Усилитель на полевом транзисторе | Основы электроакустики

Схемотехнические решения, применяемые при построении каскадов на полевых транзисторах, во многом схожи с решениями, используемыми при построении каскадов на биполярных транзисторах. Существующие особенности связаны с отличием собственных свойств этих приборов.         При построении аналоговых усилителей на полевых транзисторах наибольшее распространение получила схема каскада с общим истоком. При этом в ней, как правило, применяются либо полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, либо МОП-транзисторы со встроенным каналом. На рис.11.13. приведена типовая схема каскада на полевом транзисторе с управляющим p-n переходом и каналом n-типа.         Начальный режим работы полевого транзистора обеспечивается постоянным током IС0и соответствующим ему постоянным напряжением на стоке UСИ0 (для биполярного транзистора IK0и UКЭ0).         Ток IС0 в выходной (стоковой) цепи устанавливается с помощью источника питания ЕПИТ и начального напряжения смещения на затворе UЗ0 отрицательной полярности (для полевого транзистора с p-каналом – положительной полярности). В свою очередь, напряжение UЗ0 обеспечивается за счет того  же самого тока IС0,  протекающего через резистор в цепи истока RИ, т.е. UЗ0=IC0RИ. Это напряжение через резистор RЗ прикладывается к затвору с полярностью, приоткрывающей транзистор. Изменяя RИ, можно изменять напряжение UЗ0 и ток стока IC0, устанавливая его требуемое значение.

Рис.11.13. Усилитель на полевом транзисторе

         Резистор, кроме функции автоматического смещения на затворе, выполняет функцию термостабилизации режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя IC0. Чтобы на сопротивлении RИ не выделялось напряжение за счет переменной составляющей тока стока IC (это привело бы к ООС по переменному току), его шунтируют конденсатором CИ, емкость которого определяют из условия СИ >> 1/ωRИ, где ω – частота усиливаемого сигнала.         Резистор RЗ, включенный параллельно входному сопротивлению усилителя, которое очень велико (сопротивление p-n перехода исток – затвор), должен иметь соизмеримое с ним сопротивление.

         Динамический режим работы полевого транзистора обеспечивается резистором в цепи стока RC, с которого снимается переменный выходной сигнал при наличии входного усиливаемого сигнала. Обычно RC << RЗ; RЗ ≈ RВХ. Коэффициент усиления каскада на полевом транзисторе в области средних частот определяется равенством 

КU = – SRC~ ,           где S – статическая крутизна характеристики полевого транзистора; RC~ = RCRН / (RС + RН).    

         Знак «–» в выражении 11.11 указывает, что усилительный каскад с ОИ меняет фазу усиливаемого сигнала на 180º (как в усилительном каскаде с ОЭ). В этой схеме можно обеспечить любой из описанных классов усиления, однако наиболее часто она используется в режиме класса А при построении входных каскадов усилителей. Объясняется это следующими преимуществами полевого транзистора перед биполярным: — большее входное сопротивление, что упрощает его согласование с высокоомным источником сигнала;- как правило, меньший коэффициент шума, что делает его более предпочтительным при усилении слабых сигналов; — большая собственная температурная стабильность режима покоя.

Вместе с тем каскады на полевых транзисторах обычно обеспечивают получение меньшего коэффициента усиления по напряжению. Из-за схожести выходных ВАХ графический анализ работы усилительного каскада на полевом транзисторе идентичен рассмотренным ранее случаям усилителя на биполярном транзисторе.

%d0%ba%d0%be%d1%8d%d1%84%d1%84%d0%b8%d1%86%d0%b8%d0%b5%d0%bd%d1%82%20%d1%83%d1%81%d0%b8%d0%bb%d0%b5%d0%bd%d0%b8%d1%8f%20%d1%82%d1%80%d0%b0%d0%bd%d0%b7%d0%b8%d1%81%d1%82%d0%be%d1%80%d0%b0 — с русского на все языки

Все языкиАбхазскийАдыгейскийАфрикаансАйнский языкАканАлтайскийАрагонскийАрабскийАстурийскийАймараАзербайджанскийБашкирскийБагобоБелорусскийБолгарскийТибетскийБурятскийКаталанскийЧеченскийШорскийЧерокиШайенскогоКриЧешскийКрымскотатарскийЦерковнославянский (Старославянский)ЧувашскийВаллийскийДатскийНемецкийДолганскийГреческийАнглийскийЭсперантоИспанскийЭстонскийБаскскийЭвенкийскийПерсидскийФинскийФарерскийФранцузскийИрландскийГэльскийГуараниКлингонскийЭльзасскийИвритХиндиХорватскийВерхнелужицкийГаитянскийВенгерскийАрмянскийИндонезийскийИнупиакИнгушскийИсландскийИтальянскийЯпонскийГрузинскийКарачаевскийЧеркесскийКазахскийКхмерскийКорейскийКумыкскийКурдскийКомиКиргизскийЛатинскийЛюксембургскийСефардскийЛингалаЛитовскийЛатышскийМаньчжурскийМикенскийМокшанскийМаориМарийскийМакедонскийКомиМонгольскийМалайскийМайяЭрзянскийНидерландскийНорвежскийНауатльОрокскийНогайскийОсетинскийОсманскийПенджабскийПалиПольскийПапьяментоДревнерусский языкПортугальскийКечуаКвеньяРумынский, МолдавскийАрумынскийРусскийСанскритСеверносаамскийЯкутскийСловацкийСловенскийАлбанскийСербскийШведскийСуахилиШумерскийСилезскийТофаларскийТаджикскийТайскийТуркменскийТагальскийТурецкийТатарскийТувинскийТвиУдмурдскийУйгурскийУкраинскийУрдуУрумскийУзбекскийВьетнамскийВепсскийВарайскийЮпийскийИдишЙорубаКитайский

 

Все языкиАнглийскийНемецкийНорвежскийКитайскийИвритФранцузскийУкраинскийИтальянскийПортугальскийВенгерскийТурецкийПольскийДатскийЛатинскийИспанскийСловенскийГреческийЛатышскийФинскийПерсидскийНидерландскийШведскийЯпонскийЭстонскийТаджикскийАрабскийКазахскийТатарскийЧеченскийКарачаевскийСловацкийБелорусскийЧешскийАрмянскийАзербайджанскийУзбекскийШорскийРусскийЭсперантоКрымскотатарскийСуахилиЛитовскийТайскийОсетинскийАдыгейскийЯкутскийАйнский языкЦерковнославянский (Старославянский)ИсландскийИндонезийскийАварскийМонгольскийИдишИнгушскийЭрзянскийКорейскийИжорскийМарийскийМокшанскийУдмурдскийВодскийВепсскийАлтайскийЧувашскийКумыкскийТуркменскийУйгурскийУрумскийЭвенкийскийБашкирскийБаскский

Как измерить коэффициент усиления транзистора мультиметром.

Как проверить полевой транзистор мультиметром

Давайте займемся теорией, повремените убегать. Портал ВашТехник наряду с заумными сентенциями, рассчитанными быть понятыми профи, предоставит методику пяти пальцев. Не слышали? Просто, как пять пальцев. Сначала обсудим типы транзисторов, потом расскажем, что можно сделать при помощи мультиметра. Рассмотрим штатные гнезда hFE (объясним, что это такое), методику замещения схемы через соединение нескольких диодов. Расскажем, с чего начать. Поймете, как проверить транзистор мультиметром, или… Давайте, пожалуй, без «или». Приступим, чтобы твердо отличать МОП-транзистор от мопса, растолчем теорию.

Типы, классификация транзисторов

Избегаем исследовать дебри. Знайте простое правило: в биполярных транзисторах носители обоих знаков участвуют в создании выходного тока, в полевых – одного. Определение умников. Теперь работаем пальцами:

1. Транзисторы полевого типа выступают началом. Когда Битлз выходили на сцену, на замену вакуумным триодам стали приходить полупроводники. Если говорить кратко, p-n-p транзистор — два богатых положительными носителями слоя кристалла (кремний, германий, примесной проводимости). Проводя уроки физики, учитель часто рассказывал, как V-валентный мышьяк легировал решетку кремния, образуя новый материала. Добавим, что положительные p-области, отгорожены узкой отрицательной (n-negative). Как ком в горле. Узкий перешеек, называемый базой, отказывается пускать электроны (в нашем случае скорее дырки) течь в нужном направлении. Небольшой отрицательный заряд появляется на управляющем электроде, дырки коллектора (верхняя p-область на традиционных электрических схемах) больше не могут сдерживаться, буквально рвутся в сторону приложенного напряжения. Поскольку база тонкая, используя набранную скорость носители пролетают перешеек, уносятся дальше — достигая эмиттера (нижняя p-область), здесь увлекаются разностью потенциалов, создаваемой напряжением питания. Типичное школьное объяснение. Относительно небольшое напряжение управляющего электрода способно регулировать скорость сильного потока дырок (положительных носителей), увлекаемого полем напряжения питания. На этом построена техника. Навстречу дыркам движутся электроны, транзисторы называют биполярными.
2. Полевые транзисторы снабжены каналом любого типа проводимости, разделяющим области истока и стока (см. рисунок выше). Управляющий электрод называют затвором. Причем основной материал подложки, затвора противоположен каналу, истоку и стоку. Поэтому положительное напряжение (см. рисунок) запрет ход зарядам через транзистор. Плюс оттянет (в p-область) доступные электроны. Полевые транзисторы в электронике применяются намного чаще. На рисунке затвор электрически соединен с кристаллом, структура называется управляющим p-n переходом. Бывает, область изолирована от кристалла диэлектриком, в качестве которого часто выступает оксид. Чистой воды MOSFET транзистор, по-русски – МОП.

При помощи мультиметра, в штатном режиме проверяются биполярные транзисторы. Если тестер поддерживает такую опцию, часто именуемую hFE, на лицевой панели смонтирован круглый разъем, поделенный вертикальной чертой на две части, где надписаны по 4 гнезда следующим образом:

1. B – база (англ. Base).
2. С – коллектор (англ. Collector).
3. E – эмиттер (англ. Emitter).

Гнезд для эмиттера два, чтобы учесть раскладку выводов корпуса. База может быть с края, посередине. Для удобства сделано. Нет разницы, в какое гнездо вставить ножку эмиттера биполярного транзистора. Пара слов, как пользоваться.

Проверка биполярного транзистора мультиметром в штатном режиме

Чтобы гнездо проверки биполярных транзисторов начало работать (вести измерения), переведем тестер в режим hFE. Откуда взялись буквы? h — касается категории параметров, описывающих четырехполюсник любого типа. Не важно знать, что подразумевает понятие — просто уясним: существует целая группа h-параметров, среди которых имеется один важный занимающимся электроникой. Называется коэффициентом усиления по току с общим эмиттером. Обозначается, h31 (либо строчной греческой буквой бета).

Цифровая мнемоника плохо воспринимается человеческим глазом, поэтому было решено (за рубежом, понятное дело), что F будет обозначать прямое усиление по току (forward current amplification), тогда как E говорит, что измерение велось в схеме с общим эмиттером (которая применяется учебниками физики для иллюстрации принципов работы транзисторов биполярного типа). Схем включения много, каждая обладает достоинствами, параметры можно охарактеризовать через h31 (некоторые другие, упомянутые справочниками). Считается, если коэффициент усиления в норме, радиоэлемент 100% работоспособен. Теперь читатели знают, как проверяется p-n-p транзистор или n-p-n транзистор.

h31 зависит от некоторых параметров, указываемых инструкцией мультиметра. Напряжение питания 2,8 В, ток базы 10 мА. Дальше берутся графики технической документации (data sheet) транзистора, профессионал знает, как найти остальное. При включении режима hFE, подсоединении ножек биполярного транзистора в нужные гнезда на дисплее появляется значение коэффициента усиления прибора по току. Потрудитесь сопоставить справочным данным, сделав поправку на режим измерения (если понадобится). Только звучит сложно, достаточно пару раз сделать самостоятельно, добьетесь результатов.

Проверка транзисторов мультиметром: нештатный режим

Допустим, вызывает сомнение исправность транзистора полевого типа. Известный русский вопрос в электронике присутствует. Начинают думать… м-да.

• Полевой транзистор отпирается или запирается определенным знаком напряжения. Обсуждали выше. Если помните, говорили, при прозвонке на щупах тестера небольшое постоянное напряжение. Будем использовать в наших тестах. Пока транзистор на плате, сложно сделать измерения, стоит изъять из привычного окружения, как можно применить нестандартные методики. Оказывается, если приложить на электрод отпирающее напряжение, за счет некоторой собственной емкости транзистора область зарядится, сохраняя приобретенные свойства. Допускается прозвонить электроды между истоком и стоком. Сопротивление порядка 0,5 кОм покажет: полевой транзистор работоспособен. Стоит закоротить базу с другими отводами, проводимость исчезнет. Полевой транзистор закрылся и годен.
• Биполярные транзисторы, полевые с управляющим p-n переходом проверяют гораздо проще. В первом случае применяется схема замещения элемента двумя диодами, включенными навстречу (или наоборот спинками). Подадим отпирающее напряжение (p – плюс, n – минус), получив на измерителе сопротивления номинал 500 – 700 Ом. Можно также звонить, пользуясь слухом. Недаром на шкале часто нарисован диод. Прозвонка используется для проверки работоспособности. Напряжения хватает открыть p-n-переход.

