ TIPŲ ANALIZĖ 8

8. 1. 3. 3. TRANZISTORIAUS PARAMETRŲ ANALIZĖ 10

8. 1. 3. 4. LAUKO TRANZISTORIAUS EKVIVALENTINĖS SCHEMOS IR DAŽNINĖS SAVYBĖS 10

8. 1. 3. 5. DVIPOLIAI TRANZISTORIAI 13

8. 1. 3. 6. DVIPOLIŲ TRANZISTORIŲ CHARAKTERISTIKA 18

8. 1. 3. 7. ŽEMO 22

8. 1. 3. 8.VIDUTINIO 23

8. 1. 3. 9. AUKSTO 23

8. 1. 3. 10. SUPER AUKSTO 25

8. 1. 3. 11. LAUKO TRANZISTORIAI 28

8. 1. 3. 12. LAUKO TRANZISTORIAUS CHARAKTERISTIKA 32

8. 1. 3. 13. DAŽNINĖS LAUKO TRANZISTORIAUS SAVYBĖS 33

8. 1. 3. 14. PRINCIPINIŲ SCHEMŲ SUDARYMAS 34

8. 1. 3. 15. PRINCIPINIŲ SCHEMŲ PARAMETRŲ SKAIČIAVIMAS 35

8. 1. 3. 16. SCHEMOS DINAMIKOS ĮVERTINIMAS 36

8. 1. 3. 17. SCHEMOS PARAMETRŲ MATAVIMO BŪDAI. 38

8. 1. 3. 18. SILPNŲJŲ SIGNALŲ PARAMETRAI 39

8. 1. 3. 19. PRAKTINĖS SCHEMOS KONSTRAVIMO PRINCIPAI 41

8. 1. 3. 20. PUSLAIDININKINIŲ PRIETAISŲ ŽYMĖJIMO SCHEMOS 45

8. 1. 3. 21. INTEGRALINĖS SCHEMOS 47

8. 1. 3. 22. TRANZISTORIAUS KONSTRUKCIJA, ĮJUNGIMAS, KAIP STIPRINA 48

8. 1. 3. 23. BENDROS BAZĖS (BB) 49

8. 1. 3. 24. BENDRO EMITERIO (BE) 50

8. 1. 3. 25. BENDRO KOLEKTORIAUS (BK) 52

8. 1. 4. SĄVOKŲ ŽODYNĖLIS: 52

8. 1. 5. SĄVOKŲ SANTYKIŲ ŽODYNĖLIS: 52

8. 1. 6. SĄVOKŲ TESTAS: 52

8. 1. 7. SĄVOKŲ SANTYKIŲ TESTAS: 52

8. 1. 8. LITERATŪRA: 52

8.1. Tranzistoriai

8.1.1. ĮVADAS

Tranzistoriumi vadinamas puslaidininkis prietaisas su viena arba keliomis pn sandūromis, tinkantis galiai stiprinti ir turintis tris arba daugiau išvadų. Puslaidininkinio tranzistoriaus „protėvis“ yra triodinė lempa, kuri sudaryta iš anodo, katodo ir tinklelio.

Kadangi tranzistoriai, lyginant su elektroninėmis lempomis, turi daug privalumų tai jie plačiai naudojami šiuolaikinėje elektroninėje aparatūroje. Vienas iš pagrindinių tranzistorių privalumų yra tai, kad jie labai ekonomiški. Tranzistorių maitinimo įtampos yra dešimtis kartų mažesnės nei elektroninių lempų. Be to, tranzistoriuose nereikia eikvoti energijos kaitinimo grandinėse, ir, suprantama, nereikalingi kaitinimo įtampų šaltiniai. Apskaičiuota, kad tranzistorinei stiprinimo schemai maitinti reikia šimtus kartų mažesnės galios nei analogiškai schemai su elektroninėmis lempomis.

Tranzistorių gabaritai ir masė dešimtis ir šimtus kartų mažesni nei elektroninių lempų. Jie yra mechaniškai patvarūs ir ilgai veikia, todėl ir tranzistoriniai elektroniniai įrenginiai esti patikimesni. Prie dabartinių tranzistorių trūkumų reikia priskirti atskirų egzempliorių parametrų sklaidą, aplinkos temperatūros įtaką bei aukštą savųjų triukšmų lygį. Fototranzistoriai – tranzistoriai reaguojantys į šviesą.

Elektroninė pramonė plataus asortimento tranzistorius. Tranzistoriai yra kelių tipų: labiausiai paplitę yra dvi pn sandūras turintys tranzistoriai. Juose veikia abiejų ženklų krūvininkai, todėl tokie tranzistoriai vadinami dipoliais. Ypatingą grupę sudaro lauko, arba vienpoliai, taip pat vienos sandūros tranzistoriai (dviejų bazių diodai). Specifines funkcijas šiuolaikinėje elektroninėje aparatūroje atlieka fototranzistoriai, kurie ne tik keičia šviesos signalą elektriniu, bet ir gali sustiprinti pastarojo galią.

Tranzistoriai – įdomiausi ir labiausiai paplitę šiuolaikinės techninės elektronikos prietaisai. Jie ne kartą ir gana iš esmės kito – tiek jų konstrukcija, tiek gamybos technologija, tiek elektrinės charakteristikos ir parametrai. Tačiau pagrindinių tranzistoriuose vykstančių fizikinių reiškinių ir procesų esmė iš tikrųjų nekinta.

