tranzistoriai
1.Lauko tranzistoriai
Lauko tranzistoriai valdomi elektriniu lauku.Lau-ko tranzistoriuose išėjimo srovė teka kanalu,kuris gali būti N arba P tipo.Kadangi srovės srautas su-sideda iš vienos rūšies krūvininkų – elektronų N kanalo tipo tranzistoriuose ir skylių P kanalo tipo tranzistoriuose,lauko tranzistoriai priskiriami prie unipoliariųjų tranzistorių.Lauko tranzistoriai skir-stomi į valdančiosios PN sandūros lauko tranzis-torius(sandūrinius) ir izoliuotosios užtūros,kitaip MDP(metalo,dielektroko ir puslaidininkio) arba MOP(metalo,oksido ir puslaidininkio),lauko tran-zistorius.Valdančios PN sandūros lauko tranzisto-riuose tarp valdymo elektrodo ir kanalo susifor-muoja ir atvirkštine kryptimi įjungta PN sandūra. Izoliuotosios užtūros lauko tranzistoriuose ttarp valdymo išvado ir kanalo suformuojamas labai plonas silicio dioksido sluoksnis.MOP lauko tran-zistoriai gali būti skirstomi į indukuotojo ir pradi-nio kanalo tranzistorius.Valdančiosios PN sandūros ir MOP lauko tranzistorių grafiniai ženklai:
Lauko tranzistorių išva-dai: ištaka(S) – tai ele-ktrodas,iš kurio į kanalą injektuojami krūvininkai; santaka(D) – elektrodas, į kurį iš kanalo suteka krūvininkai; užtūra(G) – elektrodas,kurio elektri-niu lauku valdoma kanalo varža.Visiems lauko tranzistoriams būdinga labai maža įėjimo srovė, nes didelė įėjimo varža.Lauko tranzistoriai valdo-mi lauku arba potencialu,o dvikrūviai tranzistoriai valdomi srove.Ši lauko ttranzistorių savybė yra svarbiausia savybė,skirianti juos nuo dvikrūvių tranzistorių ir leidžianti juos panaudoti ten, kur dvikrūviai tranzistoriai negali būti naudojami.
2.Lauko reiškinys (lauko efektas)
Lauko tranzistorių veikimas pagrįstas lauko efe-ktu.Lauko efektu vadinamas krūvininkų tankio ir puslaidininkio paviršinio laidumo kitimas,kintant puslaidininkio paviršiui statmenam eelektriniam laukui.Jei MDP struktūros puslaidininkis yra N tipo ir prie metalo prijungta teigiamo poliarumo įtampa,o prie puslaidininkio – neigiamo poliaru-mo įtampa,metalinis elektrodas įsikrauna teigia-mai.Teigiamas metalinio elektrodo krūvis traukia neigiamus elektronus,todėl paviršiniame puslaidi-ninkio sluoksnyje padidėja elektronų tankis,didėja to sluoksnio laidumas.
Pakeitus išorinės įtampos poliarumą,metalinis ele-ktrodas įsikrauna neigiamai.Neigiamas metalinio elektrodo krūvis stumia elektronus nuo puslaidi-ninkio paviršiaus, paviršiniame puslaidininkio sluoksnyje sumažėja pagrindinių krūvininkų tan-kis ir susidaro nuskurdintasis sluoksnis.Neigiamas metalinio elektrodo krūvis traukia prie puslaidi-ninkio paviršiaus skyles, skylių tankis didėja.To-liau kylant įtampai,pasiekiama slenkstinė įtampa, kai elektronų ir skylių tankiai susilygina.Kai sky-lių tankis viršija elektronų tankį,puslaidininkio pa-viršiuje susidaro inversinis skylinio laidumo sluoksnis.
3.Valdančiosios PN sandūros lauko tranzistorius
Dažniausiai naudojami N kanalo tipo valdančio-sios PN sandūros lauko tranzistoriai,kadangi jie labiau tinka naudoti grandinėse su teigiama maiti-nimo įtampa.Tokio tranzistoriaus sstruktūra:
Kanalo sritis yra lygiagreti paviršiui,kanalo galuo-se prijungiami ištakos ir santakos išvadai.Šalia N laidumo kanalo suformuoja P laidumo sritis,prie kurios prijungiamas užtūros elektrodas.Tarp P lai-dumo užtūros srities ir N kanalo susiformuoja PN sandūra.Supaprastinta valdančiosios PN sandūros lauko tranzistoriaus struktūra:
Santakos srovės valdymas pasiekiamas prijungus neigiamo poliarumo užtūros ir ištakos įtampą.Šita įtampa padidina užtvaro sluoksnio tarp užtūros ir kanalo storį.Kanalas plonėja,o jo varža didėja.Kuo didesnė bus užtūros ir ištakos įtampa,tuo mažesnė tekės santakos srovė.Užtūros ir ištakos įtampa,ku-riai esant PN sandūra visiškai užtveria kanalą iir tranzistorius užsidaro,vadinama atkirtos įtampa. Tranzistoriaus santakos srovė,esant soties režimui, gali būti išreiškiama formule: iS=IDSS(1-uUI/UGSO)2
čia uUI – užtūros ir ištakos įtampa; IDSS – santakos soties srovė,kai uUI=0; UGSO – užtūros atkirtos įtampa.Valdančiosios PN sandūros lauko tranzis-toriaus santakos srovės priklausomybės nuo įtam-pų nusakomos jo išėjimo charakteristika:
ir perdavimo charakteristika:
Išėjimo charakteristikoje tranzistoriaus santakos srovė iki soties įtampos tiesiškai priklauso nuo santakos ir ištakos įtampos.Esant soties režimui, santakos srovė šiek tiek didėja,didinant santakos ir ištakos įtampą.Tranzistoriaus soties režimo santakos srovė priklauso nuo užtūros ir ištakos įtampos.Esant nuliniai užtūros ir ištakos įtampai, tranzistoriumi teka didžiausia santakos srovė. Tranzistorius uždaromas padidinusužtūros ir išta-kos įtampą iki atkirtos įtampos.Esant didelėms santakos ir ištakos įtampoms,užtūros ir santakos sritis elektriškai pramušama,santakos srovė prade-da staigiai didėti.
