Крутизна передаточной характеристики

Идеальный источник тока, управляемый напряжением

Крутизна (передаточная проводимость) S{\displaystyle S} — единственная характеристика идеального источника тока, управляемого напряжением (ИТУН) и не зависит от величины тока. Выходной ток ИТУН Io{\displaystyle I_{o}} связан с входным напряжением Ui{\displaystyle U_{i}} соотношением:

Io=SUi{\displaystyle I_{o}=SU_{i}}.

Входной и выходной импедансы ИТУН равны бесконечности, это означает, что при любом входном напряжении входной ток равен нулю и выходной ток не зависит от напряжения на выходе.

Идеальный ИТУН физически нереализуем, ближайший реальный эквивалент идеального ИТУН — , или операционный усилитель крутизны — линейный источник биполярного (и втекающего, и вытекающего) тока, управляемый дифференциальным напряжением. Типичный прибор этого типа передаёт в нагрузку ток −10…+10 мА при изменении входного напряжения в пределах −100…+100 мкВ, что соответствует постоянной крутизне в 100 См.

4.1. Основные сведения и классификация

Полевые
транзисторы представляют собой
полупроводниковые
приборы, в которых управление выходным
током I_вых,
осуществляется с помощью поперечного
электрического поля создаваемого
входным напряжением
U_вх,
путем изменения сопротивления
полупроводникового канала, проводящего
выходной ток, т.е. I_вых=Su_вх,
где S — крутизна.
Их
работа основана
на перемещении только основных носителей
заряда, т.
е. дырок или электронов, а потому их
иногда называют униполярными. Процессы
инжекции и экстракции в таких транзисторах
не играют основной роли. Основным
способом движения зарядов является их
дрейф в электрическом поле.

Электрод
полевого транзистора, через
который втекают носители заряда в канал,
называется истоком
(И), а электрод, через который из канала
вытекают носители
заряда, называется стоком (С). Эти
электроды обратимы.
С помощью напряжения, прикладываемого
к третьему электроду,
называемому затвором (3), осуществляют
перекрытие
канала, т. е. изменяют удельную проводимость
или площадь
сечения канала.

Различают два типа
полевых транзисторов: с управляющим
р-n
-переходом
и с изолированным затвором (МДП-транзисторы,
представляющие собой структуру металл
— диэлектрик — полупроводник).
МДП-транзисторы, в свою очередь, делятся
на транзисторы со встроенным и
индуцированным каналом.

Рис.1

Полевые
транзисторы обладают существенными
преимуществами
по сравнению с биполярными транзисторами.
1. Одним из основных
достоинств полевого транзистора является
его высокое
входное сопротивление (106—
107
Ом — у транзисторов с
управляющим p-n-переходом
и 1010
—1015
Ом у МДП-транзисторов).
2. Они более устойчивы к воздействию
ионизирующих
излучений, 3. — хорошо работают и при
очень низкой температуре вплоть до
температуры жидкого азота (—197 °C).
4. — характеризуются низким уровнем
шумов. 5. МДП-транзисторы занимают малую
площадь на поверхности кристалла
полупроводника, а потому широко
применяются в интегральных микросхемах
с высокой степенью интеграции.

С5.2.1 Неравномерное легирование

Математически
поверхностный потенциал, электрическое
поле и пороговое напряжение для случая
неравномерного легирования могут быть
найдены из решения уравнения Пуассона
в предположении полного обеднения. Для
неравномерно легированного профиля
примеси р-типа

с осью х,
направленной нормально к поверхности
и началом координат на поверхности,
электрическое поле получается
интегрированием уравнения Пуассона
(пренебрегая зарядом подвижных носителей
в обедненной области):

, (С5.5)

где

− толщина обедненного слоя. Интегрируя
ещё раз, получаем поверхностный потенциал

. (С5.6)

Интегрируя
по частям, получаем

(С5.7)

Интеграл
от

равен центру масс функции

внутри интервала (0,W_d)
интеграла от
.

Максимальная
толщина обедненного слоя (длинный канал)

определяется условием
,
когда
:

− (С5.8)

интеграл, управляющий
величиной порогового напряжения, и

− (С5.9)

интеграл,
управляющий величиной
.