Подготовка к проверке транзистора

Временами схватишь руками составной транзистор. Внутри корпуса находиться несколько ключей. Используется для экономии места при одновременном увеличении коэффициента усиления (причем в десятки, тысячи раз, если речь шла о каскадной схеме). Устроен так транзистор Дарлингтона. В корпус зашит защитный стабилитрон, предохраняющий переход эмиттер-база от перегрузки по напряжению. Тестирование идет одним путем:

• Нужно найти подробные технические характеристика транзистора (составного элемента). При нынешнем масштабе компьютеризации не составит проблемы. Даже если изделие импортное. Обозначения на схемах понятные, термины не сложные. Параметр hFE расписали.
• Затем ведется изучение, выполняется анализ. Разбиение схемы на более простые составляющие. Если между переходами коллектора и эмиттера включен стабилитрон, логично начать проверку с него. В начальный момент транзистор заперт, ток мультиметра пойдет, минуя защитный каскад. В одном направлении стабилитрон даст сопротивление 500-700 Ом, в другом (если не пробьется) будет обрыв. Аналогично разобьем на части транзистор Дарлингтона, если имеете представление (обсуждали выше).

Режим прозвонки покажет цифры. Говорят, падение напряжения, по некоторым сведениям, номинал сопротивления. Потрудимся привести опыты, решая вопрос. Вызвонить известный по значению сопротивления, заведомо исправный резистор. Если на экране появится номинал в омах, думать нечего. В противном случае можно оценить заодно ток (разделив потенциал дисплея на номинал). Знать тоже нужно, пригодится в процессе тестирования. До начала работ рекомендуется хорошенько изучить мультиметр. Достаньте инструкцию из мусорной корзины, прочитайте.

Народ интересуется вопросом, можно ли проверить транзистор мультиметром, не выпаивая. Очевидно, многое определено схемой. Тестер просто прикладывает напряжения, оценивает возникающие токи. На основе показаний вычисляется коэффициент усиления, служа критерием годности/негодности. Попробуйте проверить полевой транзистор мультиметром из входящих в состав процессора! Отбрось надежду всяк сюда входящий. Не всегда можно прозвонить полевой транзистор мультиметром.

Разбить биполярный транзистор на диоды

Рисунок, представленный среди текста, демонстрирует схему замещения транзистора двумя диодами. Позволит рассматривать усилительный элемент, представив суммой двух независимых более простых. Не обладающих усилением, проявляющих нелинейные свойства (неодинаковость прямого/обратного включения).

Мощные транзисторы силовых цепей бессилен открыть скудными силами мультиметр. Поэтому для тестирования устройств применяются специальные схемы. Нельзя проверить биполярный транзистор мультиметром напрямую.

Проверка условных диодов, замещающих транзистор

Методик несколько. Можно попробовать измерить сопротивление стандартной шкалой Ω. Красный щуп нужно прикладывать к p-области. Тогда дисплей мультиметра покажет цифру, меньшую бесконечности. В противоположном направлении результат будет нулевым. Мультиметр покажет обрыв. Нормальные результаты прозвонки диода.

Если пользоваться специальным режимом, экран показывает размер сопротивления в прямом направлении, обрыв (стандартно единичка в левом углу ЖК-экрана) в другом. Обратите внимание – рисунок содержит поясняющие надписи, куда прислонять щуп, получая открытый p-n переход. В обратном направлении прибор показывает обрыв.

Содержание:

В радиоэлектронике и электротехнике транзисторы относятся к одним из основных элементов, без которых не будет работать ни одна схема. Среди них, наиболее широкое распространение получили полевые транзисторы, управляемые электрическим полем. Само электрическое поле возникает под действием напряжения, следовательно, каждый полевой транзистор является полупроводниковым прибором, управляемым напряжением. Наиболее часто применяются элементы с изолированным затвором. В процессе эксплуатации радиоэлектронных устройств и оборудования довольно часто возникает необходимость проверить полевой транзистор мультиметром, не нарушая общей схемы и не выпаивая его. Кроме того, на результаты проверки оказывает влияние модификация этих устройств, которые технологически разделяются на п- или р-канальные.

Устройство и принцип действия полевых транзисторов

Полевые транзисторы относятся к категории полупроводниковых приборов. Их усиливающие свойства создаются потоком основных носителей, который протекает через проводящий канал и управляется электрическим полем. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, для своей работы используют основные носители заряда, расположенные в полупроводнике. По своим конструктивным особенностям и технологии производства полевые транзисторы разделяются на две группы: элементы с управляющим р-п-переходом и устройства с изолированным затвором.

К первому варианту относятся элементы, затвор которых отделяется от канала р-п-переходом, смещенным в обратном направлении. Носители заряда входят в канал через электрод, называемый истоком. Выходной электрод, через который носители заряда уходят, называется стоком. Третий электрод — затвор выполняет функцию регулировки поперечного сечения канала.

Когда к истоку подключается отрицательное, а к стоку положительное напряжение, в самом канале появляется электрический ток. Он создается за счет движения от истока к стоку основных носителей заряда, то есть электронов. Еще одной характерной особенностью полевых транзисторов является движение электронов вдоль всего электронно-дырочного перехода.

Между затвором и каналом создается электрическое поле, способствующее изменению плотности носителей заряда в канале. То есть, изменяется величина протекающего тока. Поскольку управление происходит с помощью обратно смещенного р-п-перехода, сопротивление между каналом и управляющим электродом будет велико, а мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, очень мала. За счет этого обеспечивается усиление электромагнитных колебаний не только по току и напряжению, но и по мощности.

Существуют полевые транзисторы, у которых затвор отделяется от канала слоем диэлектрика. В состав элемента с изолированным затвором входит подложка — полупроводниковая пластина, имеющая относительно высокое . В свою очередь, она состоит из двух областей с противоположными типами электропроводности. На каждую из них нанесен металлический электрод — исток и сток. Поверхность между ними покрывает тонкий слой диэлектрика. Таким образом, в полученную структуру входят металл, диэлектрик и полупроводник. Данное свойство позволяет проверить полевой транзистор мультиметром не выпаивая. Поэтому данный вид транзисторов сокращенно называют МДП. Они различаются наличием индуцированных или встроенных каналов.

Проверка мультиметром

Перед началом проверки на исправность полевого транзистора мультиметром, рекомендуется принять определенные меры безопасности, с целью предотвращения выхода транзистора из строя. Полевые транзисторы обладают высокой чувствительностью к статическому электричеству, поэтому перед их проверкой необходимо организовать заземление. Для снятия с себя накопленных статических зарядов, следует воспользоваться антистатическим заземляющим браслетом, надеваемым на руку. В случае отсутствия такого браслета можно просто коснуться рукой батареи отопления или других заземленных предметов.

Хранение полевых транзисторов, особенно с малой мощностью, должно осуществляться с соблюдением определенных правил. Одно из них заключается в том, что выводы транзисторов в этот период, находятся в замкнутом состоянии между собой. Конфигурация цоколей, то есть расположение выводов в различных моделях транзисторов может отличаться. Однако их маркировка остается неизменной, в соответствии с общепринятыми стандартами. Затвор по-английски означает Gate, сток — Drain, исток — Source, а для маркировки используются соответствующие буквы G, D и S. Если маркировка отсутствует необходимо воспользоваться специальным справочником или официальным документом от производителя электронных компонентов.

Проверку можно выполнить с помощью , но более удобной и эффективной будет прозвонка цифровым мультиметром, настроенным на тестирование p-n-переходов. Полученное значение сопротивления, отображаемое на дисплее, на пределе х100 численно будет соответствовать напряжению на р-п-переходе в милливольтах. После подготовки можно переходить к непосредственной проверке. Прежде всего нужно знать, что исправный транзистор обладает бесконечным сопротивлением между всеми его выводами. Прибор должен показывать такое сопротивление независимо от полярности щупов, то есть прикладываемого напряжения.

Современные мощные полевые транзисторы имеют встроенный диод, расположенный между стоком и истоком. В результате, при решении задачи, как прозвонить полевой транзистор мультиметром, канал сток-исток, ведет себя аналогично обычному диоду. Отрицательным щупом черного цвета необходимо коснуться подложки — стоку D, а положительным красным щупом — вывода истока S. Мультиметр покажет наличие прямого падения напряжения на внутреннем диоде до 500-800 милливольт. В обратном смещении, когда транзистор закрыт, прибор будет показывать бесконечно высокое сопротивление.

Далее, черный щуп остается на месте, а красный щуп касается вывода затвора G и вновь возвращается к выводу истока S. В этом случае мультиметр покажет значение, близкое к нулю, независимо от полярности приложенного напряжения. Транзистор откроется в результате прикосновения. Некоторые цифровые устройства могут показывать не нулевое значение, а 150-170 милливольт.

Если после этого, не отпуская красного щупа, коснуться черным щупом вывода затвора G, а затем возвратить его к выводу подложки стока D, то в этом случае произойдет закрытие транзистора, и мультиметр вновь отобразит падение напряжения на диоде. Такие показания характерны для большинства п-канальных устройств, используемых в видеокартах и материнских платах. Проверка р-канальных транзисторов осуществляется таким же образом, только со сменой полярности щупов мультиметра.

Данное устройство, схему которого легко собрать позволит проверить транзисторы любой проводимости, не выпаивая иx из схемы. Схема прибора, собрана на основе мультивибратора. Как видно из схемы, вместо нагрузочных резисторов в коллекторы транзисторов мультивибратора включены транзисторы противоположной основным транзисторам проводимостью. Таким образом, схема генератора представляет комбинацию мультивибратора и триггера.

Схема простого транзисторного тестора

Как видите схема транзисторного тестора проще некуда. Практически любой биполярный транзистор имеет три вывода, эмиттер-база-коллектор. Для того что бы он заработал, на базу необходимы подать небольшой ток, после этого полупроводник открывается и может пропускать через себя значительно больший ток через эмиттерный и коллекторный переходы.

На транзисторах T1 и T3 собран триггер, кроме того они являются активной нагрузкой транзисторов мультивибратора. Остальная часть схемы это цепи смещения и индикации испытуемого транзистора. Данная схема работает в диапазоне питающих напряжений от 2 до 5 В, а ее ток потребления изменяется от 10 до 50 мА.

Если использовать блок питания на 5 В, то для снижения тока потребления резистора R5 лучше увеличить до 300 Ом. Частота мультивибратора в этой схеме около 1,9 кГц. При этой частоте свечение светодиода выглядит как непрерывное.

Данное устройство для проверки транзисторов просто незаменимо для сервисных инженеров, так как позволяет существенно сократить время поиска неисправности. Если проверяемый биполярный транзистор исправен, то горит один светодиод, в зависимости от его проводимости. Если горят оба светодиода, то это происходит только из-за внутреннего обрыва. Если не горит ни один из них, то значит имеется замыкания внутри транзистора.

Приведенный рисунок печатной платы имеет размерами 60 на 30 мм.

Вместо заложенных в схему транзисторов можно использовать транзисторы КТ315Б, КТ361Б с коэффициентом усиления выше 100. . Диоды абсолютно любые, но кремниевые типа КД102, КД103, КД521. Светодиоды тоже любые.

Внешний вид собранного транзисторного пробника на макетной плате. Его можно разместить в корпусе от сгоревшего китайского тестера, надеюсь, эта конструкция понравится вам своим удобством и функциональностью.

Схема данного пробника достаточно проста для повторения, но будет достаточно полезна при отбраковки биполярных транзисторов.

На элементах ИЛИ-НЕ Д1.1 и Д1.2 выполнен генератор, который управляет работой транзисторного коммутатора. Последний предназначен для изменения полярности питающего напряжения на тестируемом транзисторе. С помощью увеличения сопротивления переменного резистора, добиваются свечения одного из светодиодов.

По цвету светодиода определяют структуру проводимости транзистора. Калибровку шкалы переменного резистора осуществляют с помощью заранее подобранных транзисторов.

Существуют два вида биполярных транзисторов : PNP -транзистор и NPN -транзистор.

На рисунке ниже структурная схема PNP-транзистора:

Схематическое обозначение PNP-транзистора в схеме выглядит так:

где Э – это эмиттер, Б – база, К – коллектор.

Существует также другая разновидность биполярного транзистора: NPN транзистор. Здесь уже материал P заключен между двумя материалами N.

Вот его схематическое изображение на схемах

Так как диод состоит из одного PN-перехода, а транзистор из двух, то значит можно представить транзистор, как два диода! Эврика!