8.1.2. TRANZISTORIŲ VEIKIMO PRINCIPAI

Išnagrinėsime dipolio tranzistoriaus veikimo principą, pasinaudoję 1.2.1. paveiksle pateikta schema. Paveiksle matyti, kad tranzistorius iš esmės yra du puslaidininkiai diodai, turintys vieną bendrą bazę (pagrindą); be to, prie emiterinės pn sandūros prijungta įtampa E1 tiesiogine (laidžia) kryptimi, o prie kolektorinės sandūros prijungta įtampa E2 atgaline kryptimi. Paprastai lE2l»lE1l. sujungus jungiklius J1 ir J2, iš emiterio į bazės sritį pro emiterinę pn sandūrą vyksta skylių injekcija. Kartu bazės elektronai juda į emiterio sritį. Vadinasi, pro emiterinę sandūrą teka srovė šiuo keliu: +E1, miliampermetras mA1, emiteris, bazė, miliampermetras mA2, jungikliai J2 ir J1, -E1.

Jei išjungtume jungiklį J1, o jungiklius J2 ir J3 įjungtume, kolektoriaus grandinėje tekėtų tik nestipri atgalinė srovė, sukurta kryptingai judančių nepagrindinių krūvininkų – bazės skylių ir kolektoriaus elektronų. Srovės kelias: +E2, jungikliai J3 ir J2, miliampermetras mA2, bazė, kolektorius, miliampermetras mA3, -E2.

Dabar išnagrinėsime, kaip teka srovės tranzistoriaus grandinėse, kai įjungti visi jungikliai. Prijungus tranzistorių prie išorinių maitinimo šaltinių, pakinta pn sandūrų potencialinių barjerų aukštis. Emiterinės sandūros potencialinis barjeras pažemėja, o kolektorinės – paaukštėja.

Pro emiterinę sandūrą tekanti srovė vadinama emiterio srove (Ie). Ši srovė lygi skylinės ir elektroninės dedamųjų sumai: Ie = Iep + Ien.

Jei skylių ir elektronų koncentracijos bazėje ir emiteryje būtų vienodos, pro emiterinę sandūrą tekančią tiesioginę srovę kurtų vienodas skaičius skylių ir elektronų,
judančių priešingomis kryptimis. Tačiau krūvininkų koncentracija bazėje yra daug mažesnė nei emiteryje. Todėl iš emiterio į bazę injektuotų skylių yra daug kartų daugiau nei priešinga kryptimi judančių elektronų. Vadinasi, beveik visą pro emiterinę pn sandūrą tekančią srovę nulemia skylės, o ne elektronai. Emiterio efektyvumas įvertinamas injekcijos koeficientu (γ), kuris pnp tipo tranzistoriams lygus emiterio srovės skylinės dedamosios ir visos emiterio srovės santykiui:Šiuolaikinių tranzistorių koeficientas γ paprastai mažai skiriasi nuo vieneto (γ ≈ 0,999).

Pro emiterinę pn sandūrą injektuotos skylės prasiskverbia į bazės gilumą. Atsižvelgiant į krūvininkų judėjimo bazės srityje mechanizmą, skiriami dreifiniai ir difuziniai tranzistoriai. Difuziniuose tranzistoriuose nepagrindiniai krūvininkai pro bazės sritį prasiskverbia daugiausia difuzijos būdu. Tokie tranzistoriai paprastai gaminami įlydimo būdu. Dreifinių tranzistorių bazės srityje tinkamai paskirsčius priemaišas, sukuriamas vidinis elektrinis laukas ir nepagrindiniai krūvininkai pro bazę prasiskverbia daugiausia dreifo būdu.

Nors ir skirtingai pro bazę prasiskverbia krūvininkai, ir dreifiniuose, ir difuziniuose tranzistoriuose skylės, patekusios į bazę, kurioje jos yra nepagrindiniai krūvininkai, rekombinuoja, bet rekombinacija – ne staigus procesas. Todėl beveik visos skylės spėja praeiti labai ploną bazės sluoksnį ir pasiekti kolektorinę pn sandūrą anksčiau, nei įvyksta rekombinacija. Kolektorių pasiekusias skyles pradeda veikti kolektorinės sandūros elektrinis laukas. Šis laukas greitina skyles, ir jos greitai įtraukiamos iš bazės į kolektorių (įvyksta ekstrakcija) ir kuria kolektoriaus srovę. Kolektoriaus srovė teka grandine: +E2, jungikliai J3 ir J1, miliampermetras mA1, emiteris, bazė, kolektorius, miliampermetras mA3, -E2 (žr. 1.2.1. pav.).

Kadangi bazės srityje mažai skylių rekombinuoja, galima laikyti, kad kolektoriaus srovė Ik maždaug lygi emiterio srovei Ie:

Ik = Ie (8.1)

Skylės, vis dėlto rekombinavusios bazės srityje, sukuria bazės srovę Ib, kuri teka grandine:+E1, miliampermetras mA1, emiteris, bazė, miliampermetras mA2, jungikliai J2 ir J1, -E1.vadinasi, bazės srovė lygi emiterio ir kolektoriaus srovių skirtumui:

Ib = Ie – Ik (8.2)

Nesunku pastebėti, kad emiterio srovė, matuojama miliampermetru mA1, lygi sumai bazės ir kolektoriaus srovių, kurios matuojamos atitinkamai prietaisais mA2 ir mA3, t. y.:

Ie = Ib+Ik (8.3)

Būtina atkreipti dėmesį į tai, kad, nors elektronai ir skylės juda priešingomis kryptimis, tranzistoriaus grandinėse srovės teka tam tikra kryptimi, sutampančia su teigiamo ženklo krūvių – skylių judėjimo kryptimi. Mat priešingas elektronų ir skylių judėjimo kryptis kompensuoja jų priešingi krūviai. Vadinasi, nagrinėjant, kaip susidaro srovės tranzistoriaus grandinėse, kalbama ne apie elektroninės ir skylinės srovių dedamųjų skirtumą, o kaip tik apie jų sumą.