Таким
образом, пороговое
напряжение неравномерно легированного
МОПТ определяется двумя интегралами:
плотность заряда обеднения (С5.8) и центр
масс функции

внутри интервала (0,W_d)
(С5.9).

Классы усилителей. Задание точки покоя (режим по постоянному току).

В зависимости от
назначения исходных данных можно задать
режим работы уси-

лителя, режим
задается напряжением смещения (по знаку
и величине). Бывают режимы:

А, В, АВ, С.

Класс
А:
Точка покоя (рабочая точка: параметры
IК,
UК,
IБ,
UБ)
задается
при отсутствии входного сигнала и
выбирается на середине линейного участка
входной характери-

стики транзистора.

I_KA
=
IБА

Нагрузочная прямая
строится по двум точкам:

1. Точка
холостого хода (Х.Х.) IK=0

2. Точка
короткого замыкания (К.З.)

Точки пересечения
нагрузочной кривой со статическими
характеристиками определя-

ют динамическую
характеристику усилителя в динамическом
режиме работы.

Класс
А
Характеризуется минимальным искажением
– это его достоинство, но низкое КПД
50% теоретическое, 10-20% реальное, используется
в усилителях напряжения.

Класс
В
На вход не подают смещение, а пoдают
только входной сигнал.

Графики IБ (IК) –
отличаются от синусоидального. Ток IК
протекает в течение полови

ны периода входного
сигнала. КПД = 80%. Высокий КГ, применяется
в усилителях мощности.

Класс
А-В
Низкий коэффициент гармоник, а КПД = 60
– 70%, 
> /2.
При входном

сигнале протекает
5 – 15% максимального тока. Используется
в двухтактных усилителях

мощности.

Класс
С

На вход усилителя
подается

постоянное запирающее
смещение

обратной полярности
(точка С).

Ток
протекает в течение <
/2

КПД = 95 –
98%, используется

в генераторах, где искажения не

важны, большой коэффициент

гармоник.

Задание
точки покоя.

1.Задание
точки
покоя
отдельным
источником
питания
U
СМЕЩ.

Взаимодействие полупроводников

Мы с вами  знаем из статьи Биполярный транзистор, что есть два типа искусственных легированных полупроводников. Это полупроводник N-типа и полупроводник P-типа. Как вы помните, в полупроводнике N-типа у нас избыток электронов (там их ОЧЕНЬ много):

А в полупроводнике P-типа избыток дырок:

Если вы не забыли, электроны у нас обладают отрицательным зарядом ( – ), а дырки – положительным зарядом ( + ). Поэтому, на картинках мы заполнили наши бруски полупроводников соответствующими зарядами.

А что будет, если соединить их друг с другом?

Так как электроны и дырки постоянно находятся в хаотическом движении, на границе соединения P и N полупроводников начнется диффузия. Что такое диффузия? Как говорит нам Википедия, диффузия – это процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого вещества.

Пример:

Если пустить шептуна на парах, то в этом случае ваши вонючие молекулы из пукана будут смешиваться с молекулами воздуха и сосед через парту учует ваш запах пельменей, которые вы съели на ужин.

На границе полупроводников происходит то же самое! Электроны и дырки начинают смешиваться.

Но если ваши вонючие молекулы, выпущенные из пукана, могут спокойно смешиваться с воздухом пока не займут все пространство кабинета, то на границе P-N перехода есть камень преткновения. И он заключается в том, что электроны и дырки обладают зарядом и начинают взаимодействовать с друг другом. Начинает работать правило, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Так как электроны и дырки разноименных зарядов, они начинают притягиваться к друг другу. То есть с одной стороны идет диффузия, а с другой стороны взаимодействие зарядов. Когда все это устаканивается, получается вот такая картинка:

2.12. Вольт-амперная характеристика мдп транзистора

Выражение
для дрейфового тока стока
может быть получено интегрированием
исходного равенства

в
пределах от
на истоке придона стоке при–
длина канала,– ширина канала. В таком выражении– часть поверхностного потенциала,
создаваемая стоковым напряжением.
Стоковый потенциал создает тянущее
поле для электронов и одновременно
уменьшает заряд электронов вдоль канала
тем, что увеличивает потенциал канала
и поэтому уменьшает напряжение между
затвором и каналом. Кроме этого, потенциал
канала увеличивает заряд акцепторов
под каналом.