4.Lauko tranzistorius su valdančiąja metalo ir puslaidininkio sandūra
Lauko tranzistorius su valdančiąja metalo ir pus-laidininkio sandūra pagrindui naudojamas mažai legiruotas galio arsenidas.Pagrindo specifinė var-ža didelė,todėl jį galima laikyti dielektriku.Ant pagrindo užauginamas plonas epitaksinis N tipo galio arsenido sluoksnis.Ant šio sluoksnio sudaro-mi ištakos ir santakos metaliniai elektrodai.Užtū-ros elektrodui panaudota tokia medžiaga,kad tarp užtūros elektrodo ir epitaksinio N sluoksnio susi-darytų Šotkio barjeras.Veikiant užtūros įtampai, nuskurdęs sluoksnis po užtūros elektrodu storėja,o N kanalas plonėja.Lauko tranzistorius su valdan-čiąja Šotkio sandūra pasižymi greitaveika, nes ga-lio arsenidui būdingas didesnis krūvininkų judru-mas ir mmažesnė šalutinių krūvininkų gyvavimo trukmė.Priklausomai nuo epitaksinio N sluoksnio storio gaminami ne tik normaliai atidaryti,bet ir normaliai uždaryti lauko tranzistoriai.
5.MOP tranzistorius su indukuotuoju kanalu
Izoliuotosios užtūros lauko tranzistoriaus su indu-kuotuoju N kanalu struktūrą sudaro P tipo puslai-dininkio pagrindas,kuriame suformuotos labai le-giruotos N+ sritys:
Nuo šių sričių išvesti ištakos ir santakos elektro-dai.Puslaidininkio sritis tarp ištakos ir santakos padengta izoliaciniu silicio dioksido sluoksniu,ku-rio paviršius metalizuojamas ir išvedamas užtūros elektrodas.Kol prie užtūros neprijungta įtampa, tarp santakos ir ištakos negali tekėti srovė,nes esant bet kokio poliarumo santakos ir ištakos įtampai viena iš dviejų PN sandūrų bus įjungta atvirkštine kryptimi.Prijungus prie užtūros teigia-mą įtampą,P srities šalutiniai krūvininkai elektro-nai bus pritraukiami ir P srities paviršiuje po izo-liaciniu sluoksniu tarp santakos ir ištakos sričių susidarys inversinis N tipo laidumo kanalas.Didė-jant valdymo elektrodo įtampai,kanale didėja ele-ktronų tankis,didėja kanalo laidumas.Tranzisto-rius su indukuotuoju kanalu veikia kanalo sodrini-mo režimu.Tranzistoriaus santakos srovė pradeda tekėti,kai užtūros įtampa viršija slenkstinę įtampą UGST :
Didėjant užtūros įtampai,didėja krūvininkų tankis kanale,santakos srovė stiprėja.Kol santakos ir išta-kos įtampa silpna,santakos srovė tiesiškai priklau-so nuo įtampos.Didėjant santakos ir ištakos įtam-pai,didėja įtampos kritimas kanale,o įtampa tarp santakos ir užtūros mažėja.Kartu mažėja krūvinin-kų tankis prie santakos esančiame kanalo gale,tarp kanalo ir santakos susidaro nuskurdintas sluoksnis ir mažėja jo varža.V MOP tranzistorius,arba MOP tranzistorius su VV užtūra, – tai MOP tranzistorius su indukuotuoju kanalu,kuriame ištaka,kanalas ir santaka išdėstyti vertikaliai vienoje arba abiejose “V” pavidalo griovelio pusėse.
6.MOP tranzistorius su pradiniu kanalu
Izoliuotosios užtūros lauko tranzistoriaus su pra-diniu N kanalu struktūrą sudaro N tipo puslaidi-ninkio pagrindas,kuriame suformuotos labai legi-ruotos N+ sritys:
Nuo šių sričių išvesti ištakos ir santakos elektro-dai.Tarp ištakos ir santakos sričių suformuojamas plonas mažai legiruotas N laidumo kanalas.Puslai-dininkio sritis tarp ištakos ir santakos padengta izoliaciniu silicio dioksido sluoksniu,kurio pavir-šius metalizuojamas ir išvedamas užtūros elektro-das.Prijungus prie užtūros teigiamą įtampą,į kana-lo N sritį iš ištakos ir santakos N+ sričių pritrau-kiami papildomi laisvieji krūvininkai elektronai. Didėjant valdymo elektrodo įtampai,kanale didėja elektronų tankis,didėja kanalo laidumas,didėja santakos srovė.Prijungus prie užtūros teigiamą įtampą,tranzistorius su pradiniu kanalu veikia ka-nalo sodrinimo režimu.Neigiama užtūros įtampa stumia iš kanalo elektronus,traukia skyles.Todėl kanalo varža didėja,kanalu pratekanti santakos srovė silpnėja.Užtūros įtampai pasiekus atkirtos įtampą UGSO ,iš kanalo srities išstumiami visi ele-ktronai ir jų vietas užima skylės,pasikeičia esan-čio po užtūra N puslaidininkio laidumo tipas,ka-nalas nutrūksta,tranzistorius užsidaro.Prijungus prie užtūros neigiamą įtampą,tranzistorius su pra-diniu kanalu veikia kanalo nuskurdinimo režimu.