Krūvininkų rekombinacijos bazėje įtaka tranzistoriaus stiprinimo savybėms įvertinama krūvininkų pernešimo koeficientu, kuris rodo, kokia iš emiterio injektuotų skylių dalis pasiekia kolektorinę sandūrą. Šį koeficientą galima apskaičiuoti iš formulės:

(8.4)

Pernešimo koeficientas būna tuo artimesnis vienetui, kuo plonesnis bazės sluoksnis ir kuo mažesnė elektronų koncentracija bazėje, lyginant su skylių koncentracija emiteryje.

Vienas iš pagrindinių tranzistoriaus parametrų yra emiterio srovės perdavimo koeficientas, kuris lygus kolektoriaus srovės ir emiterio srovės pokyčių santykiui, esant pastoviai kolektorinės sandūros įtampai:

(8.5)

Šį koeficientą galima išreikšti per ir šia priklausomybe:

(8.6)

Kadangi ir mažesni už vienetą, tai ir emiterio srovės perdavimo koeficientas taip pat ne didesnis už vienetą. Paprastai = 0,95 0,99. Juo didesnis koeficientas , juo mažiau viena nuo kitos skiriasi emiterio ir kolektoriaus srovės ir juo efektyviau galima panaudoti tranzistoriaus stiprinimo savybes.

Kadangi kolektoriaus grandinėje teka ne tik skylių iš bazės į kolektorių ekstrakcijos nulemta srovė, bet ir savoji atgalinė kolektorinės sandūros srovė Ikb0, tai bendroji kolektoriaus srovė:

(8.7)

Tačiau, kadangi srovė Ikb0 nestipri, tai galima laikyti, kad:

(8.8)

Iš (8.8) išraiškos išplaukia, kad tranzistorius yra valdomas prietaisas, jo kolektoriaus srovė priklauso nuo emiterio srovės stiprumo.

Atsižvelgiant į įtampų, prijungtų prie tranzistoriaus emiterinės ir kolektorinės sandūrų, poliarumą, skiriami keturi jo darbo režimai:

Aktyvinis
Prie emiterinės sandūros prijungta tiesioginė įtampa, o prie kolektorinės – atgalinė. Šis režimas yra pagrindinis tranzistoriaus darbo režimas. Kadangi kolektoriaus grandinės įtampa gerokai didesnė nei prie emiterinės sandūros prijungta įtampa, o srovės emiterio ir kolektoriaus grandinėse praktiškai lygios, tai reikia tikėtis, kad naudingo signalo galia schemos išėjime (kolektoriaus) grandinėje bus daug didesnė nei tranzistoriaus įėjimo (emiterio) grandinėje. Kaip tik šią hipotezę reikia laikyti pagrindu, toliau nagrinėjant tranzistoriaus stiprinimo savybes.

Nukirtimo režimas. Prie abiejų sandūrų prijungtos atgalinės įtampos. Todėl pro jas teka tik nestiprios nepagrindinių krūvininkų judėjimo nulemtos srovės. Praktiškai nukirtimo režime tranzistorius yra uždarytas.

Soties režimas. Prie abiejų sandūrų prijungtos tiesioginės įtampos. Srovė išėjimo grandinėje maksimali ir praktiškai nereguliuojama įėjimo grandinės srove. Tranzistorius yra visiškai atviras.

Inversinis režimas. Prie emiterinės sandūros prijungta atgalinė įtampa, o prie kolektorinės – tiesioginė. Emiteris ir kolektorius pasikeičia vaidmenimis: emiteris atlieka kolektoriaus, o kolektorius – emiterio funkcijas. Paprastai šis režimas neatitinka normalių tranzistoriaus eksploatacijos sąlygų.

8. 1. 3. 1. MAITINIMO ŠALTINIO PARINKIMAS

Kuo plonesnis oksido sluoksnis arba PN sandūra tarp užtūros ir kanalo, tuo lauko tranzistorius jautresnis valdymo įtampai, tačiau tuo tranzistorius jeutresnis viršįtampiams. Per didelė valdymo įtampa sugadina izoliatorių, netgi tada, kai tai yra trumpas impulsas. Dėl mažos talpos labai maža energija gali pramušti izoliatorių. Sritis tarp užtūros ir kanalo yra jautriausia visų valdančios PN sandūros ir MOP tranzistorių vieta. Apsaugai tarp užtūros ir kanalo formuojami stabilizatoriai, kurie padidina srovę ir talpą tarp užtūros ir ištakos. Leistinų užtūros ir ištakos įtampųdiapozoną apibrėžia didžiausia leistina užtūros ir ištakos įtampa UGsmax. Didžiausią leistiną santakos ir ištakos įtampą UDsmax sąlygoja santakos ir užtūros srities pramušimas.