, .

Используя
понятие линейного коэффициента влияния
подложки
,
имеем

,

здесь
определяется уже выражением (2.12).
Интегрирование дает в крутой области

(2.13)

Граница
крутой и пологой областей, когда
вблизи стока

и в пологой области

, (2.14)

удельная
крутизна

Подложка
действует вполне аналогично затвору в
полевом транзисторе с управляющим p-nпереходом. Обратное напряжение на
переходе исток-подложкарасширяет ОПЗ под каналом и подзапирает
канал, индуцированный полем основного,
изолированного затвора.

На
рис. 26 показаны типичные вольтамперные
характеристики МОП транзистора в крутой
и пологой областях.

С5.2.2 Выбор порогового напряжения

Рис. С5.3. Проходная
характеристика МОПТ

Выбор порогового
напряжения определяется:

1. Наибольшим
   допустимым подпороговым током

2. Наименьшим рабочим
   током
   ,
   обеспечивающим системные требования.

3. Наименьшим
   напряжением питания
   ,
   обеспечивающим необходимую величину

Соотношение между

и

определяется типом схемы. Например, для
быстродействующих схем (high-performance
logic
– HP)
ITRS
2008 устанавливала следующие параметры
прибора:

1. Физическая длина
   затвора 22нм,

2. Эквивалентная
   электрическая толщина окисла 1,21 нм,

3. Напряжение питания
   ,

4. Подпороговый ток
   ,

5. Рабочий ток

6. Пороговое напряжение

.

Для маломощных
схем (low
standby
logic
– LSP):

1. Физическая длина
   затвора 37нм,

2. Эквивалентная
   электрическая толщина окисла 1,93 нм,

3. Напряжение питания
   ,

4. Подпороговый ток
   ,

5. Рабочий ток

6. Пороговое напряжение

.

Рассмотрим, каким
образом профиль легирования канала
влияет на пороговое напряжение. Начнем
с рассмотрения равномерного
профиля со ступенчатым изменением
концентрации примеси (рис.
С5.4).

Из решения уравнения
Пуассона

при пороговом
напряжении на затворе следует

,
,
и
.

,

Рис. С5.4 Распределение
плотности заряда (а) и электрического
поля (б) для двух равномерных профилей
примеси в подложке.

Таким образом, при
равномерном профиле легирования:

1) Концентрация
примеси определяет

и
.

2) При уменьшении
концентрации примеси растет

и уменьшается
.

3)

практически нечувствительно к
.

Как было установлено
на семинаре 4, величина

контролирует ККЭ.Необходимо,
чтобы

.

Величина

контролирует пороговое напряжение.Для пМОПТ:

,

где

Обе величины,

и
,
определяются концентрацией примеси:

,

Выводы:

1. Высокая концентрация

   дает малую величину

   и хороший контроль ККЭ, но пороговое
   напряжение

   может быть слишком велико.

2. Желательно
   управлять

   и

   независимо.

3. Решение –
   неоднородное легирование.

Расчет светодиодов — ограничительный резистор в цепи LED-диодов

Расчет светодиодов — LED-диод, это неотъемлимый элемент современной электроники, который используется практически во всех радиоэлектронных устройствах. Принцип его работы следующий: при подачи на него определенного значения постоянного тока, прибор начинает светится.

Существуют светодиоды различных цветов свечения, которое обусловливается применяемым материалом для его изготовления.

Специфика включения светодиодного прибора

Вольт-Амперная характеристика у светодиода аналогична той, которую имеет стандартный диод полупроводникового типа. Вместе с тем, когда в цепи светодиода возрастает напряжение прямой направленности, идущий через него ток стремительно увеличивается. Взять для примера фирменный светодиод зеленого свечения, то если подавать на него прямое напряжение в диапазоне от 1.8v до 2v, ток может увеличиться в пять раз, то есть составит 10мА.

Следовательно, включение светодиода по схеме прямой направленности напряжения, даже при незначительном увеличении напряжения, постоянный ток может повысится до критической величины. А при возрастании тока до пикового значении, чревато выходом из строя светодиода.