6.Lauko tranzistorių parametrai
Kadangi lauko tranzistoriai valdomi įtampa,tran-zistoriaus darbui aprašyti labiausia tinka Y para-metrų sistema: i1=y11u1+y12u2 , i2=y21u1+y22u2 ;
Čia i1 – įėjimo srovė; i2 – išėjimo srovė; u1 – įėji-mo įtampa; u2 – išėjimo įtampa;
y11 – įėjimo lai-dumas; y12 – grįžtamojo ryšio laidumas; y21 – tie-sioginio perdavimo laidumas,charakteristikos sta-tumas; y22 – išėjimo laidumas.
Kai lauko tranzistorius įjungtas į grandinę pagal bendrosios ištakos schemą,lygtyse galioja šie pa-keitimai: i1=iU ; i2=iS ; u1=uUI ; u2=uSI. Kadangi lauko tranzistoriaus įėjimo srovė yra labai silpna, tikslinga nagrinėti tik antrąją lygtį.Tada tranzisto-riaus santakos srovės diferencialinas: diS=y21IduUI+y22IduSI. Šioje išraiškoje y21I=S=diS/duUI , kai uSI=const.
Y22I=1/ri=diS/duSI , kai uGS=const ; čia S – perda-vimo charakteristikos statumas; ri – vidinė varža:
Ri=duSI/diS , kai uUI=const.
Lauko tranzistoriaus ccharakteristikos statumas ir vidinė varža gali būti surandami iš tranzistoriaus perdavimo ir išėjimo charakteristikų vietoje dife-riancialų imant srovių ir įtampų pokyčius.Aukštų-jų dažnių srityje tranzistoriaus statumas sumažėja ir kompleksinio statumo išraiška: S(j)=S/(1+j/S) ; čia S – tranzistoriaus statu- mas žemųjų dažnių srityje; fS=S/2 – tranzisto-riaus statumo ribinis dažnis,kuriam esant statumo S(j) modulis sumažėja 1/20,707 karto.
7, Lauko tranzistorių matematiniai modeliai ir atstojamosios grandinės
Valdančios PN sanduros lauko tranzistorių santakos sroves sipris yra lygus:
IS=iDS=-G0{uSI+2/3UGS0[(uUI-uSI/UGS0)3/2-( uUI/ UGS0)
3/2]}. Santakos soties srovė lygi:
IDSS=-G0{uUI[1-2/3(uUI/ UGS0)1/2]- UUGS0/3}.
Lauko tranzistoriaus statumas:
gm=S=dis/duUI=G0[1-(uUI/UGS0)1/2]
Valdančios PN sanduros ir N kanalo lauko tranzistoriaus stipriųjų signalu modelio atstojamoji grandinė parodyta paveiksle:
Dinamines savybes apibrežia sandurų užtūra ir ištaka ir užtūra ir santaka krūviai. Jiesukaupiami atvirkštine kryptimi įjungtųsandūrų talpose:
CGS=CGS0/(1-uUI/Ud)1/2; CGD=CGD0/(1-uUI/Ud)1/2
Valdančios PN ssanduros lauko tranzistoriaus silpnųjų signalų modelio atstojamoji grandinė parodyta paveiksle:
Tranzistoriaus santakos srovės stiprio diferiancialas išreiškiamas tokia formule: diS= diS/duUI *duUI+ diS/ duSI* duSI, arba dis=gmduUI+1/rDS*duSI
MOP lauko tranzistoriaus santakos srovė lygi
iS=iDS=k*W/Lef[(uUI-UT)uSI-1/2*u2SI]; uSI+UT<=uUI
iS=iDS=k*W/2Lef(uUI-UT)2(1+uSI); UT<=uUI<=uSI+UT.
MOP lauko tranzistoriaus stipriųjų ir silpnųjų signalų modelio atstojamosios grandinės :
Silpnujų signalų modelyje statumai gm,gmBS ir diferencialinės santakos ir ištakos srities varža rDS yra lygios: gm=diS/duUI; gmBS=diS/duPI; rDS=1/gDS=duSI/diS.
8. Lauko tranzistorių ribiniai parametrai
Kai oksido sluoksnis arba PN sandura tarp užtūros ir kanalo yra labai plonas, tada lauko tranzistorius yra labai jautrus valdymo įtampai,tačiau taip pat jautrus ir viršįtampiams. Per didelė valdymo įtampa sugadina izoliatorių ir tada kai yra tik trumpas impulsas. Dėl mažos talpos labai maža energija pramuša izoliatorių. Sritis tarp užturos ir kanalo yra pati jautriausia visų vadančios PN ssanduros ir MOP tranzistorių vieta. Užtūros ir kanalo apsaugai formuojami stabilitronai, kurie padidina srovę ir talpą tarp užtūros ir ištakos. Didžiausia leistina užtūros ir ištakos įtampa UGSmax apibrėžia leistinų užtūros ir ištakos diapazoną.
Didžiausia leistina santakos srovė IDmax riboja tik MOP lauko tranzistorių darbo srovių diapazoną. Įtampa, veikianti tarp santakos ir ištakos ir kanalu tekanti santakos srovė nusako tranzistoriaus sklaidomąją galią,kuri neturi viršyti Pmax . Leistiną lauko tranzistoriaus darbo sritį apibrėžia šie parametrai: UDSmax ,IDmax, Pmax.
9.Dvikrūviai tranzistoriai
Dvikrūviai tranzistoriai tai ttrisluoksniai puslaidininki-
niai komponentai, kurie turi 2 PN sandūras ir 3 išvadus
Jie gali būti NPN ir PNP struktūrų. Išvadai yra vadinami emiteriu,baze,kolektoriumi.