Didžiausia leistina santakos srovė IDmax riboja tik MOP lauko tranzistorių darbo srovių diapazoną, nes valdančios PN sandūros tranzistoriai dirba tik kanalo nuskurdinimo režimu. Tarp santakos ir ištakos veikianti įtampa bei kanalu tekanti santakos srovė nusako tranzistoriaus sklaidomąją galią, kuri neturi viršyti didžiausios leistinos tranzistoriaus galios Pmax. Parametrai UGsmax, IDmax, Pmax ,išėjimo charakteristikose apibrėžia leistinąją lauko tranzistoriaus darbo sritį.

8. 1. 3. 2. TRANZISTORIŲ TIPŲ ANALIZĖ

Pagal veikimo principą, konstrukciją bei paskirtį — tai dvipoliai ir vienpoliai — lauko, taškiniai ir planariniai, dreifiniai ir griūriniai, impulsiniai, aukštadažniai, ketursluoksniai, plėveliniai, siūliniai ir dar kitokie. Tranzistoių atmainų yra begale daug, nekalbant jau apie formų ir parametrų įvairovę kiekvienoje atmainoje. Suprantama, kad jų visų čia neįmanoma net ir prabėgomis panagrinėti. Todėl panagrinėsime, kaip veikia labiausiai paplitusių klasių atstovai — plokštiniai dvipoliai ir vienpoliai — lauko tranzistoriai. Pradėsime nuo pirmųjų. Paveiksle pavazduota tokio tranzistoriaus struktūra ir viena galimų jungimo schemu. Kaip matyti, ši struktūra yra silicio monokristalo gabalas, turintis tris sritis ir tris išvadus. Užtat kartais tranzistorius ir vadinamas puslaidininkiniu triodu ir yra vakuminės lempos — triodo — analogas.matome, jog kraštinės sriti yra elektroniniolaidumo, o vidurinė — skylinio. Toks tranzistorius vadinamas npn tranzistoriumi. Esant tokiam jungimui, kaip parodyta paveiksle, kairioji n sritis vadinama emiteriu, o prie emiterio esanti np sandūra vadinama emiterio sandūra, p sritis vadinama baze, o dešinioji n sritis vadinama kolektoriumi. Analogiškai antroji pn sandūra vadinama kolektoriaus sandūra. Suprantama, kad visos šios sritys turi gerus nelyginančius kontaktus — elektrodus ir reikiamus išvadus. Taip pat matyti, jog emiterio — bazės grandinėje išorinis šaltinis įjungtas laidžiąja kryptimi, o bazės — kolektoriaus grandinėje — užtvarine kryptimi. Abiem grandinėms bazės elektrodas yra bendras. Todėl toks tranzistoriaus jungimo būdas vadinamas aktyviojo rėžimo jungimu pagal bendrosios bazės schemą.

Šis poskyris supažindina mus su lauko tranzistoriais, jų tipais, darbo režimais, panagrinėsime MOP tranzistorius, dažninių lauko tranzistorių savybes, ir jungimo schemomis. Lauko (vienpoliuose) tranzistoriuose srovę, tekančią sluoksnyje, vadinamame kanalu, sudaro tik pagrindiniai šio sluoksnio krūvininkai, o jos stiprumas valdomas srovės krypčiai statmenu skersiniu elektriniu lauku. Su išorine grandine kanalas sujungtas dviem elektrodais: ištaka ir santaka. Ištaka vadinamas elektrodas, pro kurį pagrindiniai krūvininkai iš išorinės grandinės patenka į kanalą, o santaka – pro kurį iš kanalo išteka į išorinę grandinę. Skersinį elektrinį lauką, kuris valdo kanalo srovę, sukuria virš jo esantis valdymo elektrodas – užtūra. Užtūra yra elektriškai izoliuota nuo kanalo. Pagal užtūros izoliavimo būdą vienpoliai tranzistoriai skirstomi į tranzistorius su valdančiąja pn sandūra ir tranzistorius su izoliuota užtūra. Pirmųjų užtūros sritis
atskiriama nuo kanalo uždara pn sandūra. Antrųjų metalinis užtūros elektrodas nuo kanalo atskiriamas dielektriko sluoksniu. Susidaro struktūra metalas-dielektrikas puslaidininkis. Todėl šie tranzistoriai vadinami MDP tranzistoriais. Praktikoje dielektrikas dažniausiai būna silicio dioksidas ir tokie MDP tranzistoriai vadinami MOP (metalas-oksidas puslaidininkis) tranzistoriais.

Pagal konstrukciją MDP (MOP) tranzistoriai dar skirstomi į tranzistorius su pradiniu (savuoju) kanalu ir tranzistorius su indukuotoju kanalu. Pirmuosiuose kanalas suformuojamas gaminant tranzistorių, antruosiuose – kanalas susidaro tik tada, kai užtūrą veikia tam tikro poliškumo įtampa.

Žiūrint kokio laidumo kanalas, visi lauko tranzistoriai dar skirstomi į tranzistorius su n kanalu ir tranzistorius su p kanalu. Šie tranzistoriai skiriasi tik išorinių įtampų poliškumu ir srovės kryptimi kanale. Įvairių tipų lauko tranzistorių grafiniai žymenys, srovės kryptį kanale ir išorinių įtampų, poliškumas parodyti .

Lauko tranzistorių elektrodai žymimi raidėmis: ištaka – S, santaka – D, užtūra – G. Šie žymenys kilę iš angliškų žodžių source (ištaka, šaltinis), drain (drenažas, vandens nuotakos) ir gate (vartai, užtvara).