Теперь же мы с вами можем проверить транзистор, проверяя эти два диода, из которых, грубо говоря, состоит транзистор. Как проверить диод , можно прочитать .

Проверяем исправный транзистор

Ну что же, давайте на практике определим работоспособность нашего транзистора. А вот и наш пациент:

Внимательно читаем, что написано на транзисторе: С4106. Теперь открываем поисковик и ищем документ-описание на этот транзистор. По-английски он называется “datasheet”. Прямо так и забиваем в поисковике “C4106 datasheet”. Имейте ввиду, что импортные транзисторы пишутся английскими буквами.

Нас больше всего интересует распиновка выводов транзистора, а также его вид: NPN или PNP. То есть нам надо узнать, какой вывод что из себя представляет. Для данного транзистора нам надо узнать, где у него база, где эмиттер, а где коллектор.

А вот и схемка распиновки из даташита:

Теперь нам понятно, что первый вывод – это база, второй вывод – это коллектор, ну а третий – эмиттер

Возвращаемся к нашему рисунку

Мы узнали из даташита, что наш транзистор NPN проводимости.

Ставим мультиметр на прозвонку и начинаем проверять “диоды” транзистора. Для начала ставим “плюс” к базе, а “минус” к коллектору

Все ОК, прямой PN-переход должен обладать небольшим падением напряжения. Для кремниевых транзисторов это значение 0,5-0,7 Вольт, а для германиевых 0,3-0,4 Вольта. На фото 543 милливольта или 0,54 Вольта.

Проверяем переход база-эмиттер, поставив на базу “плюс” , а на эмиттер – “минус”.

Видим снова падение напряжения прямого PN перехода. Все ОК.

Меняем щупы местами. Ставим “минус” на базу, а “плюс” на коллектор. Сейчас мы замеряем обратное падение напряжения на PN переходе.

Все ОК, так как видим единичку.

Проверяем теперь обратное падение напряжения перехода база-эмиттер.

Здесь у нас мультиметр также показывает единичку. Значит можно дать диагноз транзистору – здоров.

Проверяем неисправный транзистор

Давайте проверим еще один транзистор. Он подобен транзистору, который мы с вами рассмотрели выше. Его распиновка (то есть положение и значение выводов) такая же, как у нашего первого героя. Также ставим мультиметр на прозвонку и цепляемся к нашему подопечному.

Нолики… Это не есть хорошо. Это говорит о том, что PN-переход пробит. Можно смело выкидывать такой транзистор в мусор.

Проверка транзистора с помощью транзисторметра

Очень удобно проверять транзисторы, имея

Заключение

В заключении статьи, хотелось бы добавить, что лучше всегда находить даташит на проверяемый транзистор. Бывают так называемые составные транзисторы. Это значит, что в одном конструктивном корпусе транзистора могут быть вмонтированы два и более транзисторов. Имейте также ввиду, что некоторые радиоэлементы имеют такой же корпус, как и транзисторы. Это могут быть тиристоры, преобразователи напряжения или даже какая-нибудь иностранная микросхема.

Для проверки транзисторов имеется множество специализированных испытателей, измерителей и подобных им дорогостоящих приборов. Здесь рассказывается о том, как доступным прибором проверяется работоспособность или определится назначение выводов. Имеющееся у некоторых моделей специальное гнездо для подключения транзистора позволяет снять его характеристики, но для проверки работоспособности достаточно двух щупов со шнурами. Черный провод подключается на вход COM мультиметра, а красный включатся в гнездо измерения сопротивления. Включен режим измерения диодов, либо в режим измерения сопротивления на пределе 2000 Ом.

Важно иметь представление об устройстве и принципе работа проверяемого транзистора и доступ к справочным материалам.

Транзистором назван полупроводниковый радиоэлектронный компонент для преобразования тока в усилительном, когда большой выходной сигнал меняется пропорционально малому входному, или ключевом, когда транзистор полностью открыт или закрыт в зависимости от наличия входного сигнала, режимах. Применительно к технологии изготовления можно разделить на биполярные и полевые радиоэлементы. Биполярные компоненты бывают прямой (p-n-p) либо обратной (n-p-n) проводимости. Приборы полевые могут быть n-типа или p-типа, с изолированным или встроенным каналом.

Проверка исправности конкретного транзистора требует некоторых познаний в электронике. Достаточно просто прозвонить выводы транзистора как электрическую цепь, чтобы убедиться, что транзистор исправен. Щуп с черным проводом подключается на вход COM прибора. К входу измерения сопротивления подключен красный провод.

Как проверить биполярный транзистор мультиметром

Проверка биполярного транзистора мультиметром позволяет выявить неисправный компонент или определить расположение выводов (коллектор К, эмиттер Э и база Б). Чтобы знать, как проверить работоспособность, необходимо представить аналог схемы транзистора в виде двух встречно (p-n-p) или обратно (n-p-n) подключенных диодов со средней точкой, которая эквивалентна выводу базы. А оставшиеся два идентичны выводам эмиттера и коллектора. У транзисторов прямой проводимости на базе соединяются катоды («палочки» по схеме), а с обратной проводимостью аноды («стрелочки»). При подсоединении к аноду диода красного (плюсового провода), а черного к катоду тестер покажет на индикаторе какое-то значение. Если оно очень маленькое, значит, измеряемый диод пробит. А если очень большое, тогда диод в обрыве.

Нормальные значения сопротивления эмиттерного или коллекторного перехода лежат в пределах 0,4 — 1,6 кОм в зависимости от конкретного транзистора. Попарным соединением выводов транзистора с щупами мультиметра определяют пары выводов «Б-Э» и «Б-К». Сопротивление перехода К-Э всегда очень велико. Если пара не находится или сопротивление перехода коллектор-эмиттер небольшое, значит транзистор не исправен. Стоит учитывать, что сопротивление коллектора по отношению к базе всегда меньше сопротивления перехода Б-Э, что поможет определиться с цоколевкой исправной детали.

Вышесказанное справедливо как при проверке транзистора прямой проводимости, так и транзистора структуры n-p-n. В последнем случае измерения проводятся с подсоединением проводов тестера в обратной полярности.

Как проверить полевой транзистор

У полевых транзисторов выводы называются сток (С), исток (И) и затвор (З). Несмотря на то, что физика работы отличается от биполярного, при проверке на исправность также можно использовать диодный эквивалент схемы.

Схема проверки полевого транзистора p-типа аналогична испытанию с p-n-p. Перед проверкой необходимо соединить все выводы для разряда емкостей переходов. Сопротивление при подключении щупов к парам выводов «С, З» и «И, З» должно показываться только в одном из направлений. Подсоединяем черный щуп к выводу «С», а красный к вывод «И». Величину показанного сопротивления (400-700 Ом)нужно запомнить. После этого на секундочку соединяем красный провод с затвором, тем самым открывая переход. После этого замеряем сопротивление перехода. Его уменьшение говорит о том, что транзистор частично открылся. Теперь так же соединяем черный провод с выводом «З» и закрываем переход. Восстановление первоначального значения сопротивления перехода свидетельствует об исправности радиодетали. Отличие проверки полевика n-типа заключается только в перемене полярности подключения щупов прибора.

При тестировании полевых транзисторов с изолированным затвором проверяется отсутствие проводимости между затвором и истоком. Потом объединяем исток с затвором. Двухсторонняя проводимость появится у транзистора обедненного типа. У деталей обогащенного типа проводимость будет односторонняя.

Проверка мультиметром составного транзистора

Как проверить транзистор Дарлингтона? Проверить составной транзистор можно так же как биполярный, цифровым мультиметром с прозвонкой транзисторов в режиме проверки диодов. Отличие лишь в том, что прямое напряжение паре выводов Б-Э должно составлять 1,2-1,4 вольта. Если имеющийся прибор не может этого обеспечить, проверка невозможна. И тогда лучше воспользоваться элементарным пробником с использованием батареи 12 В, резистора номиналом 22 кОм включенного в базу и автомобильной лампочки мощностью 5 Вт. Далее подсоединяем «минус» источника к эмиттеру, а коллектор соединяем с лампой. Второй вывод лампы включаем в «плюс» батареи. Если подсоединить резистор к плюсовой клемме лампочка засветится. Теперь резистор переключаем на «плюс» — лампочка погасла. Это означает, что проверяемый транзистор исправен.

Как проверить транзистор, не выпаивая из монтажа

Проверить транзистор мультиметром можно после проверки схемы для выявления вероятного закорачивания выводов проверяемого элемента низкоомными резисторами. Если таковые обнаружатся, деталь для проверки придется выпаять. Если нет – проверка выполняется вышеописанными методами, но достоверность тестирования будет мала. Иногда достаточно отпайки вывода базы.

Полевые транзисторы лучше проверять отдельно от платы. Они очень чувствительны к статическому электричеству, поэтому необходимо пользоваться антистатическим браслетом.

Как проверить транзистор без мультиметра

Проверка транзистора без использования мультиметра возможна не всегда. Применение при измерениях лампочек и источников питания может с высокой вероятностью вывести из строя проверяемый элемент.

Проверка транзистора биполярного типа может быть сделана простейшей контролькой из батарейки 4,5 В, «минус» которой соединен с лампочкой от карманного фонаря. Попарно подключаете «плюс» и второй контакт лампы к выводам. Если при подключении в любой полярности к паре «К-Э» лампа не загорается — переход исправен. Подключить через ограничительный резистор «плюс» на «Б». Лампу поочередно соединяем с выводами «Э» или «К» и проверяем эти переходы. Чтобы протестировать транзистор другой структуры, изменяем полярность подключения.

Эффективно использовать для проверки транзисторов приборы, сделанные своими руками и схемы которых достаточно доступны.

Обеспечение устойчивости рабочей точки: Стабилизация режимов работы каскадов на полевых транзисторах с управляющим переходом