10.Konstrukcija ir darbo režimai
Dvikrūviai tranzistoriai skirstomi į difuzinius, epitak-sinius, planariuosius.Tranzistoriaus išvadai prijungti prie puslaidininkinių kristalų per labai mažos varžos kontaktus. Sandūra tarp emiterio ir bazes vadinama emiterio sandūra, o sandūra tarp kolektoriaus ir bazės- kolektoriaus sandūra. Emiterio sritis yra labai legiruojama, bazėse formuojama plona.Veikimo principą galima paaiškinti remiantis paprasčiausiu tranzistoriaus modeliu:
Yra skiriami 3 dvikrūvio tranzistoriaus jungimo atvejai: bendrosios bazės,bendrojo emiterio ir bendrojo kolektoriaus.Galimi 4 tranzistoriaus darbo režimai: stiprinimo,uždarymo,soties,inversinis.
11.Tranzistoriaus bendrosios bazės junginys
Jei NPN tranzistorius įjungtas pagal bendrosios bazės junginį ir dirba stiprinimo režimu, tai prijungus tiesioginę įtampą prie emiterio sandūros, iš N srities į P sritį injektuojami elektronai, o iš P į N sritį- skylės. Emiterio sritis yra labai legiruota, o bazės sritis labai plona, todėl dauguma injektuotų elektronų difunduoja link kolektoriaus srities ir veikiami kolektoriaus sandūros potencialo barjero pereina į kolektoriaus sritį. Tik labai maža dalis elektronų rekombinuoja bazėje. Tai matosi paveiksle:
Pagal Kirchhofo srovių dėsnį emiterio srovė lygi:
iE=iB+iK. Emiterio srovę sudaro elektroninė ir sky-
linė dedamosios: iE=iEn+iEp.Kolektoriaus srovę sudaro:
iK=iKn+IC0. Bazės srovę sudaro: iB=iEp+iEnr-IC0. Statinis emiterio srovės perdavimo koeficientas yra lygus:
A=iKn/iE=iEn/iE*iKn/iEn=iEn/(iEn +iEp)*iKn/(iKn+iEnr)=
=iEn/iEn+iEp. =iKn/iKn+iEnr. Norint padidinti A, reikia didinti injekcijos ir pernešimo pper bazę koeficientus. Pernešimo per bazę koeficientas dideja,mažinant bazės storį.
12.Tranzistoriaus bendrojo emiterio junginys
BE junginyje tranzistoriaus emiteris yra bendras įėjimui ir išėjimui. NPN struktūros tranzistoriui dirbant stiprinimo režimu tarp kolektoriaus ir emiterio įjungiamas maitinimo šaltinis taip, kad šaltinio teigiamas poliusbūtų prijungtas prie kolektoriaus, neigiamas-emiterio. Emiterio sandūra bus įjungta tiesiogine kryptimi, kolektoriaus-atvirkštine. Tranzistoriaus struktūroje tekės labai silpna srovė, ją sudarys kolektoriaus ir bazės šalutiniai krūvininkai.
Tarp bazės ir emiteri ojungiamas maitinimo šaltinis taip,kad bazės ir emiterio sandūra būtų įjungta tiesiogine kryptimi. Šis šaltinis sukels emiterio ir bazės pagrindinių krūvininkų judėjimą per emiterio sandūrą. Silpna bazės srovė valdo stiprią kolektoriaus srovę: stipresnė bazės srovė, stipresnė kolektoriaus srovė. Kadangi iE=iB+iK, o iB<>1.
Srovės perdavimo koeficientas yra lygus diferencialiniam bazės srovės perdavimo koeficientui: KI==diK/diB=/1- -emiterio srovės perdavimo koeficientas. Kadangi artimas vienetui, tai 1-<<1, o >>1. BE junginys stiprina srovę įtampą ir galią.
13.Tranzistoriaus bendrojo kolektoriaus junginys
Kai kolektorius bendras įėjimui ir išėjimui, tai išėjimo įtampa uEK=uBK+uEB; uBK-bazės, kolektoriaus įtampa; uEB-emiterio, bazės įtampa. uEB įtampa yra labai maža lyginant su uBK įtampa, tai uEKuBK. Įtampos stiprinimo koeficientas KU, BK junginyje yra artimas 1. BE junginys dar vadinamas emiteriniu kartotuvu, nes emiterio išvade gaunamas išėjimo signalas beveik tokios pat amplitudė ir tokios pat fazės, kaip į bazę patenkantis įėjimo ssignalas. Srovės perdavimo koeficientas KI=diE/diB=1/1-.Emiterio srovės perdavimo koeficientas artimas 1, tai 1-<<1 ir KI>>1. BK junginys stiprina srovę ir galią.
14. Dvikrūvio tranzistoriaus charakteristikos
Svarbiausios dvikrūvio tranzistoriaus charakteristikos yra įėjimo ir išėjimo. BB junginio įėjimo iE=f(uEB), išėjimo charakteristika iK=f(uKB); BE įėjimo iB=f(uEB), išėjimo iK=f(uKE). BB ir BE jungimo atveju įėjimo charakteristikų pobūdis atitinka tiesiogine kryptimi įjungtos PN sandūros VACh eigą. BB junginio įėjimo charakteristika iE=f(uEB) mažai priklauso nuo kolektoriaus ir bazės įtampos. BB junginio įėjimo (a), išėjimo (b) charakteristikos
BB junginio išėjimoVACh iK=f(uKB) parametras yra emiterio srovė. Kai iE=0, kolektoriaus grandine teka silpna sandūros atvirkštinė srovė. Tekant emiterio srovei, kolektoriaus srovė sustiprėja ir jos dydis artimas emiterio srovei. Kolektoriaus srovė nepriklauso nuo kolektoriaus įtampos. Kolektoriaus srovė teka ir tada kai kolektoriaus ir bazės įtampa lygi 0. Taip yra todėl, kad ir nesant išorinės įtampos kolektoriaus PN sandūroje susikuria vidinid kontaktinis potencialų skirtumas, kuris perkelia šalutinius krūvininkus iš bazės į kolektorių. Didėjant kolektoriaus įtampai , šiek tiek didėja kolektoriaus srovė. Gerokai padidinus kolektoriaus įtampą, kolektoriaus srovė ima sparčiai didėti dėl kolektoriaus sandūros pramušimo.