8. 1. 3. 3. TRANZISTORIAUS PARAMETRŲ ANALIZĖ

Tranzistoriai apibūdinami nuolatinės srovės, silpnųjų signalų, dažniniais, stipriųjų signalų ir ribinių režimų parametrais.

8. 1. 3. 4. LAUKO TRANZISTORIAUS EKVIVALENTINĖS SCHEMOS IR DAŽNINĖS SAVYBĖS

Vienkrūviai, arba lauko tranzistoriai, kaip žinome, yra paprastesnės struktūros nei dvipoliai tranzistoriai. Juose kanalo, esančio tarp ištako S (angl. source) ir santakos D (drain), srovę valdo užtūros G (gate) įtampa. Kaip aukštadažniai lauko tranzistoriai naudojami MOP tranzistoriai (metalas-oksidas-puslaidininkis struktūros tranzistoriai su izoliuotomis nuo kanalo užtūromis) ir MEP tranzistoriai (metalas-puslaidininkis struktūros tranzistoriai su Šotkio barjerais). Sudarysime lauko tranzistoriaus ekvivalentinę schemą, trumpai aptarsime parametrus ir dažnines savybes. Vienkrūviai arba lauko tranzistoriai dažniausiai naudojami įjungti pagal bendrojo ištako schemą. Žemų dažnių srityje lauko tranzistoriaus įėjimo varža esti labai didelė, įėjimo srovė – labai silpna. Išėjimo (santakos) srovė bendruoju atveju yra įėjimo ir išėjimo įtampų funkcija:čia UGS – įėjimo (užtūros-ištako) įtampa, UDS – išėjimo (santakosištako) įtampa. Pagal (1.51) ranzistoriaus srovės ID diferencialas išreiškiamas formule:čia gm – tranzistoriaus perdavimo charakteristikos statumas (angl. kaip ir dvipolio tranzistoriaus tveju – transfer conductance, transconductance, mutual conductance), ro – tranzistoriaus išėjimo (vidinė) varža. Nagrinėdami lauko tranzistorių kaip tiesinį aktyvųjį keturpolį, vietoje įtampų ir srovės pokyčių galime nagrinėti įtampų ir srovių kintamąsias dedamąsias. Tuometčia g0 1/ r0 – išėjimo laidumas. Šią lauko tranzistorių aprašančią lygtį atitinka 1.6 paveiksle, a, atvaizduota jo ekvivalentinė schema. Kai lauko tranzistorius dirba soties režimu, jo išėjimo srovė ID mažai priklauso nuo išėjimo įtampos UDS . Išėjimo srovės priklausomybę nuo įėjimo įtampos, kaip žinome, galima aproksimuoti išraiška:čia A – proporcingumo koeficientas, UGS0 – atkirtos, arba slenksčio įtampa (kai UGS UGS0 , tai ID =0). Pagal (1.54) lauko tranzistoriaus statumas proporcingas ID :

MOP ir MEP tranzistorių statumo priklausomybės nuo konstrukcijos parametrų analizė rodo, kad

čia μ– krūvininkų judrumas tranzistoriaus kanale, lk – kanalo ilgis. Taigi, siekiant gauti didesnį tranzistoriaus statumą, reikia trumpinti kanalą ir didinti krūvininkų judrumą kanale. Kadangi elektronų judrumas yra didesnis už skylių judrumą, tranzistorių su n kanalais statumas taip pat didesnis. Augant dažniui, lauko tranzistoriaus statumas mažėja dėl krūvininkų lėkio tranzistoriaus kanale efekto. Įvertinant lėkio efektą (tai, kad valdymo įtampa spėja pasikeisti, kol krūvininkas įveikia kanalą tarp ištako ir santakos), tranzistoriaus perdavimo koeficientas išreiškiamas formule:čia τk – krūvininko lėkio kanale trukmė. Pagal (1.57) formulę galima apskaičiuoti dažnį fS , prie urio statumas sumažėja 2 karto. Kita vertus, dažniausiai laikoma, kad lauko tranzistoriaus dažnines savybes lemia kitas reiškinys – tranzistoriaus įėjimo varžos mažėjimas didėjant dažniui. 1.6 paveiksle, b, atvaizduota lauko tranzistoriaus ekvivalentinė schema, papildyta jo arazitinėmis talpomis – talpa tarp užtūros ir ištako CGS , užtūros ir santakos CGD ir santakos ir ištako CDS . Dėl parazitinių talpų, augant dažniui, mažėja tranzistoriaus įėjimo varža kintamajai srovei. Kai ranzistoriaus išėjime sudarytas trumpojo jungimo pagal kintamąją srovę režimas, jo įėjimo varžą lemia grandinėlė, sudaryta iš lygiagrečiai sujungtų talpų CGS ir CGD . Tuomet tranzistoriaus įėjimo srovės kintamąją dedamąją galime išreikšti formule

Kai 1.6 paveikslo, b, schemos išėjime sudarytas trumpasis jungimas (U DS 0 ), pagal (1.53)