У полевых транзисторов с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом изменения температуры приводят к изменениям контактной разности потенциалов на \(p\)-\(n\)-переходе, обратного тока через переход, а также подвижности основных носителей заряда. Эти процессы имеют различное, иногда противоположное, влияние на характеристики транзистора в целом. Так, например, контактная разность потенциалов уменьшается при увеличении температуры, что приводит к уменьшению сопротивления управляющего перехода, увеличению напряжения отсечки и, соответственно, к росту тока через канал. Но с другой стороны, при увеличении температуры подвижность основных носителей заряда в полупроводнике уменьшается, т.е. сопротивление канала будет расти, а ток через него будет падать. При определенных условиях действие нескольких противоположных физических явлений может взаимно компенсироваться, и ток в канале полевого транзистора с управляющим переходом окажется неподвержен влиянию температурных колебаний. Точку на сток-затворных (передаточных) характеристиках полевого транзистора, в которой ток не зависит от температуры, называют термостабильной точкой. На рис. 2-2.16 показаны передаточные характеристики \(n\)-канального полевого транзистора с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом для различных значений температуры. Из этих характеристик видно, что с ростом температуры напряжение отсечки полевого транзистора увеличивается (по модулю), ток через канал с одной стороны от термостабильной точки растет, а с другой — падает, крутизна характеристики передачи уменьшается на всем ее протяжении (заметим, что уменьшение крутизны характеристики передачи транзистора приводит к заметному падению с ростом температуры общего коэффициента усиления каскада на полевом транзисторе, компенсация такого падения возможна с помощью цепей обратной связи).   Рис. 2-2.16. Влияние температуры на сток-затворные (передаточные) характеристики полевого транзистора с управляющим переходом   Обычно рабочую точку каскада на полевом транзисторе с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом выбирают несколько выше термостабильной точки. Так что при повышении температуры ток стока транзистора незначительно падает, предотвращая саморазогрев, характерный для биполярных транзисторов при повышении температуры коллекторного перехода. Важной, но достаточно редко упоминаемой, особенностью полевых транзисторов с управляющим переходом является большое влияние температуры на входные характеристики. Обычно говорится, что сопротивление обратносмещенного управляющего \(p\)-\(n\)-перехода очень велико, а это позволяет строить высокочувствительные схемы, в которых величина входного тока лежит в пикоамперном диапазоне. Все это так лишь до тех пор, пока температура перехода не превышает комнатную (15…25 °C). Обратный ток управляющего перехода резко (фактически экспоненциально) нарастает с ростом температуры (грубо говоря можно считать, что он удваивается на каждые 10 °C). Это приводит к тому, что входной ток (ток затвора в схемах с ОИ и с ОС) усилительного каскада на полевом транзисторе с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом при температуре 50…60 °C может превысить входной ток аналогичного каскада на биполярном транзисторе (напомним, что ток утечки базы биполярного транзистора с ростом температуры имеет даже незначительную тенденцию к понижению). Дополнительное негативное влияние оказывает снижение общего коэффициента усиления каскада с ОИ или с ОС, обусловленное уменьшением входного сопротивления. Гораздо меньшее значение указанные эффекты имеют для схемы с общим затвором. Учитывая все описанные выше физические процессы, легко понять, какое влияние оказывают изменения температуры на стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (рис. 2-2.17). Очевидно, что снижение крутизны характеристики передачи с ростом температуры будет приводить к смещению стоковых характеристик в область более низих величин тока стока, а также к их более плотному расположению в этой области.   Рис. 2-2.17. Влияние температуры на стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с \(p\)-\(n\)-переходом   На практике, для компенсации температурных изменений характеристик полевых транзисторов в схемы смещения в большинстве случаев вообще не приходится вносить каких-либо изменений. Обусловлено это, во-первых, меньшей температурной зависимостью этих параметров по сравнению с биполярными транзисторами, во-вторых, как уже было указано, правильным выбором исходной рабочей точки по постоянному току (в районе термостабильной точки транзистора) и эти незначительные зависимости можно свести к минимуму. И наконец, в представленных на рис. 2-2.6, 2-2.9, 2-2.13, 2-2.15 цепях смещения для полевых транзисторов с управляющим переходом уже присутствует элемент, обеспечивающий отрицательную обратную связь, стабилизирующую рабочую точку каскада. Таким элементом является сопротивление \(R_И\) в цепи протекания тока истока. Его роль совершенно аналогична роли сопротивления в цепи протекания эмиттерного тока в каскадах на биполярных транзисторах. Остановимся на этом несколько подробнее. Во всех указанных схемах (рис. 2-2.6, 2-2.9, 2-2.13, 2-2.15) падение напряжения на резисторе \(R_И\) при протекании через него тока истока \(I_И\) оказывает определяющее влияние на напряжение на управляющем переходе транзистора \(U_{ЗИ}\). Причем падение тока истока \(I_И\) (а соответственно и тока стока \(I_С\)) приводит к уменьшению падения напряжения на резисторе \(R_И\). Это, в свою очередь, означает, что уменьшится абсолютная величина напряжения обратного смещения, приложенного к управляющему переходу \(U_{ЗИ}\), т.е. увеличится электропроводность канала транзистора, и ток через него возрастет, вернувшись на прежний уровень. При увеличении тока истока имеют место аналогичные процессы, но в противоположном направлении. Очевидно, что наличие отрицательной обратной связи в каскаде усиления оказывает влияние не только на его параметры по постоянному току. В рабочей полосе частот это приводит к понижению общего коэффициента усиления, понижению уровня нелинейных искажений и расширению динамического диапазона каскада. Иногда эти воздействия оказываются полезны, а иногда от них стремятся избавиться. Самым простым и распространенным методом является шунтирование истокового резистора конденсатором, чье сопротивление в рабочей полосе частот усилителя оказывается пренебрежимо малым по сравнению с сопротивлением резистора \(R_И\). Пример такой схемы приведен на рис. 2-2.18. Заметим, что данный метод во всем аналогичен тому, как устраняют влияние резистора в цепи эмиттера в каскадах на биполярных транзисторах.   Рис. 2-2.18. Шунтирование истокового резистора конденсатором для устранения его влияния на коэффициент усиления в рабочей полосе частот каскада   Условия эксплуатации и предъявляемые требования к стабильности рабочей точки усилительного каскада могут быть очень разнообразными. Поэтому обратная связь по току, реализуемая с помощью резистора в цепи протекания тока истока, хотя и является универсальным средством, но не всегда может быть достаточна для надежной и стабильной работы каскада. Особенно в тех случаях, когда принятая рабочая точка транзистора значительно отклоняется от его термостабильной точки (это часто имеет место в каскадах, рассчитанных на высокие, близкие к предельно допустимым, уровни сигналов, например, в выходных каскадах усилителей низкой частоты или в усилителях мощности). В таких ситуациях в дополнение к ООС по току для компенсации температурных и иных воздействий в каскадах на полевых транзисторах могут применятся все те же решения, которые были разработаны для схем на биполярных транзисторах. В первую очередь, это, конечно, параметрическая компенсация с помощью терморезисторов с правильно подобранным температурным коэффициентом сопротивления. Но терморезисторы никак не могут защитить от нетемпературных внешних воздействий, например, от изменения питающих напряжений. Поэтому не редким является и применение параллельной ООС по напряжению, реализуемой за счет подключения одного из резисторов входного делителя напряжения не напрямую к источнику питания, а через контур протекания тока стока (рис. 2-2.19). При таком включении увеличение тока через канал транзистора вызывает уменьшение напряжения, подаваемого на затвор, и, как следствие, увеличение обратного смещения на управляющем переходе затвор—исток — ток через канал падает, возвращаясь к своему прежнему уровню.   Рис. 2-2.19. Использование ООС по напряжению в схеме смещения полевого транзистора с управляющим переходом   Чтобы устранить влияние ООС по напряжению на сигналы в рабочем диапазоне частот в рассматриваемом случае, так же, как и в схеме с ООС по току, используют шунтирующие конденсаторы (рис. 2-2.20).   Рис. 2-2.20. Устранение влияния ООС по напряжению и току на сигналы в рабочем диапазоне частот усилителя с помощью шунтирующих конденсаторов   Для достижения оптимальных характеристик на практике чаще всего применяются разнообразные комбинированные схемы, в которых в зависимости от условий эксплуатации и назначения конкретного каскада подбирается глубина и устанавливается разумный баланс между разными видами ООС (рис. 2-2.21).   Рис. 2-2.21. Пример комбинированной схемы смещения полевого транзистора с управляющим переходом (здесь глубина ООС по напряжению зависит от соотношения номиналов резисторов \(R_{С1}\), \(R_{С2}\)   Особенности физических процессов, протекающих в полевых транзисторах при колебаниях температуры, как правило позволяют обеспечить стабильность рабочей точки по постоянному току гораздо легче, чем это имеет место в каскадах на биполярных транзисторах. Однако здесь преобладает проблема иного характера. Крутизна характеристики передачи в полевых транзисторах значительно изменяется при колебаниях температуры (уменьшается при разогреве). В большей степени этот эффект выражен у МДП приборов, но и у полевых транзисторов с управляющим переходом он достаточно заметен. В конечном счете крутизна характеристики передачи непосредственно определяет общий коэффициент усиления каскада. Иногда его колебания могут оказаться вредны и приводить к общей неустойчивости усилителя в определенных внешних условиях. Поэтому в схемах с полевыми транзисторами часто приходится применять специальные методы, компенсации температурного изменения крутизны характеристики передачи. Самым простым и эффективным решением является охват усилителя цепями обратной связи. Это могут быть как цепи обратной связи, охватывающие сразу весь многокаскадный усилитель, так и отдельные цепочки внутрикаскадных обратных связей. Более подробно возможные способы введения обратных связей в различные усилительные каскады на полевых транзисторах мы будем рассматривать позднее. Однако здесь мы опишем одну важную возможность. Существуют (хотя и достаточно редки) полевые транзисторы с управляющим переходом, в которых выполнен отдельный вывод от подложки кристаллической структуры (от той части полупроводника, в которой располагается канал). В таких транзисторах возможно очень эффективное управление крутизной передаточной характеристики путем подачи управляющего напряжения между истоком и подложкой. Фактически подложка играет роль второго затвора, напряжение на котором оказывает такое же влияние на ток в канале, как и напряжение на первом (основном) затворе. Описанная конструкция полевого транзистора позволяет вводить в каскад цепи коррекции коэффициента усиления, которые в случае его падения (например, при повышении температуры) обеспечивают изменение (в нашем случае уменьшение) напряжения между подложкой и истоком, что приводит к обратному процессу — увеличению коэффициента усиления каскада. Такой метод удобен для нейтрализации не только температурных влияний, но и любых других внешних факторов, способных оказать воздействие на коэффициент усиления каскада. На рис. 2-2.22 приведен пример усилительного каскада на \(n\)-канальном полевом транзисторе с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом и отдельным выводом подложки (например, это может быть транзистор КПС315 или КПС316). В данной схеме включена цепочка, которая обеспечивает коррекцию напряжения \({U_{ПИ}}_0\) между подложкой и истоком в случае изменения температуры. Используется метод параметрической стабилизации на основе прямосмещенного диода \(VD1\). При увеличении температуры падение напряжения на прямосмещенном диоде \(VD1\) уменьшается, увеличивается ток через делитель напряжения \(R3\), \(R4\), а следовательно, увеличивается напряжение между подложкой и корпусом схемы. Таким образом, отрицательное относительно истока напряжение на подложке по абсолютной величине уменьшается, что приводит к росту крутизны передаточной характеристики транзистора и возвращению коэффициента усиления каскада к необходимому уровню. Конденсаторы \(C1\), \(C2\) предотвращают влияние цепей смещения на сигналы в рабочем диапазоне частот усилительного каскада.   Рис. 2-2.22. Усилительный каскад на полевом транзисторе с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом и отдельным выводом от подложки с цепью коррекции температурных колебаний коэффициента усиления   Следует понимать, что описанный метод коррекции становится возможным только при условии некоторого резервирования усилительной способности транзистора за счет работы при ненулевом напряжении между подложкой и истоком. Когда требуется обеспечить максимально возможный коэффициент усиления каскада не взирая на прочие условия, все приведенные цепи коррекции оказываются вредны, а единственно возможным решением является соединение выводов подложки и истока. Полевые транзисторы известны как приборы с невероятно большим числом разновидностей. Выше мы рассмотрели только наиболее распространенные виды транзисторов с управляющими \(p\)-\(n\)-переходами. Схемы задания смещения для полевых транзисторов с управляющими переходами Шоттки или гетеропереходами в большинстве случаев идентичны приведенным схемам. Упомянем также еще один достаточно редкий подвид — двухзатворные транзисторы с управляющими переходами. В них имеется два управляющих перехода, каждый из которых выполняет ту же функцию, что и единственный управляющий переход обычного транзистора. Т.е. мы можем управлять характеристиками транзистора аналогично тому, как это было описано для транзистора с отдельным выводом от подложки. Если кто-то еще не догадался, уточним: конечно же есть транзисторы с двумя затворами и отдельным выводом от подложки (например, КП322). Ясно, что с характеристиками таких приборов мы можем делать практически все что угодно.     < Предыдущая   Следующая >

Я радиолюбитель. Азбука схем. Часть 2.