BE junginio įėjimo (bazės) srovė silpnėja, didinant išėjimo įtampą. Dvikrūvio tranzistoriaus BE junginio įėjimo (a), išėjimo charakteristika(b)
BE išėjimo charakteristkos iK=f(uKE) parametras yra bazės srovė. Tekant bazės srovei ir esant nulinei kolektoriaus ir
emiterio įtampai, kolektoriaus srovė netekės. Kai prijungta kolektoriaus ir emiterio įtampa, kolektoriaus srovė yra gerokai stipresnė už bazės srovę. Išėjimo charakteristikos yra beveik horizontalios. Padidėjus kolektoriaus įtampai, kolektoriaus srovė didėja dėl kolektoriaus sandūros pramušimo.
15.Dvikrūvio tranzistoriaus H parametrų sistema
Dvikrūvių tranzistorių darbui apibūdinti naudojama hibridinė H parametrų sistema. Tranzistorius nagrinėjamas kaip aktyvusis tiesinis keturpolis, kurio įėjimo įtampa u1,įėjimo srovė i1, išėjimo įtampa u2, išėjimo srovė i2. Ryšys tarp srovių ir įtampų aprašomas lygčių sistema: u1=h11i1+h12u2, i2=h21i1+h22u2; h11-tranzistoriaus įėjimo varža; h12-įtampos grįžtamojo ryšio kkoeficientas; h21-srovės perdavimo koeficientas; h22-išėjimo laidumas. Kai dvikrūvis tranzistorius įjungtas į grandinę pagal BB schemą, šiose lygtyse galioje šie pakeitimai: i1=iE; i2=iK; u1=uEB; u2=uKB. Tada tranzistoriaus H parametrų lygčių sistemą galima užrašyti taip: duEB=h11BdiE+h12BduKB, diK=h21BdiE+h22BduKB. Šiose lygtyse H parametrai nustatomi taip: h11B=duEB/diEuEB/iE, kai uKB=const; h12B=duEB/duKBuEB/uKB, kai iE=const; h21B=diK/diEiK/iE, kai uKB=const; h22B=diK/duKBiK/uKB, kai iE=const. Analogiškai užrašoma H parametrų lygčių sistema ir H parametrai BE junginiui:duBE=h11EdiB+h12EduKE, diK=h21EdiBduKE. h11E=duBE/diB
uBE/iB, kai uKE=con, h12E=duBE/duKEuBE/uKE, kai iB=const, h21E=diK/diBiK/iB, kai uKE=const, h22E=diK/duKEiK/uKE, kai iB=const. H parametrų sistema aapiema dydžius, kurie geriausiai apibūdina srove valdomo komponento fizikinius procesus. H parametrai randami iš VACh.
16.Dvikrūvio tranzistoriaus parametrai
Tranzistoriui dirbant jungiklio režimu, tranzistorius dažniausiai jungiamas BE junginyje ir jam būdingos dvi būsenos: uždarytas ir visiškai atidarytas. Uždarytu tranzistorium teka silpna kolektoriaus srovė IICES=ICS=ICBO/1-I; ICBO-atvirkštinė kolektoriaus srovė, esant atvirai emiterio sandūros grandinei; I-inversinis srovės perdavimo koeficientas BB junginiui.
Ant uždaryto tranzistoriaus krinta beveik visa maitinimo šaltinio įtampa. Visiškai atidarytas tranzistorius pereina į soties režimą: tranzistoriumi teka soties srovė Icsat, tarp kolektoriaus ir emiterio išvadų lieka soties įtampa UCEsat=(kT/q)ln[I/*iB-iK/iB(1+I)+iK] I-inversinis srovės perdavimo koeficientas BE junginiui.
Dirbant tranzistoriui aukšto dažnio grandinėse, reikia atsižvelgti į tranzistoriaus inerciją. Veikiant tranzistoriaus įėjime aukštojo dažnio įtampai, per teigiamą įtampos pusperiodį dalis į bazę injekuotų krūvininkų nespėja pasiekti kolektoriaus sandūros. Per neigiamąjį įtampos pusperiodį šie krūvininkai grąžinami atgal į emiterio sritį. Dėl šios priežzsties, taip pat dėl sandūros talpų CEB ir CCB įtakos, emiterio srovės perdavimo koeficientas mažėja. Todėl kompleksinio emiterio srovės perdavimo koeficiento išraiška: (j)=/(1+j/)-tranzistoriaus emiterio srovės žemųjų dažnių srityje perdavimo kkoeficientas. Analogiškai galima užrašyti kompleksinio bazės srovės perdavimo koeficiento išraišką BE junginiui: (j)=/(1+j/), -tranzistoriaus bazės srovės žemųjų dažnių srityje perdavimo koeficientas. Ribinis bazės srovės perdavimo koeficientas f yra daug kartų žemesnis už ribinį emiterio srovės perdavimo koeficientą f.
17. Dvikrūvių tranzistorių matematiniai modeliai ir atstojamosio grandinės
Vienas iš populiariausių dvikrūvių tranzistorių modelių yra Elberso ir Molo modelis
Tai netiesinis stipriųjų signalų statinio režimo modelis (injekcinis variantas). Diodais modeliuojamos emiterio ir kolektoriaus sandūros. Atstojamosios grandinės emiterio ir kolektoriaus srovių stiprius galima užrašyti taip: iE=i1-Ii2, iiK=i1-i2; -srovės perdavimo koeficientas; I-inversinis srovės perdavimo koeficientas. Paveikslo diodų srovės i1 ir i2 apskaičiuojamos: i1=IES[exp(quEB/NEkT)-1], i2=ICS[exp(quEB/NCkT)-1]; IES-atvirkštinė emiterio sandūros soties reikšmė; q-elektros krūvis; uEB-emiterio ir bazės įtampa; NE-emiterio sandūros emisijos koeficientas; T-Kelvino temperatūra; ISC- atvirkštinė kolektoriaus sandūros soties srovė; uKB-kolektoriaus ir bazės įtampa; NC- kolektoriaus sandūros emisijos koeficientas. Galima įrodyti, kad IES=IICS=IS. Tai kolektoriaus srovė gali būti išreiškiama: iK=IS[exp(quEB/NEkT)-1]-IS/I[exp(quKB/NCkT)-1]. Be BB srovės perdavimo koeficientų ir I, dažnai naudojami tiesioginis ir inversinis BE junginio srovės perdavimo koeficientaib ir I: =/1-; I=I/1-I.
