10.5 Потужні транзистори

Для потужних транзисторів ( Вт) характерне проходження через їхні області великих струмів. Це приводить:

- до зростання спаду напруги на , внаслідок чого напруга буде лише частково прикладена до ЕП;

- до того, що спад напруги на ЕП виявляється нерівномірним, і це приводить до зростання густини емітерного струму біля краю емітера, в той час як середня частина емітера не працюватиме:

- до зміни умов на випрямлювальних контактах, що приводить до перерозподілу носіїв заряду в базі;

- до перерозподілу товщини КП з боку бази ( ) і з боку колектора ( ) - < , що порушує нормальну роботу транзистора;

- до того, що з метою нормального підсилення потужності такі БТ необхідно розрахувати на більші напруги;

- до необхідності збільшення площ переходів;

- до необхідності ефективного тепловідведення з причини підвищення небезпеки теплового пробою.

При виготовленні потужних БТ використовують сплавну, дифузійно – сплавну (в так званих конверсійних транзисторах), а також планарну технологію. Конфігурація емітера таких транзисторів ускладнюється. З метою збільшення струмів збільшують площу ЕП, а для того, щоб струм емітера не витіснявся до краю переходу, емітер виготовляють у формі кілець, смуг, зубців. Для забезпечення нормального тепловідведення використовують радіатори, корпус з’єднують з колектором (на противагу до малопотужних БТ, в яких корпус з’єднують з базою).

Основним недоліком потужних високовольтних БТ є низький коефіцієнт передачі струму ( ). Тому для одержання потужних ключових елементів застосовують складений транзистор (схема Дарлінгтона) – рисунок 10.14. Для такої транзисторної структури загальний коефіцієнт передачі струму бази

. (10.14)

Рисунок 10.14 – Схема складеного транзистора

Завдяки цьому можна одержати коефіцієнт передачі струму до сотні.

Потужні складені транзистори виготовляються на одному кристалі (рисунок 10.15)

Рисунок 10.15 – Структура однокристального складеного транзистора (а) та його електрична схема (б)

Лекція 11 польові транзистори

Польові транзистори (ПТ) – це напівпровідникові прилади, в яких проходження струму зумовлене дрейфом основних носіїв заряду під дією поздовжнього електричного поля, а керування величиною цього струму здійснюється за допомогою поперечного електричного поля, яке змінює електропровідність струмопровідної ділянки напівпровідника. Це поле створюється напругою, яку прикладено до керувального електрода.

Існують два типи ПТ: польові транзистори з керувальним p-n- переходом (ПТУП) і польові транзистори з ізольованим затвором, що мають структуру метал – діелектрик – напівпровідник (метал-окис-напівпровідник) і називаються скорочено МДП (МОН) – транзисторами.

Другий елемент позначення ПТ – літера “П”.

11.1 Польові транзистори з керувальними p-n-переходами

ПТ з керувальним p-n – переходом (ПТУП) виготовляють з кремнієвого кристала n - або p - типу. Схемні позначення ПТУП показано на рисунку 11.1. До таких транзисторів належать прилади: КП 101, КП 102, КП 103, КП 201 – транзистори з p - каналом; КП 302, КП 303, КП 307, КП 312 – транзистори з n - каналом. Як бачимо з позначень, низькочастотні ПТУП мають канал p - типу, високочастотні – канал n - типу. Справа в тому, що в p - каналі основні носії – дірки, а їх рухомість менша, ніж у електронів, які є основними носіями в каналах n - типу.

а) б)

Рисунок 11.1 – Схемні позначення ПТУП з n - каналом (а) і з

p - каналом (б)

Схематично будова ПТУП з p - каналом показана на рис.11.2.

Рисунок 11.2 – Схематична будова польового транзистора з керувальним переходом і p - каналом

Транзистор складається з напівпровідникової області p - типу і двох областей n - типу. Останні з’єднуються разом і утворюють керувальний електрод – затвор. На межах поділу n - областей та p - області виникають високоомні запірні шари – керувальний p-n – перехід. Частина p - області між запірними шарами називається каналом. Під дією джерела напруги у каналі утворюється поздовжнє електричне поле, яке примушує дірки рухатися до “-” в напрямі від електрода, що називається витоком, до електрода, який називається стоком. Отже, в каналі і в зовнішньому колі стоку проходить струм стоку під дією напруги на стоці стосовно витоку . На затвор стосовно витоку подається напруги , яка зміщує p-n – переходи в зворотному напрямі. У колі затвора проходить малий струм .

Приклади конструкції ПТУП зображені на рисунку 11.3 (КП 102) та рисунку 11.4 (КП 103).

Рисунок 11.3 – Конструкція КП 102

Рисунок 11.4 – Фрагмент структури ПТУП КП 103

У рамках планарної технології (рисунок 11.3) засобом дифузії в приповерхневому шарі кремнієвого кристала типу створюються вузька область типу (канал) і дві високолеговані області p - типу (витік і стік). На ці області наносять тонку плівку з алюмінію, до якої припаюють виводи витоку і стоку.