	Для усиления и генрации сигналов обычно служат биполярные транзисторы. Транзистор представляет два, встречно включенных p-n перехода с очень тонким средним общим слоем, называемым БАЗОЙ. Два других слоя называют КОЛЛЕКТОРОМ И ЭМИТТЕРОМ соответсвенно.
	Транзисторы могут быть, в соответствии с используемымм слоями, n-p-n или p-n-p типа. Малый ток базы, создаваемый небольшим базовым источником питания, уменьшает границы тонкого базового слоя и соответственно сопративление перехода коллектор-эмиттер. Т.о. возникает ток создаваемый коллекторным источником, пропорциональный базовому.
n-p-n	Проверить работоспособность транзистора можно просто прозвонив его тестером, т.к. по сути он представляет два встречно включенных диоода.
p-n-p	Проверить работоспособность транзистора можно прозвонив его простто тестером, т.к. по сути он представляет два встесно включенных диоода.
	Для правильной работы транзистора необходимо задать его рабочую точку с помощью резистивных цепей. Для этого резистивным делителем Rб1,Rб2 создается такой базовый ток, чтобы ток коллектора обеспечил падение напряжения на резисторе Rк равное примерно половине напряжения питания. Iб=Iвх; Iк=Iвых
	Тогда , а статический коэффициен усиления транзистора . Таким образом, связаны коллекторный и базовый токи транзистора.
	Нормальная работа схемы обеспечивается заданием режимов транзистора. Как было сказано выше это обеспечивается специальными схемами включения триодов, обеспечивающих рабочую точку. Это стандартная схема стабилизации режимов. Делитель R1,R2 обеспечивает задание начального смещения на базе транзистора. R4 стоит в цепи отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току и повышает стабильость работы. R3 — резистор нагрузки. Конденсаторы C1 и C2 разделительные. C3 — блокировочный, он шунтирует R4 по переменному току для поднятия усиления.
	Однако такое включение приводит к уменьшения входного и увеличению выходного сопративлений каскада. Коэффициент же усиления хоть становится большим, но сильно зависит от параметров данного транзистора. Для повышения повторяемости введем резистор R5. Его номинал 100-500 Ом. Такое включение позволяет за счет ООС повысить входное сопративление. Оно примерно будет равно R5Хh31. Коэффициент усиления примерно можно расчитать по формуле К=R3/R4.
	Впрочем, задать рабочую точку транзистора можно просто задав базовый тока транзистора ограничев его резистором R1. С R2 снимаеся выходной сигнал. Конденсаторы С1 и С2 необходимы для развязки по посточнному току. Схема вполне работоспособна, но конкретно для каждого транзистора необходим подбор своего номинала R1.
	Схема с коллекторно-эмиттерной стабилизацией режимов работы дает более стабильные результаты. Небольшой резистор R3 служит для стабилизации режимов по постояному и переменному току, повышению входного соративления каскада. С достаточной степенью точности входное сопративление Rвх=R3Хh31, а коэффициент усиления К=R2/R3.
	Повторитель (включение с общим коллектором — ОК). Постулат: Напряжение Uбэ у кремниевых транзисторов не может превышать напряжение 0,6В. (Если превысило болше, чем на 0,1В — меняй транзистор). Следовательно выходное напряжение, снимаемое с разделительнорго конденсатора C2, будет с большой точностью повторять входное, подаваемое через разделительный кондкенсатор C1. Входное сопративление каскада примерно Rвх=R3Хh31, выходное Rвых=R3/h31 Каскад служит для согласования устройств как входной или выходной.
	При достаточно больших номиналах R3 суммарное сопративление делителя R1,R2 (по переменному ттоку включеных параллельно) начинает ограничивать входное сопративлении каскада. избежать это влияние можно введя цепь R4C4.
	Фазоинвертор очень просто построить по схеме при R3=R4 (т.к. коэффициент усиления каскада равен K=R3/R4=1, а сигнал снимаемый с коллектора противофазен входному).
	Иногда транзистор включают по схеме с общей базой (ОБ). Такой каскад имеет наибольшую полосу пропускания. Часто используется как динамическая нагрузка.
	Очень хорошие результаты показывает каскад из двух комплементарных транзисторов. VT1 работает как входнгой повторитель и усилитель сигнала, а VT2 является его нагрузкой и одновременно обеспечивает низкое выходное сопративление. Коэффицтент усиления K=R2/R3. R1 обеспечивает установку рабочей точки каскада. Конденсаторы C1 и C2 разделиьельные. Впрочем все не так просто, но распишу потом подробно.
	Полевой транзистор устроен очень просто. Полупроводниковый канал,, который управляется полем, приложенным к затвору. Схема с общим истоком (ОИ). Коэффициент усиления примерно Kус=R2/R3.
	Тек выглядит схема с общим стоком (повторитель).
	Полевые транзисторы бывают и с изолированным затвором. Но схемотехнических больших отличий я не знаю. Вот повторитель — схема ОС.
	Так выглядит фазоинверттор. Каскад с прямым и инверсным выходами и коэффициентом усиления Кус=1.
	Очень интересно совместное применение полевого и биполярного транзистора. Можно подобрать транзисторы с разным знаком температурных коэффициентов. Тогда мы получаем идеальный термостабильный входной каскад для устройств измерительной техники с большим входным сопротивлением. Коэффициент усиленния примерно Kус=R2/R3.
	То же самое, но полевой транзистор с изолированным затвором.
	Применение электронных ламп ничем не отличаеися от применения полевых транзисторов, только анодное напряжение может достигать нескольких сотен вольт и даже киловольт. Триод.
	Если ввести еще одну сетку получится тетрод.
	Очень мудрая и очень распространенная схемка.
	11
	11X

Транзистор коэффициент усиления — Справочник химика 21

    Основными параметрами транзистора являются коэффициент усиления по току [13] [c.464]

    Изменение коэффициента усиления достигается сменой числа каскадов усиления. Для обеспечения постоянной температуры в усилителе применены кремниевые транзисторы типа 2Т306Г и 2Т315Б с малыми обратными токами. [c.23]

    Автор измерял увеличение тока анодного растворения германия Дг в зависимости от тока инъекции дырок 1р. По аналогии с плоскостным сплавным транзистором коэффициент усиления по току  [c.71]

    В качестве усилителя сигнала в приборе используется транзисторный усилитель с непосредственной связью. Напряжения на коллекторах транзисторов УТЗ и УТ4 в этой схеме равны напряжениям база—эмиттер последующих транзисторов. Напряжения между базами и коллекторами транзисторов УТЗ и УТ4 приблизительно равны нулю и мало зависят от температуры. Это обеспечивает высокую температурную стабильность усилителя. Введение в схему отрицательной обратной связи по постоянному току (цепь С5, ЯП, Я12, С4) значительно стабилизирует режим всего усилителя. Конденсатор С4 устраняет параллельную обратную связь по переменному току, которая снижает коэффициент усиления усилителя и его входное сопротивление. Для дополнительной стабилизации характеристик усилителя и повышения его входного сопротивления предусмотрена возможность введения отрицательной обратной связи по току включением в схему резисторов обратной связи Я13, Я14. [c.300]

    Несмотря на простоту, усилитель имеет высокие качественные показатели коэффициент усиления по напряжению 50—8000 (в зависимости от сопротивлений R13, R14), рабочий диапазон температур от —15 до 50 °С, стабильность коэффициента усиления в рабочем диапазоне температур не хуже 2 %, уровень шумов не более 5 мкВ. По сравнению с усилителем, выполненным по обычной схеме, усилитель с непосредственной связью имеет вдвое меньше резисторов и втрое меньше электролитических конденсаторов при примерно равных качественных показателях. Глубокая обратная отрицательная связь по постоянному току обеспечивает высокую температурную стабильность усилителя, а малые напряжения между базами и коллекторами транзисторов первых его каскадов —низкий уровень шумов. Усилитель легко налаживается, для этого достаточно подобрать сопротивление всего двух резисторов R11 и R12 так, чтобы постоянное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT6 было равно половине напряжения, подаваемого на коллектор этого транзистора. При этом автоматически устанавливается оптимальный режим работы усилителя и его удается наладить вольтметром постоянного тока или логометром. [c.302]

    При использовании индуктивной высокочастотной коррекции последовательно с активным сопротивлением нагрузки включается корректирующая катушка. Эффективная площадь усиления транзистора возрастает, что может быть использовано для увеличения не только полосы пропускания, но и коэффициента усиления. Такая схема коррекции амплитудно-частотной характеристики каскада может давать всплеск на высоких частотах (из-за появления колебательного контура), поэтому необходимо оптимальным образом рассчитывать величину индуктивности. Используя такую цепь коррекции в промежуточном каскаде, одновременно с повышением коэффициента усиления можно компенсировать частотную неравномерность входного сопротивления следующего каскада. [c.139]

    При разработке широкополосных импульсных усилителей, особенно мало-шумящих, необходимо оптимальным образом выбирать положение рабочей точки транзистора с учетом обеспечения минимума шумов и максимума коэффициента усиления. [c.140]

    Оценим эту величину. Максимальное регистрируемое без искажений значение напряжения сигнала на выходе усилителя близок к напряжению питания, составляющего обычно для предварительного усилителя сигналов преобразователя величину порядка 10 В. Для линейного детектирования с помощью прецизионных детекторов на операционных усилителях необходима величина сигнала порядка 1 мВ. Следовательно, динамический диапазон (отношение максимального сигнала к минимальному) составит 10 ООО. Если коэффициент усиления Усилителя составляет 100 (характерное значение), то напряжение максимального неискажаемого входного сигнала составит 0,1 В (100 мВ), а минимальное — 10 мкВ. Оценим величину электрического шума входного каскада. Приняв, что на входе усилителя сигналов пьезопреобразователя использован полевой транзистор с шумовым напряжением порядка 2 нВ/ /Гц (типовое значение для рассматриваемого частотного диапазона), для полосы частот 10 кГц ползучим шумовое напряжение 200 нВ — величину, которой можно [c.135]

    На рис. 1-39,а показана простейшая схема параметрического стабилизатора тока, построенного на использовании лампы в качестве автоматически управляемого сопротивления. На рис. 1-39,6 показана схема простого стабилизатора тока, выполненного по компенсационной схеме, а на рис. 1-39,е — транзисторный аналог. Следует заметить, что для получения больших токов и качественного улучшения стабилизации применяются более сложные схемы, содержащие усилители с большим коэффициентом усиления и мощные регулирующие элементы, получаемые в результате параллельного включения и применения составных транзисторов. [c.86]

    Операционные усилители. Эти элементы представляют собой сложную схему, состоящую из десятков транзисторов, резисторов, конденсаторов и диодов. Схемное обозначение операционных усилителей ОУ показано на рис. 35. Операционные усилители имеют клеммы для подключения источника питания + Ел и —Яп), две входных Вх1 и Вх2) и выходную клемму. При подаче сигнала на клемму Вх1 (—) выходной сигнал будет в противофазе со входным, а при использовании клеммы Вх2 ( + ) сигнал на клемме Вых. будет той же фазы, что и входной. Коэффициент усиления, т. е. отношение выходного сигнала к входному без дополнительных элементов, очень велик (несколько десятков тысяч). Основное применение ОУ — создание высокоточных линейных усилителей, а также устройств, реализующих некоторые нелинейные зависимости выходного сигнала от входного например, квадратную зависимость у = х ). [c.76]

    У современных транзисторов статический коэффициент усиления по току р= А1 к/А1б достигает нескольких сотен. На линейном участке сигнал Увых по форме такой же, как и и вх> но больше по амплитуде. Коэффициент усиления по напряжению составляет несколько единиц или десятков. [c.82]

    Необходимую чувствительность прибора обеспечивает трехкаскадный усилитель на транзисторах с коэффициентом усиления 4000—6000. Источником питания усилителя является сухой элемент типа ФБС напряжением 1,4 В. Регулятор чувствительности позволяет установить наиболее выгодный режим работы усилителя при разных уровнях сигнала. На частотах ниже 100 Гц транзисторы работают значительно хуже, поэтому после усилителя еще больше ослабляется сигнал промышленной частоты. [c.125]

    Основными параметрами транзисторов, определяющими гарантированную работу в схемах, являются коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером р, начальный ток коллектора /кн, обратный ток коллектора /ко, обратный ток эмиттера /эо, максимально допустимая мощность рассеивания коллектором при естественном охлаждении Р ах- [c.247]

    Известен ряд комбинированных полупроводниковых приборов, таких, как фототранзисторы или фото-ПТ, в которых управляющая функция транзистора задается излучением. Их характеристики подобны характеристикам фотодиодов с большей чувствительностью благодаря повышенному коэффициенту усиления. Одним из недавних достижений в этой области является изготовление линейного ряда из большого числа фотодиодов, расположенных близко друг к другу на единой подложке, что позволяет одновременно измерять интенсивность излучения [c.567]

    В высокочастотных усилителях используют два варианта схем включения транзисторов с общим эмиттером и общей базой [501. Эти схемы аналогичны ламповым с общим катодом и общей сеткой. Схема с общим эмиттером (рис. 19) имеет больший коэффициент усиления мощ-. i пости и меньшую реакцию выходной цепи на входную, -i Для расчета схем условимся считать положительным на- «I— [c.65]

    Транзистор может быть проверен и с помощью тестера по шкале омметра (рис. 1.4, в). При проверке с помощью тестера ТТ-1 коэффициент усиления триода определяется по формуле [c.35]

    КОЛЬЦО с небольшой магнитной проницаемостью. Коэффициент усиления транзистора составляет 20—25, а Тз — 40—100. [c.130]

    Для обеспечения требуемого входного сопротивления и уменьшения шумов входные лампы в обоих усилителях работают в режиме малых токов с низкими сопротивлениями нагрузки, что снижает коэффициент усиления каскада. Для увеличения усиления в схеме на рис. 3.28 служит второй ламповый каскад с трансформаторным выходом для согласования с нагрузкой. В усилителе, показанном на рис. 3.29, согласование с нагрузкой обеспечивается эмиттерным повторителем, а для повышения усиления вводится положительная обратная связь с выхода эмиттерного повторителя в общую точку, разделенной анодной нагрузки Я2 через конденсатор С1. Для усиления слабых фототоков наиболее эффективны полевые транзисторы, имеющие весьма малые шумы и обеспечивающие высокое входное сопротивление [25], и интегральные схемы [54]. [c.120]

    Выбрав транзистор, определяют коэффициент усиления р = обратный ток коллектора /ко = К02 (по техническим условиям или экспериментальным путем [17]). Ток / о сильно зависит от температуры, поэтому ток коллектора /кн должен превосходить /ко [c.157]

    Для достижения устойчивости работы НС- и НЬ-авто-генератора большое значение имеет цепь обратной связи. В различных типах автогенераторов фазовращающие НС- или НЬ-цепп могут быть включены или в тракт положительной обратной связи (П.О.С.) — Ц пь, или в тракт отрицательной обратной связи (О.О.С.) — р-цепь (рис. 1.3). Если НС- или / -колебательная цепь введена в цепь П.О.С., то для улучшения характеристик автогенератора в него специально вводят О.О.С., которая позволяет расширить интервал генерируемых частот, повысить стабильность частоты, улучшить частотную и амплитудную характеристики генератора. Введение О.О.С. приводит к необходимости несколько повысить коэффициент усиления усилителя К, но это достигается легко — выбором соответствующих характеристик усилительных элементов (ламп или транзисторов) [c.13]