Поэтому, что бы предохранить данный полупроводниковый прибор от возможного пробоя, подавать на него напряжение необходимо от стабилизированного источника тока, то есть — драйвера.

В случае, если цепь со стабилизированным напряжением в схеме отсутствует, тогда для защиты светодиода применяется постоянный резистор в качестве ограничивающего ток сопротивления. Такой гасящий резистор включается последовательно в цепь светодиода. Чтобы точно определить номинальное значение такого резистора, нужно воспользоваться ниже приведенной формулой:

Это популярный в радиоэлектронике закон Ома, с помощью которого можно легко определить номинальное значение сопротивления на определенном участке электрического тракта.

В общем, принцип расчета сопротивления такой: определяем требуемую величину рабочего тока прибора — Iсв и номинальное напряжение для его работы — Uсв. При этом нужно учитывать постоянное напряжение, от которого питается вся схема — Uпит, далее уже высчитывается номинальное значение ограничительного сопротивления — Rогр:

R_огр=(U_пит-U_св)/(I_св*0,75)

Коэффициент 0,75 в этом случае применяется для сохранения определенного запаса.

Получив номинальное значение сопротивления, теперь необходимо найти наиболее приближенный к нему номинал постоянного резистора.

Теперь нужно определить мощность рассеивания гасящего резистора:

Узнав мощность рассеивания ограничительного резистора, теперь нужно найти компонент с предельно допустимыми параметрами.

Включение светодиодов по параллельной и последовательной схеме

Используя параллельное включение LED-источника, следует помнить, что в случае задействования только одного гасящего сопротивления может привести к его перегреву.

Применяя схему параллельного включения LED-приборов, необходимо в разрыв цепи диода всегда устанавливать свой, персональный резистор ограничения тока. Способ расчета номинальной мощности и сопротивления этого резистора высчитывается аналогичным методом, приведенным выше. Используя схему последовательного включения, цепь желательно составлять из идентичных друг другу приборов.

Помимо этого, нужно взять во внимание то, что действующее в схеме напряжение должно составлять немногим большее значение, чем потребляющее всеми LED-диодами одновременно

Вычисление номинала ограничительного резистора для использования в схеме последовательного соединения, производится таким же образом, как показано выше. Хотя, есть некоторое исключение, состоящее в том, что при подсчете, взамен значения U_св применяется значение U_св*N. В приведенном примере буква N означает число соединенных в цепь LED-приборов.

Частотные свойства биполярного транзистора.

Частотные свойства
транзистора

Биполярный
транзистор
— инерционный элемент. Инерционность
заложена в кон­струкции и принципе
действия, она связана с тем, что требуется
время, чтобы носитель заряда перешел
от Э к К. Это время не равно нулю, т. к.
база имеет длину. Скорость носи­телей
в базе не одинакова, поэтому они не могут
одновременно прийти к коллектору.

Если скачком
изменить ток эмиттера то ток коллектора
изменится по экспонен­циальному
закону:

t₃
— время полета носителей заряда через
базу

_
— постоянная времени нарастания
коллекторно­го тока

Инерционность
ограничивает частотные свойства — чем
выше частота, тем больше бу­дут 
и .

Барьерная емкость
Ск (С*к).
Проводимость емкости Ск растет с
повышением часто­ты и на высоких
частотах в цепи с емкостью Ск (С*к)
ответвляется заметная доля тока Ikв выходной
цепи (ток Ikстановится
меньше тока I_эили I_б),
что эквивалентно уменьше­нию
коэффициента усиления тока на высоких
частотах.

5.2. Сопротивления базы и тела коллектора

Ток
в базе переносится основными носителями.
Удельная электропроводность
. Наибольший
вклад вносит сопротивление участка
тонкой и слаболегированнойактивной
базы (под
эмиттером) длиной
.
Линии тока одинаковы для токов,и:

;

Cопротивление
пассивной
базы находится достаточно просто исходя
из геометрии транзистора, поскольку
плотность тока базы в этой области
принимается постоянной. Cопротивление
активной
базы найти
значительно сложнее, поскольку плотность
тока базы меняется от нуля на одном краю
эмиттерного перехода до максимального
значения на другом его краю, прилегающем
к базовому контакту. Расчеты дают:

w_B

Обычно

КОм.