Kadangi, augant dažniui, tranzistoriaus įėjimo srovė I G stiprėja, tai ji gali tapti tokio pat stiprumo, kaip ir išėjimo srovė I D . Tada lauko tranzistorius
stiprinti srovę. Dažnis, kuriam esant tai

atsitinka, kaip ir dvipolių tranzistorių atveju, žymimas fT . Pagal (1.58) ir (1.59) formules, aikydami, kad I G I D , kai f fT , gauname, kadčia τk yra grandinėlės, sudarytos iš varžos 1/ gm ir talpos CΣCGS CGD , laiko konstanta. Šį rezultatą galima interpretuoti taip: lauko tranzistoriaus dažnines savybes lemia jo talpų CGS ir CGD persikrovimo procesas; persikrovimo srovę riboja varža (kanalo varža) 1/ gm . Taigi laiko konstanta yra talpos, kuri susidaro tarp užtūros ir kanalo, persikrovimo laiko pastovioji. Ji lygi krūvininkų lėkio kanale trukmei. Taigi lauko tranzistoriaus dažnį fT ir jo dažnines savybes lemia krūvininkų lėkio kanale trukmė τk . Siekiant dažnį fT padidinti, reikia trumpinti kanalą. Kai kanalas labai trumpas, jame susikuria labai stiprus elektrinis laukas. Todėl aukštadažnių lauko tranzistorių kanaluose elektronai pasiekia maksimalų dreifo greitį vmax . Tuomet

ir

Įrodoma, kad lauko tranzistoriaus maksimalus galios stiprinimo arba generacijos dažnis išreiškiamas formule [2, 4]Atlikta analizė leidžia apibendrinti, kad lauko kaip ir dvipolių tranzistorių dažnines savybes lemia horizontalusis planariojo lauko tranzistoriaus matmuo – kanalo ilgis. Jau sukurtos mikrobangų integrinės schemos su lauko tranzistoriais, kurių kanalo ilgis – 80 nm. Jų f max >400 GHz [13].

Tuomet

8. 1. 3. 5. DVIPOLIAI TRANZISTORIAI

Šis poskyris supažindina mus su Dvipoliais tranzistoriais jų bendromis žiniomis, sužinosime apie dvipolių tranzistorių sandūras panaudojimą, jų charakteristiką, pamatysime dvipolių schemas, sužinosime apie soties ir inversijos režimus, panagrinėsime kaip dirba tranzistorius aktyviniu režimu, sužinosime daugiau apie žemo, aukšto ir vidutinio dažnio tranzistorius ir t.t. Sužinosime kad stiprintuvai yra sudaryti iš atskirų stiprinimo elementų, taip pat ir apie tai, kad tranzistoriai į grandines jungiami (priklausomai nuo to, kuris elektrodas yra bendras) keliais būdais.

Stiprintuvai (ir diferenciniai) yra sudaryti iš atskirų stiprinimo elementų  tranzistorių. Dvipolis tranzistorius  tai puslaidininkio monokristale suformuota trijų skirtingo laidumo sričių struktūra, susidedanti iš dviejų pn sandūrų. Viena kraštinės sritis vadinama emiteriu, vidurinė sritis  baze, kita kraštinė sritis  kolektoriumi. Sandūra tarp emiterio ir bazės vadinama emiterine, tarp bazės ir kolektoriaus  kolektorine. Prie atitinkamų sričių yra prijungti bazės B, kolektoriaus K ir emiterio E išvadai. Tranzistoriaus korpusas gali būti metalinis, plastmasinis arba keramikinis. Priklausomai nuo to, kokio laidumo emiterio, bazės ir kolektoriaus sritys, tranzistoriai būna pnp arba npn Abiejų tipų tranzistorių veikimas analogiškas. Dvipoliai tranzistoriai skiriasi tik įtampų poliškumu ir srovių kryptimis: pnp ir npn. Tranzistoriais vadinami puslaidininkiniai prietaisai su viena ar keliomis pn sandūromis, tinkantys galiai stiprinti ir turintys tris (ar daugiau) išorinius išvadus. Labiausiai paplitę tranzistoriai turi dvi pn sandūras. Dviejų sandūrų tranzistoriuose panaudojami dviejų rūšių krūvininkai (elektronai ir skylės), todėl jie ir vadinami dvipoliais. Pagrindinis dvipolio tranzistoriaus elementas yra puslaidininkio kristalas, kuriame, panaudojant priemaišas, sudarytos trys skirtingo laidumo zonos. Jei vidurinė zona yra n (elektroninio) laidumo, o dvi kraštinės – p (skylinio) laidumo, tai prietaisas vadinamas pnp struktūros tranzistoriumi. Npn struktūros tranzistorių vidurinė zona yra skylinio, o kraštinės – elektroninio laidumo.

1pav. Dvipolio tranzistoriaus schema:Vidurinė puslaidininkio kristalo sritis 1, kurioje sudaromos pn sandūros, vadinama baze, kraštinė sritis 2, kuri injektuoja krūvininkus , – emiteriu, o sritis 3, surenkanti injektuotus krūvininkus, – kolektoriumi. Prie kiekvienos šių kristalo sričių prilituoti išoriniai išvadai – emiterio E, bazės B ir kolektoriaus K, – kuriais tranzistorius įjungiamas į schemą. Kristalas įtvirtintas specialiame laikiklyje ir hermetizuojamas metaliniu, plastmasiniu ar stikliniu korpusu. Išoriniai išvadai išvesti į korpuso išorę per izoliatorius. Elektroninio ir skylinio laidumo sričių sandūra tarp emiterio ir bazės vadinama emiterine, o tarp bazės ir kolektoriaus – kolektorine sandūra. Tranzistoriaus bazės sritis daroma labai plona (nuo 1 iki 20m). Įvairios tranzistoriaus sritys yra legiruotos nevienodai. Paprastai emiterio srities legiravimo laipsnis yra 2 – 3 eilėmis aukštesnis negu bazės srities. Bazės ir kolektoriaus sričių legiravimo laipsnis priklauso nuo prietaiso tipo.