    Одновременно увеличивается коэффициент подавления синфазной помехи, которая возникает, когда усилитель является дифференциальным, т.е. имеет два входа. При использовании малошумящих полевых транзисторов Г1 и Г, с коллекторным током 0,1 мА коэффициент усиления каскада по напряжению составляет 5-10 , а подавление синфазной -помехи-порядка 90 дБ. Чтобы сохранить достигаемое в [c.51]

    Указывается на изменение коэффициента усиления диффузионных и сплавных р—и-транзисторов после обработки их в замещенных силанах и влияние структуры полимера на параметры и стабильность полупроводниковых приборов [1511. Полимер с длинной цепью уменьшает обратные токи [c.452]

    Электрический сигнал, снимаемый с анода фотоумножителя, мож о непосредственно подавать на осциллограф. При этом сопротивление анодной нагрузки подбирается исходя из длины и волнового сопротивления кабеля так, чтобы не было затяжки электрического сигнала. Иногда для согласования высокого выходного сопротивления ФЭУ с низкоомным кабелем используется катодный повторитель, называемый усилителем мощности, который имеет высокое входное сопротивление и низкоомный выход. Аналогичные эмиттерные повторители, собранные на транзисторах, хотя и занимают мало места, но менее предпочтительны из-за высокого коэффициента шумов. Усиление сигнала при помощи вертикального усилителя осциллографа возможно при наличии дифференциального усилителя, позволяющего компенсировать отклонение нулевой линии. [c.185]

    Таким образом, при включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером в усилительном (линейном) режиме в пределах участка ВС происходит многократное усиление сигнала по току и напряжению с соответствующими коэффициентами уси- [c.29]

    Сочетая высокое входное сопротивление электронных ламп с усилением мощности с помощью транзисторов, можно получить усилители постоянного тока с хорошими параметрами. На рис. 1П.17 приведена схема усилителя, обладающего высоким входным сопротивлением и большим коэффициентом усиления дрейф нуля не превышает 0,25 мв/ч и 1 мв1град. [c.94]

    Длительность импульсов регулируется конденсаторами С —С . На выходе усилителя примекен эмиттерный повторитель, необходимый для согласования нагрузок. Измерения проводят методом сравнения известной Сд—Сд и неизвестной (С ) емкостей. Измеряемая емкость будет равна контрольной, умноженной на отношение показаний прибора. Схема не критична к коэффициентам усиления транзисторов, которые могут быть в пределах 20—120. Вместо триодов П401 можно применять триоды П15 или П14. Прибор позволяет измерять емкости от 100 пф до 1 мкф. [c.193]

    Простые регуляторы могут быть выполнены с применением полупроводниковых триодов. Комбинация транзисторного усилителя на входе и лампового на выходе позволяет согласовать низкоомный мост с высокоомным входом лампового усилителя и получить большой коэффициент усиления На рис. XIII.34 приведена схема, в которой чувствительный элемент (термистор КМТ-1) входит в измерительный мост, питаемый переменным током. Сигнал разбаланса усиливается двухкаскадным усилителем, выходной каскад является фазочувствительным. Режим транзистора подобран так, что при балансе моста на сетке лампы имеется смещение в 1 в. Точность регулирования температуры 0,05° С. [c.421]

    При необходимости работы с высокоомным источником сигнала постоянного тока можно воспользоваться усилителем [58], схема которого приведена на рис. 3.35. Для повышения входного сопротивления первый каскад собран иа полевом транзисторе типа КП102Е. Входное сопротивление этого усилителя на низких частотах составляет 10—50 МОм, среднее значение температурного дрейфа нуля — 50—100 мкВ/°С, коэффициент усиления по мощности — 75—90 дБ, максимальное неискаженное выходное напряжение — пе ниже 12 В. [c.123]

    Бесконтактный регулятор напряжения БРНЗ-В. Этот регулятор является модификацией ряда регуляторов БРНЗ. В схеме регулятора (рис. 137) можно условно выделить измерительный и регулирующий органы. Измерительный орган, предназначенный для измерения отклонения напряжения выше установленного значения, собран по мостовой схеме. Три плеча моста образуют резисторы / /, Ш, Я2 (потенциометр), КЗ и К4, четвертое плечо состоит из стабилитронов ДЗ (Д6), Д4 и Д5. На одну диагональ моста подается напряжение сглаженное конденсатором С1, а в другую диагональ моста включен переход эмиттер-база транзистора Т/. Коэффициент усиления мостовой измерительной схемы мал, поэтому в цепь стабилитронов включены [c.160]

    Узел согласования представляет собой один или несколько ключевых транзисторов, преобразующих уровень информационного сигнала. Основные требования к узлу согласования — высокий коэффициент усиления по току и повышенное быстродействие. [c.172]

---

Мощный полевой транзистор свч

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве активных элементов СВЧ-устройств различного назначения и, прежде всего, в монолитно интегральном исполнении.

Выходная мощность и коэффициент усиления по мощности (далее коэффициент усиления) — одни из основных выходных параметров мощных полевых транзисторов СВЧ.

Возможные пути их повышения —

— снижение теплового и паразитного электрического сопротивлений,

— увеличение ширины электрода затвора,

— снижение паразитных емкостей.

С целью увеличения ширины электрода затвора используют многозатворную конструкцию мощного полевого транзистора СВЧ [1, 2, 3, 4].

При этом, с одной стороны, чем больше ширина общего электрода затвора, тем выше выходная мощность полевого транзистора.

Однако, с другой стороны, имеется ряд ограничений, а именно:

— при достаточно большой ширине единичного электрода затвора снижается эффективность работы полевого транзистора, то есть удельная выходная мощность в расчете на единицу ширины единичного электрода затвора вследствие значительного паразитного сопротивления общего электрода затвора,

— из-за несовершенства технологического оборудования и технологии изготовления конструкция отличается неточностью совмещения единичных электродов затвора и, соответственно, неидентичностью его каналов, последнее приводит к снижению эффективности сложения мощности каналов,

— при некоторых размерах области полуизолирующего арсенида галлия (менее 4 мкм) наблюдается повышение тока утечки между единичными электродами исток-сток, что приводит к появлению неуправляемого единичным электродом затвора тока стока,

— при некоторых размерах канавок (менее 0,5 мкм) в парах единичных электродов исток-сток, в которых расположены единичные электроды затвора, имеет место снижение пробивного напряжения между единичными электродами затвор-исток и затвор-сток.

И как следствие этого — некоторое снижение выходной мощности и коэффициента усиления полевого транзистора СВЧ.

Указанные выше недостатки успешно решены указанными выше известными техническими решениями.

С целью снижения паразитного сопротивления общего электрода затвора полевой транзистор выполнен в виде так называемой гребенки из чередующейся последовательности единичных электродов истока, затвора, стока, при этом единичные электроды затвора расположены в канавках каналов, выполненных между единичными электродами истока и стока [1].

С целью исключения неточности совмещения единичных электродов затвора полевого транзистора и, соответственно, неидентичности его каналов и, соответственно, снижения эффективности сложения мощности каналов между парами единичных электродов исток-сток расположены области полуизолирующего арсенида галлия, оптимизирована длина единичных электродов затвора, расположенных в парах единичных электродов исток-сток (не более 0,7 мкм), и при этом единичные электроды затвора выполнены в канавках каналов асимметрично в сторону единичных электродов истока [2].

С целью снижения тока утечки между единичными электродами исток-сток и увеличения пробивного напряжения между единичными электродами затвор-исток и сток-затвор оптимизированы ширина области полуизолируещего арсенида галлия, ширина (0,9-1,3 мкм) и глубина (0,2-0,3 мкм) канавок, расположение единичных электродов затвора в канавках каналов (на расстоянии, равном 0,1-0,3 и 0,5-0,7 мкм соответственно) [3, 4].

Это позволило значительно увеличить выходную мощность полевого транзистора СВЧ.

Выходная мощность полевых транзисторов СВЧ, описанных в [3, 4], составляет порядка (750, 1000) мВт, коэффициент усиления порядка (10, 12) дБ соответственно на частоте 10 ГГц.

Однако рассмотренные выше мощные полевые транзисторы СВЧ с достаточно высокой выходной мощностью ограничены в ряде случаев их применения и, прежде всего, при изготовлении монолитных интегральных схем (МИС) СВЧ вследствие их конструктивных особенностей, а именно из-за достаточно большой толщины подложки под активной областью (порядка 100 мкм) и достаточно малой ее толщины (порядка 10 мкм) в области максимального отвода тепла (металлизированного отверстия для заземления электродов).

Это затрудняет возможность обеспечения плотной упаковки единичных электродов стока, затвора, истока, что определяет их высокие массогабаритные характеристики.

Известен мощный полевой транзистор СВЧ, содержащий на лицевой стороне полупроводниковой подложки с заданной структурой слоев, по меньшей мере, одну заданную топологию элементов активной области полевого транзистора, представляющую собой последовательность единичных электродов стока, затвора, истока, канала с канавкой между каждой парой единичных электродов сток-исток под единичный электрод затвора, при этом одноименные единичные электроды соединены электрически, металлизированное отверстие для заземления общего электрода истока, интегральный теплоотвод с обратной стороны полупроводниковой подложки из высоко тепло- и электропроводящего материала [5 — прототип].

Наличие в конструкции мощного полевого транзистора СВЧ интегрального теплоотвода толщиной порядка 30 мкм обеспечивает:

— во-первых, возможность утонения полупроводниковой пластины до толщины порядка 30 мкм, что соответственно обеспечивает снижение теплового сопротивления полупроводниковой подложки и, соответственно, повышение отвода тепла и, как следствие, повышение выходной мощности,

— во-вторых, возможность реализации в конструкции плотной упаковки единичных электродов стока, затвора, истока и тем самым уменьшение массогабаритных характеристик и возможность использования данной конструкции мощных транзисторов СВЧ при изготовлении монолитных интегральных схем (МИС) СВЧ, что на сегодня, как указано выше, является актуальным.

Однако выходная мощность данного мощного транзистора СВЧ является недостаточно высокой.

Техническим результатом заявленного мощного полевого транзистора СВЧ является повышение выходной мощности и коэффициента усиления, уменьшение массогабаритных характеристик, снижение стоимости, повышение выхода годных и, соответственно, производительности.

Указанный технический результат достигается заявленным мощным полевым транзистором СВЧ, содержащим полупроводниковую подложку с заданной структурой слоев, на лицевой стороне которой, по меньшей мере, одну заданную топологию элементов активной области полевого транзистора, представляющую собой последовательность единичных электродов стока, затвора, истока и канала с канавкой между каждой парой единичных электродов сток-исток под единичный электрод затвора, при этом одноименные единичные электроды стока, затвора, истока соединены электрически, металлизированное отверстие для заземления общего электрода истока, интегральный теплоотвод из высоко тепло- и электропроводящего материала с обратной стороны полупроводниковой подложки.

В котором заданная структура слоев полупроводниковой подложки выполнена в виде прямой последовательности полуизолирующего слоя, n⁺ типа проводимости слоя, стоп-слоя, буферного слоя, активного слоя, с толщиной полуизолирующего и буферного слоев (не менее 30,0) и (1,0-20,0) мкм соответственно, часть металлизированного отверстия с лицевой стороны полупроводниковой подложки на глубине, равной сумме толщин активного, буферного и стоп слоев, выполнена с металлизированным дном, а другая часть металлизированного отверстия с обратной стороны полупроводниковой подложки на глубину, равную сумме толщин полуизолирующего и n⁺ типа проводимости слоев, выполнена глухой в виде сплошного слоя из высоко тепло- и электропроводящего материала, при этом асимметрично в сторону общего электрода стока относительно вертикальной оси металлизированного отверстия, с размером поперечного сечения, равным размеру поперечного сечения топологии элементов активной области полевого транзистора, при этом упомянутые части металлизированного отверстия перекрываются полностью либо частично в горизонтальной плоскости в месте их соприкосновения, а интегральным теплоотводом одновременно является сплошной слой из высоко тепло- и электропроводящего материала другой части металлизированного отверстия.

Полупроводниковая подложка может быть выполнена из полупроводникового материала группы A^IIIB^V.

Стоп-слой может быть выполнен из AlAs либо InGaP, буферный слой — из нелегированного GaAs либо сверхрешетки, состоящей из чередующихся слоев AlGaAs и GaAs.

Высоко тепло- и электропроводящий материал представляет собой, например, золото либо CVD алмаз.

Раскрытие сущности изобретения

Совокупность существенных признаков заявленного мощного полевого транзистора СВЧ, а именно: выполнение заданной структуры слоев полупроводниковой подложки в виде прямой последовательности полуизолирующего слоя, n⁺типа проводимости слоя, стоп-слоя, буферного слоя, активного слоя в совокупности с указанной толщиной полуизолирующего и буферного слоев (не менее 30,0), (1,0-20,0) мкм соответственно обеспечивает:

— во-первых, существенное снижение теплового сопротивления кристалла полевого транзистора СВЧ и тем самым улучшение отвода тепла и, как следствие, повышение выходной мощности и коэффициента усиления;

— во-вторых, уменьшение линейных размеров единичного кристалла полевого транзистора СВЧ и тем самым:

а) уменьшение массогабаритных характеристик,

б) повышение выхода годных и, соответственно, производительности, снижение стоимости за счет увеличения съема единичных кристаллов полевых транзисторов с одной полупроводниковой подложки — пластины.