2
контакта базы по разные стороны эмиттера
снижают
в
2 раза,— в 4.

Приведенные
соотношения справедливы лишь при малых
токах, когда реализуется низкий уровень
инжекции. При высоких уровнях инжекции
сопротивление активной базы убывает
обратно пропорционально току эмиттера
вследствие его модуляции инжектированными
носителями. Сопротивление базы приводит
к эффекту оттеснения тока эмиттера к
краю эмиттерного перехода и ухудшает
частотные свойства транзистора. Особенно
сильно его роль проявляется в мощных и
высокочастотных транзисторах (рассмотрим
позднее).

В
структурах без
-слоя
наибольший вклад в сопротивление тела
коллектора вносит тонкий и слаболегированный
слой под базой. Сопротивление тонких
пленок обычно указывается в Ом/квадрат.

5.4. Полевые транзисторы с изолированным затвором

Полевой
транзистор с p-n-переходом имеет два
недостатка: через вывод затвора протекает,
хотя и не большой, но отличный от нуля
ток за­крытого p-n-перехода.

Во
избежание открывания p-n-перехода
напряжение на затворе мо­жет быть
только одной определенной полярности
– отрицательной для n-ка­на­ла и
положительной для p-канала. Этих
недостатков нет у полевых транзисторов
с изолированным затвором. У них затвор
изолирован от ка­нала пленкой
диэлектрика. Существуют две разновидности
полевых тран­зис­то­ров со
встроенным каналам. На рис. 5.8 схематически
показан тран­зистор со встроенным
каналом. В положение (П)
из p-кремния имеются две сильно легированные
n-области, от которых делаются выводы
ис­тока и стока. Между этим областями
образован канал из n-кремния. Ме­таллическая
пленка затвора нанесена на предварительно
окисленную по­верхность над каналом.
Двуокись кремния является хорошим
диэлектри­ком и изолирует канал от
затвора.

Такие
транзисторы называются МДП-транзисторами
(металл-диэлек­трик-полупроводник),
а частном случаем МОП-транзисторами
(металл-окисел-полупроводник). Подложка
обычно соединяется с истоком. Если,то
при изменение напряжения на стоке ток
стока зависит от напря­жения на стоке,
как в полевых транзисторах с p-n-переходом
(рис. 5.9).

Рис.
5.8 Рис.
5.9

При
напряжении на затворе, отличном от нуля,
электрическое поле затвора проникает
в полупроводник и либо притягивает в
канал из под­ложки носители заряда
(режим обогащения), либо, наоборот,
отталкивает их (режим обеднения).
Соответственно проводимость канала
либо возрас­тает, либо уменьшается
(рис. 5.9). Таким образом, снимается
ограничение на полярность приложенного
к затвору напряжения.

Стокозатворная
характеристика МДП-транзистора показана
на рис. 5.10. Разумеется, МДП-транзистора
могут быть как с каналом n, так и ка­налом

p типа.

Вполевых транзисторах с индуцированным
каналом прика­нала
нет. Если обратиться к рис. 5.8, то в таких
транзисторах нет области .

Две
сильно легированные области n+
истока и стока с подложкой обра­зуют
два встречно включенных диода, а при
любой полярности напряже­ния
один
из диодов будет закрыт, тока в цепи
сток–исток не будет. Только при подаче
положительного напряжения на затвор
область под за­твором обогащается
электронами, и при некотором напряжение
на за­творе происходит инверсия типа
проводимости. Полупроводник p-типа под
затвором превращается в полупроводник
n-типа, образуется канал. Напряжение на
затворе при образовании канала называется
пороговым на­пряжением.
Таким образом, МДП-транзистор с
индуцированным кана­лом может работать
только в режиме обогащения. Его
стокозатвор­ная характеристика
показана на рис. 5.11.

МДП-транзисторы
характеризуются теми же малосигнальными
пара­метрами, что и полевые транзисторы
с p-n-переходом, и имеют такую же
эквивалентную схему для малого сигнала.

Обозначения
МДП-транзисторов на схемах даны на рис.
5.12.