Kitas Eberso ir Molo modelio atstojamosios schemos variantas
Tranzistoriaus sandūromis tekančias sroves pažymėjus iCC ir iCE, kai iCC=IS[exp(quBE/NFkT)-1], iCE=IS[exp(quKB/NRkT)-1], tranzistorių srovių stiprius galime užrašyti taip: iK=iCT-(1/bI)iCE; iE=-iCT-(1/b)iCC; iB=iCB+iBE; NF-tiesioginis emisijos koeficientas; NR-inversinis emisijos koeficientas; iCT=iCC-iCE.
Kai teka stipresnė srovė turi būti įvertintos varžos tūrinės RE, RB, RC (emiterio, bazės, kolektoriaus). Siekiant didesnio modelio tikslumo schemą reikia papildyti nuotėkio varžom REn, RCn. Dinamines tranzistoriaus savybes atspindi emiterio ir kolektoriaus sandūrų difuzinės ir barjerinės talpos CEd, CCd, CEb, CCb. Išsamioji tranzistoriaus Eberso ir Molo schema
Barjerinė emiterio talpa CEb=CEb0/(1-uEB/Ud)ME;
čia CEB0- emiterio sandūros barjerinė talpa, kai įtampa yra nulinė;UEB – emiterio ir bazės įtampa; ME – emiterio sandūros tolydumo koeficientas; Ud – kontaktinis potencialų skirtumas. Barjerinė kolektoriaus talpa užrašoma analogiška išraiška: CCb= CCb0/(1- (uKB/Ud))Mc;
Difuzinė eemiterio talpa užrašoma:
CEd= E(iESq/NEkT)= E(iES/NET) ;čia E – šalutinių krūvininkų lėkio trukmė emiterio sandūroje; T=kT/q -šiluminis potencialas; kai UEB<0,tai CEd=0.
Išsamioji Eberso ir Molo atstojamoji schema teisinga esant visiems tranzistoriaus darbo režimams: soties, aktyviajam normaliam, aktyviajam inversmiam, atkirtos. Jei modeliuojamas vienas kuris nors režimas, atstojamoji schema supaprastinama.Telktinių grandynų planariųjų tranzistorių veikimą labiau atspindi Gumelio ir Pūno modelis (Gummel-Poon model). Šiuo modeliu įvertinamas tranzistoriaus veikimas esant didesniam injekcijos lygiui, Erlio reiškinys, dariniuose sukaupti krūviai. Gumelio ir Pūno modelio atstojamoji schema parodyta paveiksle
Tranzistoriuje tekančių srovių stipriai iN=(exp(qUEB/NFkT)-1)(QB0/QB) iI=(exp(qUKB/NRkT)-1)(QB0/QB); i1=(iN/N); i2=(iI/I);
čia Is – atvirkštinė soties srovė; Nf, NR – emisijos koeficientai; N – tiesiogmis srovės perdavimo koeficientas; I – inversinis srovės perdavimo koeficientas; QBO – bazės krūvis, kai sandūros įtampa nulinė: QB – bazės krūvis esant darbo režimui (esant prijungtoms emiterio ir kolektoriaus sandūrų įtampoms): QB=QBO +QE +Qc –BNiN – IiI;
čia QE,, QC – emiterio ir kolektoriaus sandūrų erdviniai krūviai; N ir I – normalaus ir inversinio tranzistoriaus junginių laisvųjų krūvininkų perlėkimo per bazę (iš emiterio į kolektorių ir atvirkščiai) trukmės; B įvertina bazės laidumo moduliavimą; BNiN- bazėje sukauptas krūvis, sąlygojamas laisvųjų krūvininkų injekcijos pro emiterio sandūrą; I iI – bazėje sukauptas krūvis, sąlygojamas laisvųjų krūvininkų injekcijos per kolektoriaus sandūrą. KKai tranzistorius dirba su silpnaisiais signalais statiniu režimu, jį galima laikyti tiesiniu keturpoliu (atstojamoji schema parodyta 5.13 paveiksle). Tranzistoriaus bazės ir kolektoriaus sroves galima užrašyti žemojo dažnio Y parametrų lygčių sistema:i1=y11u1 + y12u2; i2=y21u1 + y22u2;
čia i1, i2, u1, u2, – tranzistoriaus įėjimo ir išėjimo įtampos bei srovių stipriai; y11=i1/u1 – įėjimo laidumas, kai u2=0; y12=i1/u2 – grįžtamojo ryšio laidumas, kai u1=0; y21=i1/u1 – tiesioginio perdavimo laidumas, kai u2=0; y22=i2/u2 – išėjimo laidumas, kai u1=0.
Kai dažniai žemi, Y parametrai yra realieji skaičiai. Tai diferencialiniai laidumai, esant tam tikroms išvadų pastovioms nuolatinėms įtampoms ir srovėms (t.y. darbo taške). Y parametrai lengvai išmatuojami net kai dažnis aukštas, tačiau gaunamos didesnės skaičiavimų paklaidos, nes tranzistoriaus parametrai netiesiškai priklauso nuo įėjimo įtampos.