Поверхню кристала покривають захисним шаром двоокису кремнію ( ). Затвором служить кристал-підкладка, до якого припаюють вивід керувального електрода. Всю конструкцію розміщають у герметичному металевому або пластмасовому корпусі.

Польові транзистори типу КП 103, на відміну від попередніх, мають п’ять паралельних каналів, біля кожного з яких розташований додатковий затвор 32 (першим затвором 31 є підкладка) – рисунок 11.4. Наявність п’яти каналів і додаткових затворів дозволяє збільшити струм стоку, а також підвищити ефективність керування товщиною каналу, оскільки перекриття каналу відбувається з боку затвора і зверху, і знизу.

Принцип дії ПТУП розглянемо за допомогою схематичного зображення приладу на рисунку 11.2. При збільшенні напруги , яка містить запірні шари у зворотному напрямі, ці шари розширяються. Товщина p-n – переходу зростає повністю у бік каналу, оскільки у ПТУП області затвора завжди високолеговані, а канал має низьку концентрацію домішок ( для транзистора з p - каналом). Розширення керувального p-n – переходу приводить до зменшення ширини каналу, зниження його електропровідності і зменшення струму через нього ( ) при незмінній напрузі. Отже, змінюючи напругу на затворі , тобто змінюючи поперечне електричне поле, можна ефективно керувати зміною струму стоку (величиною внутрішнього опору транзистора.) Це найважливіша властивість польового транзистора в режимі підсилення сигналів. Саме вона зумовлює суттєву відмінність ПТ від біполярних транзисторів, яка полягає в наступному. При зміні вхідної напруги ПТ змінюється лише поперечне поле, що керує інтенсивністю потоку носіїв через канал. Вхідний струм транзистора – струм затвора - практично не змінюється як струм насичення p-n – переходу в зворотному вмиканні. Отже, внаслідок слабкої зміни при зміні затворної напруги, а також із причини великого вхідного опору ПТ (малого струму ) вважають, що керування вихідним струмом приладу відбувається не за рахунок зміни вхідного струму, як у БТ, а внаслідок зміни вхідної напруги, як у вакуумному тріоді. Великий вхідний опір усіх ПТ порівняно з біполярними – це суттєва перевага польових приладів.

Нехай стокова напруга =0. Тоді при зміні можна досягти повного перекриття каналу внаслідок змикання запірних шарів. Канал у цьому випадку має дуже великий опір, а напруга, при якій це відбувається, називається напругою відсічення ( ). Напруга є важливим параметром ПТУП. Оцінимо її, а також дослідимо вплив напруги на товщину каналу .

Товщина p-n – переходу, як відомо з першого розділу конспекту, дорівнює

(11.1)

Оскільки , то , і тоді для зворотної напруги затвора

(11.2)

Ширину каналу можна визначити згідно з рисунком 11.2 за формулою

= = , (11.3)

де - відстань між областями затвора.

Як було зазначено, при = канал перекривається ( =0). Для цього випадку з формули (11.3) випливає, що

+ = .

Наприклад, для ПТУП з см і см маємо

+ = 6 В.

Оскільки контактна різниця потенціалів В, то можна вважати, що , і тоді

= . (11.4)

Використовуючи рівності (11.3) та (11.4), можна одержати аналітичну залежність ширини каналу від напруги на затворі

= . (11.5)

Оскільки опір каналу обернено пропорційний до його ширини, то існує така залежність

( )= , (11.6)

де ( ) – опір каналу при даній напрузі затвора;

- опір каналу при =0.

Тепер нехай 0. Напруга, що діє на стоці ПТУП, викликає проходження через канал і в зовнішньому колі струму . Струм стоку, проходячи через ненульовий розподільний опір каналу, створює на ньому спад напруги (рисунок 11.5).

Рисунок 11.5 – До пояснення конфігурації каналу ПТУП при 0

На цьому рисунку вибрано переріз каналу на відстані їх від витоку. Падіння напруги пропорційне до величини опору ділянки каналу і до струму стоку . Таким чином, в перерізі напруга на переході + , оскільки напруга має той самий напрям, що і напруга , і її дія на p-n – перехід еквівалентна дії додаткової зворотної напруги.

На підставі цього можна одержати залежність ширини каналу від координати , тобто від величини напруги :

( )= (11.7)

Очевидно, що спад напруги при проходженні струму через канал залежить від координати . Так, біля витоку ( =0) =0. Біля стоку ( = , де - довжина каналу) = ( )= . З цього приводу можна вважати, що при ненульовій стоковій напрузі ширина каналу зменшується в напрямі від витоку до стоку згідно з формулою (11.7). Біля стоку ширина каналу мінімальна, оскільки = :

= . (11.8)

З формули (11.8) випливає, що при проходженні через канал ПТУП струму стоку опір каналу, а також струм через нього залежить і від напруги , і від напруги .

Розглянемо статичні характеристики ПТУП, які знімають за допомогою схеми рисунку 11.6. На цій схемі досліджуваний транзистор має канал типу.

Рисунок 11.6 – Схема для експериментального зняття характеристик ПТУП

Не потрібно забувати, що при дослідженні транзистора з каналом типу полярності під’єднання джерел живлення і вимірювальних приладів треба змінити на зворотні.