Рис. 5.12

7.3 Вах транзистора включенного по схеме с общим

эмиттером

При таком включении
— входной ток I_б=I₁входное напряжение U_бэ, выходной
ток I_к=I₂выходное напряжение U_кэТеоретическое выражение вновь получается
из теории Эберса — Молли

Выражения для I_бI_к получим, заменив в формулах
положительные значения напряжений на
отрицательные (U_эб=-U_бэа U_кб=U_кэ-U_бэ).

Параметрами
будут являться U_кэ и I_бРеальные ВАХ транзистора I_б=f(U_бэ)
при U_кэ= const внешне схожи с входными
характеристиками транзистора по схеме
с общей базой (ОБ)Однако I_б<<I_эи его
приращение при том же изменении напряжения
между базой и эмиттеромчто в схеме с общей базойзначительно меньше (рисунок 7.5).

При U_кэ=0то есть когда электроды коллектора (К)
и эмиттера (Э) замкнуты накоротко, к
обоим переходам приложено прямое
напряжение U_бэТок базы в этом случае является суммой
токов эмиттерного и коллекторного
переходовВеличина
его малатк.
при реальных напряжениях U_бэ и
сопротивлении базы (десятки и более
Ом)на котором падает
часть входного напряженияпрямое напряжение эмиттерного перехода
составляет меньше(менее 01В)

При U_кэ > 0
характеристика сдвигается вправои ток базы I_бсущественно уменьшается
по сравнению со случаем U_кэ=0

Основные причины
происходящего заключаются в следующем:

КП
смещается в обратном направлении и его
ток уменьшается до величины обратного
тока;

прямой
ток базы тоже мал, так как обусловлен
только процессами рекомбинации.

Уменьшение тока
базы при повышении U_кэ происходит
еще и вследствие изменения ширины базыЧем выше U_кэтем больше напряжение на коллекторе и
тем он ширеШирина
базы при этом уменьшается и в ней
происходит меньше актов рекомбинации.
В целом, изменение U_кэ в режимекогда U_кэ >0, мало влияет на ток
базы, и входные характеристики для
различных U_кэ почти сливаютсяПоэтому в справочниках обычно приводится
входная характеристика для некоторого
значения U_кэ и характеристика при
U_кэ=0

На
рисунке 7.6 показан начальный участок в
увеличенном масштабе

Рисунок
7.6

Теперь поговорим
о выходных характеристиках. Найдем
связь I_к с током базы с учетом
тогочто:

I_к=I_э+I_кбо;

I_к=(I_к+I_б)+I_кбо=
(/(1-))I_б+(1/(1-))I_кбо.

Обозначим /(1-)=и, имея в виду, что1, получим:

I_к=
(I_б+I_кбо)I_б,

где
- статический
коэффициент передачи тока базы (лежит в пределах от 10 до 300)

Выходные
характеристики I_к = f(U_кэ) в
схеме с ОЭ при I_б = const отличаются
от выходных характеристик по схеме с
общей базой (рисунок 7.7).

Основные их отличия:

1. I_к=f(U_кэ)
расположена только в первом квадрантеа характеристика I_к=f(U_кб)
расположена в первом и втором квадранте.

2. В схеме с ОЭ
выходные ВАХ на пологом участке имеют
больший наклонПричины этого:

а) при увеличении
U_кэ уменьшается ширина базыувеличиваетсячто приводит к заметному увеличениюисоответственноросту I_к

б) часть напряжения
U_кэчерез делитель напряженияобразованный сопротивлениями коллектораколлекторного перехода и базыоказывается приложенным к эммитерному
переходу (ЭП) в прямом направлении. При
увеличении U_кэ прямое напряжение
на ЭП увеличивается, и ток эмиттера
растети следовательнорастет I_к. При больших U_кэ
наблюдается резкое увеличение токаобусловленное пробоемЧем больше I_б тем при меньших U_к наступает
пробой.

3. Смещение КП в
прямом направлении происходит при
положительных напряжениях на коллектореесли выполняется соотношение U_кэ<U_бэ

В схеме с ОЭ это
происходит при отрицательных напряжениях
на коллекторе. Поэтому крутой восходящий
участок соответствует малым положительным
напряжениям U_кэ

Для расчетов
транзистора достаточно иметь входные
и выходные характеристики транзистора