Kai dažnis žemas, patogiau naudoti hibridinių H parametrų sistemą, kuri geriau atspindi srove valdomo tranzistoriaus veikimą (tranzistoriaus atstojamoji schema parodyta 5.14 paveiksle):
u1=h11i1+h12u2; i2=h21i1 + h22u2;
čia h11=u1/i1 – įėjimo varža, kai u2=0; h12=u1/u2 – įtampos grįžtamojo ryšio koeficientas, kai i1=0;
h12=i2/i1 – srovės perdavimo koeficientas, kai u2=0; h22=i2/u1 – išėjimo laidumas, kai i1=0.
Į H parametrų sistemą tiesiogiai įeina svarbiausias tranzistoriaus parametras – srovės perdavimo koeficientas: – bendrosios bazės junginio, -bendrojo emiterio junginio.
Skaičmojant grandinių su tranzistoriais statinį režimą, gali būti naudojama supaprastinta
T pavidalo atstojamoji schema. Bendrosios bazės junginio atstojamoji schema parodyta 5.15 paveiksle, a; bendrojo emiterio – 5.15 paveiksle, b.
Schemose rE, rB, rC raidėmis pažymėtos tranzistoriaus emiterio, bazės, kolektoriaus diferencialinės varžos. Tranzistoriaus T pavidalo atstojamosios schemos vidinius parametrus galima apskaičiuoti iš H parametrų: rE=h11B – (1+h21B)(h12B/h22B)=h11B; rB=h12B/h22B; rC= (1-h12B)/h22B=1/h22B;
Aukštųjų dažnių srityje reikia vertmti sandūrų talpas. Atviros emiterio sandūros talpą lemia difuzinė talpa, uždaros kolektoriaus sandūros talpą lemia barjerinė talpa. Bendrosios bazės ir bendrojo emiterio junginių atstojamosios schemos parodytos 5.16 paveiksle.
18. Dvikrūvio ttranzistoriaus ribiniai parametrai
Dvikrūvio tranzistoriaus darbą riboja didžiausiai leistini parametrai, kuriuos viršijus puslaidininkis sugadinamas. Tranzistoriaus ribiniai parametrai yra šie: didžiausia leistina kolektoriaus srovė ICmax; didžiausia leistina kolektoriaus ir bazės įtampa UCbmax, didžiausia leistina emiterio srovė IEmax; didžiausia leistina bazės srovė IBmax; didžiausia leistina kolektoriaus ir emiterio įtampa UCEmax;
didžiausia leistina galia Pmax ; Pmax= IkuKB + iEuEB iKuKB=PCmax; čia PCmax – didžiausia leistina kolektoriaus galia.
Didelės galios tranzistoriai tvirtinami prie specialių radiatorių, skirtų aušinti. Didžiausia leistina kolektoriaus galia, didžiausia leistina kkolektoriaus srovė ir didžiausia leistina kolektoriaus įtampa apibrėžia leistinąją dvikrūvio tranzistoriaus darbo sritį.
19. Tranzistorių sudarymo būdai
Pastaruoju metu šiuolaikiniams puslaidininkiams tranzistoriams gaminti plačiausiai naudojama epitaksinė-difuzinė planaroji technologija. Planariųjų tranzistorių visi išvadai suformuojami vienoje plokštumoje. Gaminant planariuosius tranzistorius, kolektoriaus sritis turi ggana didelę tūrinę varžą. NPN tranzistoriaus kolektoriaus išvadas yra viršutinėje įtaiso dalyje, todėl didelė kolektoriaus srovės dalis teka išilgai N srities. Taigi susidaro nuosekliai su kolektoriumi įjungta varža, sukelianti papildomą įtampos kritimą ir pabloginanti tranzistoriaus stiprinimo ir perjungimo charakteristikas.
Gerokai sumažinti kolektoriaus srities tūrinę varžą leidžia NPN tranzistoriaus struktūra su paslėptuoju N+ sluoksniu. Šis labai legimoto puslaidininkio sluoksnis suformuojamas lokalinės
šilununės difuzijos būdu P laidumo puslaidininkio pagrinde. Paskui epitaksijos būdu užauginama N laidumo kolektoriaus sritis. Tokia N+N kolektoriaus struktūra užtikrina mažą kolektoriaus srities tūrinę varžą, mažą kolektoriaus soties įtampą, aukštą pramušimo įtampą ir mažą parazitinę talpą.
PNP struktūros tranzistoriai gali būti gaminami keliais būdais, tačiau dažniausiai naudojami horizontaliosios arba šoninės struktūros ir vertikalusis PNP tranzistoriai. Paprasčiausia ir labiausiai paplitusi horizontalioji PNP tranzistoriaus struktūra. TTokio tranzistoriaus kolektoriaus ir emiterio sritys sudaromos difazijos būdu N laidumo bazės srityje. Bazė sudaroma epitaksijos būdu ir ji yra įprastinio NPN tranzistoriaus kolektorius. Horizontaliojo PNP tranzistoriaus struktūra simetrinė – jo emiterio ir kolektoriaus priemaišų tankiai vienodi. Tokio tranzistoriaus bazė stora, todėl mažas srovės perdavimo koeficientas. Be to, blogesnės dažninės charakteristikos, mažesnė kolektoriaus ir bazės pramušimo įtampa.
Kadangi horizontaliojo PNP tranzistoriaus srovės perdavimo koeficientas nedidelis, dažnai naudojama sudėtinio tranzistoriaus struktūra, kur horizontalusis PNP tranzistorius jungiamas su NPN tranzistoriumi. Sudėtinio tranzistoriaus srovės pperdavimo koeficientas =(1+PNP)PNP, o jo
charakteristikos atitinka PNP tranzistoriaus charakteristikas. Sudėtinio tranzistoriaus trūkumai: didesnis plotas, blogesnės dažninės charakteristikos.