Выполнение части металлизированного отверстия с лицевой стороны полупроводниковой подложки на глубине, равной сумме толщин активного, буферного и стоп слоев с металлизированным дном, обеспечивает расположение металлизированной площадки общего электрода истока на n⁺ слое (проводящем слое), и тем самым обеспечивается электрический контакт с другой частью металлизированного отверстия, и тем самым обеспечивается возможность реализации заявленной конструкции мощного полевого транзистора технологически.

Выполнение другой части металлизированного отверстия с обратной стороны полупроводниковой подложки на глубину, равную сумме толщин полуизолирующего и n⁺ типа проводимости слоев, глухой в виде сплошного слоя из высоко тепло- и электропроводящего материала, при этом асимметрично в сторону общего электрода стока относительно вертикальной оси металлизированного отверстия, с размером поперечного сечения, равным размеру поперечного сечения топологии элементов активной области полевого транзистора, обеспечивает следующее.

Во-первых, максимально возможное утонение полупроводниковой пластины в активной области единичного кристалла полевого транзистора, благодаря исключению из общей толщины этой области составляющей в виде полуизолирующего (полупроводникового) слоя, при этом имеющего большую толщину (порядка 30-100 мкм), а также n⁺ типа проводимости слоя, материал которых имеет низкую и очень низкую теплопроводность (так, теплопроводность полупроводникового материала арсенида галлия составляет порядка 30 Вт/(м×К).

Во-вторых, значительное снижение теплового сопротивления единичного кристалла полевого транзистора и тем самым улучшение отвода тепла, поскольку функцию как несущего слоя полупроводниковой подложки обеспечивает эта (другая) часть металлизированного отверстия.

И как следствие того и другого — повышение выходной мощности и коэффициента усиления.

В-третьих, повышение прочности единичного кристалла полевого транзистора за счет сохранения общей его толщины (порядка 30-100 мкм), и тем самым обеспечивается максимально возможное исключение деформации единичного кристалла полевого транзистора:

а) при его разделении, благодаря возможности разделения полупроводниковой пластины на единичные кристаллы механическим способом, например резкой,

б) при последующей пайке.

И как следствие — повышение выхода годных и, соответственно, производительности.

В-четвертых, разделение механическим способом, в отличие от химического способа, например химическим травлением, обеспечивает возможность автоматизированных измерений электрических параметров на полупроводниковой подложке (пластине) и сохранения информации об электрических параметрах полевого транзистора СВЧ после разделения полупроводниковой пластины, что немаловажно при автоматизированном производстве.

В-пятых, реализация конструкции мощного полевого транзистора СВЧ, когда другая часть металлизированного отверстия, выполненная глухой в виде сплошного слоя из высоко тепло- и электропроводящего материала, одновременно выполняет три функции, а именно:

во-первых, как несущего слоя полупроводниковой подложки,

во-вторых, как заземление общего электрода истока,

в-третьих, как интегральный теплоотвод.

И как следствие — уменьшение массогабаритных характеристик.

Перекрытие упомянутых частей металлизированного отверстия полностью либо частично расширяет возможности частных случаев реализации мощного полевого транзистора СВЧ.

Итак, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ в полной мере обеспечивает достижение указанного технического результата, а именно — повышение выходной мощности и коэффициента усиления, уменьшение массогабаритных характеристик, снижение стоимости, повышение выхода годных и, соответственно, производительности.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 дан разрез фрагмента заявленного мощного полевого транзистора СВЧ (с одной заданной топологией элементов активной области полевого транзистора), где

— полупроводниковая подложка с заданной структурой ее слоев — 1,

— заданная топология элементов активной области полевого транзистора — 2,

— последовательность единичных электродов стока — 3, затвора — 4, истока — 5, канала — 6 с канавкой — 7,

— металлизированное отверстие — 8,

— интегральный теплоотвод — 9,

— полуизолирующий слой — 10, n⁺ типа проводимости слой — 11, стоп-слой — 12, буферный слой — 13, активный слой — 14 прямой последовательности слоев заданной структуры полупроводниковой подложки,

— металлизированное дно — 15 части металлизированного отверстия,

— сплошной слой — 16 другой части металлизированного отверстия, выполненной глухой.

Мощный полевой транзистор СВЧ работает следующим образом.

На единичные электроды затвора и стока СВЧ полевого транзистора подаются необходимые напряжения смещения от внешних источников. При этом на единичные электроды затвора — отрицательные, а на единичные электроды стока — положительные относительно единичных электродов истока. На единичные электроды затвора подается СВЧ сигнал, который усиливается СВЧ полевым транзистором и подается на его выход (между электродами стока и истока).

Примеры конкретного выполнения заявленного мощного полевого транзистора СВЧ.

Пример 1

Мощный полевой транзистор выполнен на полупроводниковой подложке 1, выполненной из арсенида галлия с заданной структурой слоев в виде прямой последовательности полуизолирующего слоя 10 с толщиной, равной 90 мкм, n⁺ типа проводимости слоя 11 с концентрацией легирующей примеси не менее 2×10¹⁸, стоп-слоя 12, выполненного из AlAs, буферного слоя 13, выполненного из нелегированного арсенида галлия толщиной, равной 10 мкм, активного слоя 14.

На лицевой стороне полупроводниковой подложки 1 формируют заданную топологию элементов активной области полевого транзистора 2, представляющую собой последовательность единичных электродов стока 3, затвора 4, истока 5, канала 6 с канавкой 7 между парой единичных электродов сток-исток 3-5 под единичный электрод затвора 4 посредством классических методов литографии, травления, напыления системы металлов, образующих омические контакты в области единичных электродов стока 3 и истока 5 и управляющий электрод — единичный электрод затвора 4.

Формируют металлизированное отверстие 8 из высоко тепло- и электропроводящего материала, например золота, для заземления общего электрода истока 5. При этом часть металлизированного отверстия 8 с лицевой стороны полупроводниковой подложки 1 на глубине, равной сумме толщин активного 14, буферного 13 и стоп 12 слоев, выполнена с металлизированным дном 15, а другая часть металлизированного отверстия с обратной стороны полупроводниковой подложки на глубину, равную сумме толщин полуизолирующего слоя 10 и n⁺типа проводимости слоя 11, выполнена глухой, при этом асимметрично в сторону общего электрода стока 3 относительно вертикальной оси металлизированного отверстия 8, с размером поперечного сечения, равным поперечному сечению топологии элементов активной области полевого транзистора 2, в виде сплошного слоя 16 из высоко тепло- и электропроводящего материала, например золота, а интегральным теплоотводом 9 является одновременно упомянутый сплошной слой 16 другой части металлизированного отверстия 8.

Примеры 2-5

Аналогично примеру 1 изготовлены образцы мощного полевого транзистора СВЧ, но при иных толщинах полуизолирующего и буферного слоев заданной структуры как в рамках, указанных в формуле изобретения (примеры 2-3), так и за ее пределами (примеры 4-5).

На изготовленных образцах мощного полевого транзистора СВЧ были измерены:

— коэффициент усиления при частоте 10 ГГц,

— выходная мощность.

Данные сведены в таблицу.

Как видно из таблицы, образцы мощных полевых транзисторов СВЧ, изготовленные согласно заявленной формуле изобретения (примеры 1-3), имеют:

— коэффициент усиления порядка 10 дБ (прототип 9 дБ),

— выходную мощность порядка 600 мВт (прототип порядка 450 мВт).

Таким образом, заявленный мощный полевой транзистор СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит повышение выходной мощности в 1,5 раза, коэффициента усиления в 1,1 раза, уменьшение массогабаритных характеристик, снижение стоимости и повышение выхода годных и, соответственно, производительности примерно в 1,3 раза.

Источники информации

1. Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технология изготовления. Под ред. Д.В. Ди Лоренцо, Д.Д.Канделуола. Перевод с английского под ред. Г.В.Петрова, М.: Радио и связь, 1988 г., с.118.

2. «Мощные GaAs полевые СВЧ-транзисторы со смещенным затвором», авторы Лапин В.Г., Красник В.А., Петров К.И., Темнов A.M. Одиннадцатая Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Сборник материалов конференции 10-14 сентября 2001 г., Севастополь, Крым, Украина, стр.135.

3. Патент РФ №2307424, МПК H01L 29/812, приоритет 02.12.05, опубл. 27.09.07.

4. Патент РФ №2393589, МПК H01L 29/812, приоритет 25.05.09, опубл. 27.06.10.

5. Патент РФ №2285976, МПК H01L 21/335, приоритет 06.05.05, опубл. 20.10.06 — прототип.

№ п/п Параметры структуры мощного полевого транзистора Результаты измерений СВЧ-параметров Толщина полуизолирующего слоя, (мкм) Толщина буферного слоя, (мкм) Коэффициент усиления, (дБ) Выходная мощность СВЧ, (мВт) Выход годных (%) 1 90 10 9,8 600 40 2 30 1,0 10 600 35 3 150 20 9,7 580 35 4 20 0,5 8,0 500 27 5 300 25 8,0 500 30 Прототип — — 9,0 450 30

Транзистор

— полевые транзисторы (полевые транзисторы) — ток, диод, заряд и BJTS

Полевые транзисторы (FET) — это твердотельные активные устройства, основанные на другом принципе, чем биполярные транзисторы, но дающие практически тот же результат. Полевые транзисторы — это трехконтактные устройства, как и BJT. Входной вывод полевого транзистора называется его затвором и представляет собой один из электродов диода с обратным смещением. Полевые транзисторы обеспечивают управление током, направляя ток через узкий канал типа n или p -типа, проводимость которого регулируется входным сигналом.Выходной ток, управляемый полевым транзистором, проходит между двумя оставшимися выводами, называемыми истоком и стоком. Ток через полевой транзистор должен проходить через узкий канал, образованный переходом входного диода. Поскольку этот входной диод имеет обратное смещение, в этом канале обычно мало носителей заряда. Входной сигнал на полевой транзистор может истощить или увеличить количество доступных носителей заряда в этом канале, регулируя ток в цепи стока. Поскольку входной диод имеет обратное смещение, полевой транзистор почти не требует тока от источника сигнала, поэтому питание почти не требуется.Коэффициент усиления мощности, обычно достигаемый в усилителе на полевых транзисторах, очень высок.

Конкретный тип полевого транзистора, называемый MOSFET (металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор), может иметь входное сопротивление до 10 ¹⁸ Ом. Из-за очень высокого входного сопротивления полевые транзисторы мгновенно разрушаются, если они получают даже небольшой статический электрический заряд из-за неосторожного обращения. Скольжение по пластиковому стулу может передать достаточно заряда телу техника, чтобы разрушить входной диод полевого транзистора при первом касании .Работать с полевыми транзисторами должны только лица, которые заземлились перед тем, как прикоснуться к этим устройствам, чтобы сначала рассеять статические заряды.

Полевые транзисторы

особенно полезны в качестве усилителей очень слабых сигналов, например, создаваемых высококачественными микрофонами. Полевые транзисторы имеют более желательные характеристики перегрузки, чем биполярные транзисторы, так что полевые транзисторы могут обрабатывать множество сигналов одновременно, некоторые сильные и некоторые слабые, без серьезных искажений. До использования полевых транзисторов в автомобильных приемниках эти радиостанции легко перегружались сильными сигналами; Введение полевых транзисторов значительно улучшило характеристики автомобильного радиоприемника.

Схемы полевых транзисторов, май 1967 г. Electronics World

Май 1967 Мир электроники Стол содержания Воск, ностальгирующий по истории ранней электроники. См. Статьи с Electronics World , опубликовано в мае 1959 г. — Декабрь 1971 г. Все авторские права подтверждаются.

Если вы только вводите области электроники, концепции, представленные в этой статье полувековой давности для Основные полевые транзисторы по-прежнему актуальны.Значительные улучшения есть было сделано с тех пор, но основы остаются в силе. Один из самых полезных предметов в Эта статья представляет собой Таблицу 1, в которой сравниваются и противопоставляются вакуумные лампы, биполярный переход транзисторы и полевые транзисторы. Рассматриваемые темы включают общие свойства полевых транзисторов, повторителей источников (а-ля повторителей эмиттеров в BJT), усилителей с общим истоком (как усилители с общим эмиттером в биполярных транзисторах), генератор Миллера, комбинации Полевые транзисторы и биполярные транзисторы, а также стробируемый амплитудный модулятор.