2 pav. Dvipolio tranzistoriaus sandara:

1 – bazė, 2 – emiteris, 3 – kolektoriusElektroninio ir skylinio laidumo sričių sandūra tarp emiterio ir bazės vadinama emiterine, o tarp bazės ir kolektoriaus – kolektorine sandūra. Tranzistoriaus bazės sritis daroma labai plona (nuo 1 iki 20m). Įvairios tranzistoriaus sritys yra legiruotos nevienodai. Paprastai emiterio srities legiravimo laipsnis yra 2 – 3 eilėmis aukštesnis negu bazės srities. Bazės ir kolektoriaus sričių legiravimo laipsnis priklauso nuo prietaiso tipo.

Kad tranzistorius veiktų, prie jo elektrodų reikia prijungti išorinių energijos šaltinių nuolatines įtampas. Be
nuolatinių įtampų į elektrodus paduodami ir keitimui skirti signalai. Pagal tai skiriama įėjimo grandinė, į kurią signalas įvedamas, ir išejimo, – kurioje įjungiama apkrova ir išskiriamas signalas. Atsižvelgiant į tai, kuris tranzistoriaus elektrodas yra bendras įėjimo ir išėjimo grandinėms, tranzistorių įjungimo schemos skirstomos į bendrosios bazės BB, bendrojo emiterio BE ir bendrojo kolektoriaus BK. Bendrosios bazės įėjimo grandinė yra emiterio, o išėjimo – kolektoriaus, bendrojo emiterio įėjimo grandinė yra bazės, o išėmimo kolektoriaus ir bendrojo kolektoriaus įėjimo grandinė yra bazės, o išėjimo – emiterio grandinė. Puslaidininkinių medžiagų laidumas labai priklauso nuo temperatūros. Todėl, kintant aplinkos temperatūrai, kinta tranzistorių savybės. Pavyzdžiui, atgalinė kolektoriaus srovė pasidaro dvigubai stipresnė, aplinkos temperatūrai pakilus 10 laipsniu. Atsižvelgiant į įtampų, prijungtų prie tranzistoriaus emiterinės ir kolektorinės sandūrų poliškumą, skiriami aktyvinis, nukirtimo, soties ir inversinis režimai. Aktyvinis režimas skirtas silpniems signalams stiprinti. Prie emiterinės sandūros prijungta tiesioginė įtampa, o prie kolektorinės – atgalinė. Emiteris injektuoja šalutinius krūvininkus į bazę, o kolektorius šiuos krūvininkus iš bazės srities ištraukia (ekstrahuoja). Nukirtimo režimas. Prie abiejų sandūrų prijungtos atgalinės įtampos ir per jas teka labai silpnos srovės. Soties režimas. Prie abiejų sandūrų prijungtos tiesioginės įtampos, krūvininkai injektuojami, tranzistorius veikia kaip dvigubasis diodas, išėjimo grandinės srovė maksimali esamai apkrovai ir nevaldoma įėjimo grandinės srove; tranzistorius visiškai atviras. Nukirtimo ir soties režimai paprastai naudojami elektroninių komutatorių schemose. Inversinis režimas. Prie kolektorinės sandūros prijungta tiesioginė, o prie emiterinės – atgalinė įtampa. Emiteris ir kolektorius pasikeičia vaidmenimis. Toks tranzistorių įjungimas neatitinka normalių eksplotacijos sąlygų dėl sandūros asimetrijos ir nevienodos krūvininkų koncentracijos įvairiose srityse.

3 pav. Dvipolių tranzistorių jungimo schemos:

a – BB, b – BE, c – BK

Panagrinėsime, kaip dirba tranzistorius aktyviniu režimu, įjungtas pagal bendrosios bazės schemą (3pav., a). Įjungus emiterio ir kolektoriaus maitinimo šaltinių įtampas, pasikeičia sandūrų potencialinės diagramos. Įtampa Eeb pažemina emiterinės sandūros potencialinį barjerą, tuomet iš emiterio srities skylės pradeda injektuoti į bazę, o elektronai iš bazės į emiterio sritį. Kadangi pagrindinių krūvininkų koncentracija emiterio srityje 2-3 eilėmis didesnė negu bazėje, tai skylių į bazę injektuoja daugiau negu elektronų į emiterį. Emiterine sandūra teka bendra emiterio srovė Ie = Iep + Ien. Skylių nuotėkis iš emiterio kompensuojamas elektronų srautu, ištekančiu iš emiterio į išorinę grandinę. Dėl padidėjusios koncentracijos bazėje skylės difunduoja nuo emiterinės link kolektorinės sandūros. Dalis difunduojančių skylių rekombinuoja su bazės elektronais ir sukelia bazėje nestiprią rekombinacijos srovę Ib. Kad būtų mažesnė skylių rekombinacijos bazėje tikimybė, bazės srities storis (w < 0,25 mm) parenkamas mažesnis už skylių difuzijos kelio ilgį (germanyje L = 0,3 – 0,5 mm). Tranzistoriai, kurių bazėse nėra elektrinio lauko, o krūvininkai juda tik dėl difuzijos, vadinami difuziniais tranzistoriais. Tranzistoriai, kuriuose dėl nevienodos priemaišų koncentracijos bazėje sukuriamas elektrinis laukas, verčiantis krūvininkus judėti (dreifuoti), vadinami dreifiniais. Išorinio šaltinio įtampa prie kolektorinės sandūros prijungta atgaline kryptimi. Šio šaltinio sukurtas elektrinis laukas stabdo pagrindinius ir gretina šalutinius krūvininkus. Jo veikiami šalutiniai krūvininkai – skylės – iš bazės nuslenka į kolektoriaus sritį. Skylių perteklių kolektoriuje kompensuoja elektronų srautas iš įtampos šaltinio Ekb, išorinėje kolektoriaus grandinėje taka srovė Ik. Jei tranzistorius naudojamas stiprintuvo schemoje, be nuolatinio priešįtampio Eeb, į įėjimo gnybtus paduodama ir kintamoji signalo įtampa Uin, kurią stiprintuvas turi sustiprinti, o prie išėjimo gnybtų, be maitinimo šaltinio įtampos Ekb, prijungiama apkrova Ra. Kadangi atviros emiterinės sandūros varža yra nedidelė, tai nedideli emiterio potencialo pokyčiai Ue = Eeb + Uin (dėl įėjimo signalo Uin kitimo) sukelia didelius srovės pokyčius. Emiterio srovės pokyčiai nulemia srovės bei įtampos pokyčius ir išėjimo (kolektoriaus) grandinėje. Tinkamai parinkus rezistoriaus Ra reikšmę, išėjimo grandinėje galima gauti įtampos ir galios pokyčius gerokai didesnius negu įėjimo grandinėje. Taigi tranzistorius stiprina signalą, panaudodamas tam įtampos Ekb šaltinio energiją. Signalo įtampos stiprinimo efektyvumas išreiškiamas išėjimo ir įėjimo įtampų pokyčių santykiu: Ku = ΔUiš / ΔUin.

8. 1. 3. 6. DVIPOLIŲ TRANZISTORIŲ CHARAKTERISTIKA

Statinės charakteristikos apibūdina ryšį tarp tranzistoriaus įėjimo bei išėjimo grandinių srovių ir įtampų. Tranzistorių savybės paprastai nustatomos iš bendrosios bazės ir bendrojo emiterio schemų įėjimo ir išėjimo charakteristikų šeimų.

1 pav. BB schemos tranzistorių statinės
– įėjimo. b – išėjimoPnp tranzistoriaus BB schemos įėjimo charakteristikos (1pav.,a) rodo emiterio srovės priklausomybę nuo emiterio – bazės įtampos, kai U(kb)=const. Kai tranzistorius dirba aktyviniu režimu, didinant įtampą U(eb), pažemėja emiterio sandūros potencialinis barjeras. Kartu stiprėja šalutinių krūvininkų injekcija į bazę ir emiterio srovė. Bendrosios bazės schemos išėjimo charakteristikos (1pav.,b) rodo kolektoriaus srovės priklausomybę nuo jo įtampos. , kais I(e)=const. Kai tranzistorius dirba aktyviniu režimu (U(kb)<0), kolektoriaus grandinės srovė priklauso nuo šalutinių krūvininkų, injektuotų iš emiterio į bazę, kiekio. Stiprėjant emiterio srovei, stiprėja skylių, patenkančių į bazę ir pernešamų į kolektoriaus sritį, srautas, stiprėja ir kolektoriaus srovė. BB schemos išėjimo charakteristikoms būdinga tai, kad kolektoriaus srovė beveik nepriklauso nuo įtampos. Pnp tranzistoriaus BE schemos įėjimo charakteristikos rodo bazės srovės priklausomybę, kais U(ke)=const. Didinant išorinę įtampą, didėja skylių koncentracija bazėje, kartu stiprėja emiterio ir kolektoriaus srovės. Didėjant pertekliniam skylių krūviui bazėje, didėja jų rekombinacijos tikimybė ir dėl to stiprėja bazės srovė. Tranzistoriaus BE schemos išėjimo charakteristikos rodo kolektoriaus srovės priklausomybę, kai I(b)=const. Kai tranzistorius dirba aktyviniu režimu ir bazę (emiterio atžvilgiu) veikia neigiama įtampa, emiterine sandūra teka emiterio srovė, sukurta į bazę injektuotų šalutinių krūvininkų. Nedidelė dalis šių krūvininkų rekombinuoja ir sukuria teigiamą bazės srovę, o didžioji dalis išsiurbiama į kolektoriaus sritį ir sustiprina jo srovę. Dėl to išėjimo charakteristikos, išmatuotos esant stipresnėms bazės srovėms, pasižymi stipresnėmis kolektoriaus srovėmis. Pagal statines charakteristikas parenkamas stiprintuvų, komutacinių ir kitokių schemų tranzistorių darbo režimas. Jeigu tranzistoriaus įėjimo ir išėjimo įtampų ir srovių kintamosios dedamosios yra silpnos, tai jį galime laikyti tiesiniu aktyviuoju keturpoliu. Tuomet jo savybes galima nusakyti Z , Y arba H parametrais. Žemų dažnių srityje tranzistoriaus parametrai yra realūs dydžiai. Kai tranzistoriaus įtampų ir srovių kintamosios dedamosios harmoninės ir žinomi jo h parametrai, tranzistorių aprašanti lygčių sistema yra tokio pavidalo:

Šiuo metu Jūs matote 52% šio straipsnio.
Matomi 4702 žodžiai iš 8959 žodžių.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA (kaina 1,45 €) ir įveskite gautą kodą į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.