Vertikalusis PNP tranzistorius dažniausiai gaunamas kaip tranzistoriaus kolektorių panaudojant P laidumo pagrindą. Tokio tranzistoriaus srovės perdavimo koeficientas gana didelis, o kolektoriaus ir bazės pramušimo įtampa aukšta. Tačiau blogesnės jo dažninės charakteristikos, ribotos įjungimo į grandines galimybės. Vertikalusis PNP tranzistorius gali būti gautas izoliuotoje N srityje. Tokio tranzistoriaus trūkumai: sudėtinga gamybos technologįja, sunku pasiekti reikiamą priemaišų tankį tranzistoriaus emiteryje, labai maža emiterio sandūros pramušimo įtampa.
20. TIRISTORIAI
Tiristorius yra puslaidininkinis komponentas, sudarytas iš ne mažiau kaip keturių NPNP sričių ir skirtas stiprioms srovėms ir aukštoms įtampoms komutuoti. Pagal išvadų skaičių tiristoriai skirstomi į diodinius tiristorius, arba dinistorius, ir triodinius tiristorius, arba trinistorius. Trinistoriai su simetrinėmis voltamperinėmis charakteristikomis vadinami triakais. Įvairių tiristorių grafiniai schemų ženklai parodyti 6.1 paveiksle. Ketursluoksnė NPNP tiristoriaus struktūra su trimis nuosekliai sujungtomis PN sandūromis parodyta 6.2 paveiksle. Katodo išvadas jungiamas prie N srities, anodas -prie P srities. Valdymo elektrodas dažniausiai jungiamas prie vidurinės P srities. Dinistoriaus struktūroje nėra valdymo elektrodo išvado.
Jei prie valdymo elektrodo įtampa neprijungta (dinistoriaus variantas), o prie anodo prijungta teigiama maitinimo šaltinio įtampa, vidurinė PN sandūra yra įjungta atvirkštine kryptimi ir tiristoriaus struktūra teka silpna šalutinių krūvininkų srovė, ttiristorius yra uždaras (6.3 pav., b). Voltamperinės charakteristikos tiesioginės šakos pradinė dalis atitinka puslaidininkinio diodo voltamperinės charakteristikos atvirkštinę šaką (6.4 pav., a).
Toliau didinant anodo įtampą, vidurinėse P ir N srityse pradeda kauptis krūvininkai: P srityje -skylės, o N srityje – elektronai. Šie susikaupę krūvininkai sukuria priešingą išorinei įtampai tiesioginės krypties elektrinį lauką. Dėl to vidurinė sandūra pradeda atsidaryti, stiprėja jos srovė. Tiesioginei įtampai pasiekus įjungimo įtampą, tiristorius pradeda įsįjungti. Tiristoriaus srovė stiprėja, o tiesioginė įtampa mažėja, taigi tiristoriaus diferencialinė varža yra neigiama. Įsijungus tiristoriui, jo voltamperinė charakteristika yra panaši į diodo voltamperinės charakteristikos tiesioginę šaką.
Jei prie tiristoriaus valdymo elektrodo bus prijungta tiesioginė įtampa, tai katodo ir valdymo elektrodo PN sandūra pradės tekėti papildoma srovė. Iš N katodo į P sritį bus injektuojami šalutiniai krūvininkai ir tiristorius įsijungs esant mažesnei anodo įtampai. Kuo didesnė valdymo elektrodo srovė, tuo mažesnė tiristoriaus įjungimo įtampa.
Įsijungus tiristoriui, jo valdymoo elektrodo srovė gali būti nutraukta – tiristorius liks įsijungęs. Tam, kad tiristorius pereitų iš laidumo būsenos į nelaidumo, galima silpninti anodo srovę iki tokio dydžio, kai krūvininkai jau nebesikaupia ir jų perteklius rekombinuoja, mažinti anodo įtampą, kad ji taptų mažesnė negu įtampa, reikalinga sandūroms palaikyti atviroms, prijungti tiristoriui atvirkštinę įtampą. Jei tiristoriaus anodinė srovė silpna, tiristorių įį nelaidumo būseną galima perjungti labai stipria priešingos krypties valdymo srove. Tačiau stiprios valdymo srovės gali sugadinti tiristorių.
Jei prie tiristoriaus anodo ir katodo prijungta atvirkštmė įtampa, tai vidurinė PN sandūra įjungta tiesiogine kryptimi, o kitos dvi PN sandūros – atvirkštine kryptimi. Tiristorius bus uždarytas, jo voltamperinės charakteristikos atvirkštinė šaka panaši į puslaidininkmio diodo atvirkštinę šaką. Veikiant didelei atvirkštinei įtampai, atvirkštinė srovė padidėja dėl pramušimo reiškinių. Tiristoriaus dviejų tranzistorių modelis parodytas 6.4 paveiksle, b.
Tiristorių apibūdina šie svarbiausieji parametrai: didžiausia įjungimo įtampa (kai neteka valdymo srovė); yungimo įtampa; išjungimo srovė; didžiausia leistinoji atvirkštinė įtampa; tiesioginė atviro tiristoriaus įtampa (kai juo teka nurodyta tiesioginė srovė); didžiausia leistinoji tiesioginė srovė;
uždaro tiristoriaus srovė (kai veikia nurodyta tiesioginė įtampa); įjungimo trukmė; išjungimo trukmė;
didžiausias darbo dažnis.
Simetrinis diodinis tiristorius, arba diakas – puslaidinmkmis įtaisas, kuris turi du išvadus ir persijungia iš uždarosios būsenos į atvirąją, kai tarp jo išvadų prijungta įtampa viršija įsijungimo įtampą. Diako voltamperinė charakteristika simetnnė – jis gali įsįjimgti abiem kryptimis. Simetrinis trinistorius, arba triakas, turi tris išvadus ir gali būti įjungiamas bet kurio poliarumo valdymo signalu, veikiant bet kurio poliammo anodinei įtampai.