Схемы на полевых транзисторах

Джозеф Х. Вуджек-младший и Макс Э. МакГи

Группа из шести простых и недорогих схем, которые иллюстрируют многие принципы. работы полевого транзистора.

Рис. 1 — Табличное сравнение ламп, транзисторов и полевых транзисторов.

Рис. 2 — Схема «исток-повторитель» с АЧХ.

Рис.3 — Схема усилителя на полевом транзисторе с общим истоком вместе с характеристикой.

Рис. 4 — Схема генератора Миллера.

Рис. 5 — Пара полевой транзистор / транзистор имеет усиление и высокое входное сопротивление.

Рис. 6 — Схема расширителя импульсов с полевым транзистором и транзисторами.

Одним из важнейших новых полупроводниковых устройств является полевой транзистор. (FET). В этой статье описываются шесть недорогих схем, которые могут быть построены для демонстрации важные свойства полевых транзисторов.Используются полевые транзисторы с р-каналом U-110 и / или U-112. в обсуждаемых схемах и относительно невысокая цена. Siliconix предлагает U-110 и U-112 вместе в пакете по 2,75 доллара. У-110 может быть один для 1 доллар США по этому предложению. Полевые транзисторы промышленного типа, U-146 и U-147, немного выше в цене. В качестве биполярных транзисторов используются эпоксидные устройства General Electric. которые продаются по цене от 0,50 до 1 доллара за штуку.

Общие свойства полевого транзистора

Для удобства сходства среди электронных ламп, транзисторов и полевых транзисторов показаны на рис.1. Мы должны признать внутренние различия, которые существуют между электронными лампами, транзисторами и полевыми транзисторами и таблица служит только для помощи в указании полярностей предубеждений.

Полевой транзистор похож на вакуумную лампу тем, что сопротивление, направленное внутрь затвора. очень высока и может составлять порядка сотен МОм. Кроме того, полевой транзистор — это устройство с низким уровнем шума, лучше, чем биполярные транзисторы, и конкурирует с электронными лампами. С другой стороны, полевые транзисторы похожи на транзисторы по токам утечки, которые протекают между их электродами, когда устройство отключено.

Последователь Источника

Схема истокового повторителя аналогична катодному повторителю на электронных лампах. или транзисторный эмиттер-повторитель. Мы можем ожидать аналогичного поведения от этих схем. так оно и есть. Таким образом, у нас высокий входной импеданс, относительно низкий выходной импеданс, и коэффициент усиления по напряжению, который можно сделать очень близким к единице.

На рис.2 показана простая схема истокового повторителя и характеристики полосы пропускания. получается с двумя разными полевыми транзисторами.Резистор 2 МОм устанавливает затвор. смещения и аналогичен резистору утечки сетки, используемому в ламповой работе. Однако этот резистор должен быть достаточно мал, чтобы увеличился ток утечки между затвором и источник не изменит кардинально предвзятость. Для У-110 и У-112 утечка между затвором и истоком при комнатной температуре составляет порядка 5 наноампер (5 x 10 ^-9 amp), поэтому резистор на 1 или 2 МОм будет достаточным.

При повышенных температурах увеличение тока утечки приведет к тому, что резистор меньшего размера должен использоваться, чтобы уменьшить изменения смещения с током утечки.Это можно смещать полевые транзисторы так, чтобы получился очень небольшой температурный дрейф.

Усилитель с общим источником

Схема с общим истоком аналогична транзистору с общим эмиттером и общим катодом. ламповые схемы. Опять же, свойства этой схемы аналогичны транзистору. и ламповые аналоги. Входное и выходное сопротивление имеют промежуточное значение и может быть реализовано усиление по напряжению больше единицы.

Рис.3 показана схема с общим источником и график полосы пропускания, полученный с использованием либо полевой транзистор U-110, либо U-112.

Генератор Миллера

Очень высокий входной импеданс полевого транзистора позволяет нам построить простую схему Миллера. генератора на рис. 4. Высокое сопротивление цепи затвора приводит к небольшой нагрузке кристалла. Комбинация LC в контуре стока настроена так, чтобы слегка резонировать ниже параллельного резонанса кристалла. Для рассматриваемого типа устройств В этой статье верхний предел работы по частоте составляет всего несколько мегагерц.Для кристаллов, отличных от показанного блока 512 кГц, необходимо изменить комбинацию LC. соответственно.

Выход генератора не выдержит большой нагрузки, но источник-повторитель Схема может использоваться в качестве драйвера для обеспечения низкого выходного сопротивления без нагрузки ступень генератора чрезмерно. Учитывая различия в типах полевых транзисторов и деталях компоновки, также может потребоваться некоторая модификация сети LC. Для тестируемой схемы «чистые» колебания наблюдались для четырех типов полевых транзисторов, указанных на рисунке. без перенастройки схемы и при напряжении питания от 6 до 22 вольт.

Пара полевых транзисторов / транзисторов

Схема, которая работает как улучшенный повторитель-источник или повторитель-эмиттер. показан на рис. 5. Полевой транзистор снова обеспечивает очень высокое входное сопротивление, в то время как транзисторный выход обеспечивает низкий выходной импеданс. В отличие от последователя-источника или ведомого-эмиттера, эта схема может быть построена так, чтобы коэффициент усиления по напряжению был больше единицы. Это выполнено резистором в цепи обратной связи, как показано на рис. 5A (внизу справа).

На рис. 5В приведены характеристики полосы пропускания при использовании с коэффициентом усиления по напряжению, равным единице. и с усилением по напряжению больше единицы. Полоса пропускания зависит от импеданса. источника движения. При возбуждении испытательным генератором на 600 Ом верхние 3 дБ точка составляет 2 МГц. Полоса пропускания уменьшается по мере увеличения импеданса источника возбуждения. В на низких частотах входное сопротивление усилителя составляет около 100 МОм, а выходное сопротивление сопротивление менее 2000 Ом.

Рис.6 показан стретчер, который определяет пиковую амплитуду импульса и удерживает этот уровень напряжения на время, намного превышающее ширину импульса. Диаграмма включает кнопку для подачи импульса, но, конечно, импульс может быть связан из подходящего внешнего источника.

Транзисторы Q1 и Q3 обеспечивают преобразование импеданса и изолируют полевой транзистор от как источник, так и нагрузка. При появлении входного импульса конденсатор заряжается через Q1 и диод.По окончании входного импульса Q1 отключается, и диод с обратным смещением. Входное сопротивление Q2 очень велико, так что заряд утекает из конденсатора в основном за счет тока утечки через диод и конденсатор. Затем полевой транзистор (Q2) представляет постоянный ток. уровень до Q3, который действует как выходной драйвер. На рис. 6 также показана длительность выходного сигнала, полученного с четырьмя различными полевыми транзисторами. (Обратите внимание, что полевой транзистор подключен в обратном направлении, чтобы сделать сток отрицательным.)

Постоянная времени может быть увеличена за счет использования полевого транзистора с очень низкой утечкой затвора. и выбрав диод и конденсатор с очень низкой утечкой.Используя эти больше дорогие компоненты, схемы стретчера на полевых транзисторах с длительностью выходных импульсов до Построено 30 часов. Схема может использоваться как детектор пиковой амплитуды или для получения необходимой выдержки времени. Сброс осуществляется путем разрешения выхода на распад или замыканием конденсатора на массу.

Полевой транзистор также можно использовать в качестве линейного затвора или электронного переключателя, как показано на рис. 7. Сопротивление между истоком и стоком при «замкнутом» переключателе составляет примерно 1 / г _м .Когда переключатель находится в «разомкнутом» положении, только небольшой ток утечки протекает между источник и сток. Этот тип схемы также может использоваться в качестве амплитудного модулятора.

Рис. 7 — Схема линейного стробирования или амплитудного модулятора.

Мы представили шесть простых и недорогих схем, которые иллюстрируют многие принципы работы полевого транзистора. Эти схемы предназначены для понимания устройств и стимулировать размышления о других приложениях.

Авторы выражают признательность г-ну Чарльзу Макдональду за сотрудничество. из Siliconix, Inc. и г-на Эл Кенрика из General Electric Company.

Опубликовано: 22 июля 2019 г. (оригинал 3/1/2012)

Принципы и схемы полевых транзисторов

— Часть 2

---

Практические схемы JFET.

В первом выпуске прошлого месяца объясняются (среди прочего) основные принципы работы JFET. JFET — это маломощные устройства с очень высоким входным сопротивлением, которые неизменно работают в режиме истощения, т.е.е., они пропускают максимальный ток, когда смещение затвора равно нулю, и ток уменьшается («истощается») за счет обратного смещения вывода затвора.

РИСУНОК 1. Схема и соединения полевых транзисторов 2N3819 и MPF102.
Параметр	2N3918	MPF102
В DS макс. (= Макс. Напряжение сток-исток)	25 В	25 В
В DG макс. (= Макс.напряжение сток-затвор)	25 В	25 В
В GS макс. (= Макс. Напряжение затвор-исток)	25 В	25 В
I DSS (= ток сток-исток при В GS = 0 В)	2-20 мА	2-20 мА
I GSS макс. (= Ток утечки затвора при 25 ° C)	2нА	2нА
P T макс. (= Макс. Рассеиваемая мощность на открытом воздухе)	200 мВт	310 мВт
Рисунок 2.Основные характеристики n-канальных полевых транзисторов 2N3819 и MPF102.

Большинство JFET являются n-канальными (а не p-канальными) устройствами. Два самых старых и наиболее известных n-канальных JFET — это 2N3819 и MPF102, которые обычно размещаются в пластиковых корпусах TO92 с подключениями, показанными на , рис. 1, ; На рисунке 2 перечислены основные характеристики этих двух устройств.

В статье этого месяца рассматривается основная информация об использовании и приложениях JFET.Все практические схемы, показанные здесь, специально разработаны для 2N3819, но будут одинаково хорошо работать при использовании MPF102.

СМЕЩЕНИЕ JFET

JFET может использоваться в качестве линейного усилителя путем обратного смещения его затвора относительно его вывода истока, таким образом, переводя его в линейную область. Обычно используются три основных метода смещения JFET. Простейшей из них является система «самосмещения», показанная на рис. 3 , в которой затвор заземлен через Rg, и любой ток, протекающий в Rs, приводит в движение исток положительно по отношению к затвору, тем самым создавая обратное смещение.

РИСУНОК 3. Базовая система «самосмещения» JFET.

Предположим, что требуется I _D на 1 мА, и что смещение V _GS на -2 В2 необходимо для установки этого условия; правильное смещение, очевидно, можно получить, присвоив Rs значение 2k2; если I _D имеет тенденцию к падению по какой-либо причине, V _GS также естественно падает, и, таким образом, заставляет I _D увеличиваться и противодействовать исходному изменению; Таким образом, смещение саморегулируется через отрицательную обратную связь.

На практике значение V _GS , необходимое для установки данного I _D , сильно варьируется между отдельными JFETS, и единственный надежный способ получить точное значение I _D в этой системе — сделать Rs переменным резистором; однако система достаточно точна для многих приложений и является наиболее широко используемым из трех методов смещения.

РИСУНОК 4. Базовая система «смещения-смещения» JFET.

Более точный способ смещения JFET — через систему «смещения», как показано на рис. 4 (a) , в котором делитель R1-R2 прикладывает фиксированное положительное смещение к затвору через Rg, а напряжение истока равно это напряжение минус В _GS .Если напряжение затвора велико относительно V _GS , I _D устанавливается в основном с помощью Rs и не сильно зависит от изменений V _GS . Таким образом, эта система позволяет устанавливать значения I _D с хорошей точностью и без необходимости выбора отдельных компонентов. Аналогичные результаты могут быть получены путем заземления затвора и подведения нижней части резистора R к большому отрицательному напряжению, как в , рис. 4 (b), .

Третий тип системы смещения показан на рис. 5 , в котором генератор постоянного тока Q2 устанавливает I _D , независимо от характеристик полевого транзистора.Эта система обеспечивает отличную стабильность смещения, но за счет увеличения сложности схемы и стоимости.

В трех описанных системах смещения Rg может иметь любое значение до 10M, верхний предел налагается падением напряжения на Rg, вызванным токами утечки затвора, которые могут нарушить смещение затвора.

РИСУНОК 5. Базовая система смещения «постоянного тока» JFET.	РИСУНОК 6.Последователь источника с самосмещением. Цин = 10М.	РИСУНОК 7. Повторитель истока со смещением. Цин = 44М.

ИСТОЧНИКИ ПОСЛЕДУЮЩИХ ЦЕПЕЙ

При использовании в качестве линейных усилителей полевые транзисторы JFET обычно используются либо в режиме повторителя истока (общий сток), либо в режиме общего истока. Истоковый повторитель дает очень высокое входное сопротивление и почти единичный коэффициент усиления по напряжению (отсюда и альтернативное название «повторитель напряжения»).

На рисунке 6 показан простой повторитель источника с самосмещением (через RV1); RV1 используется для установки падения напряжения покоя R2 на 5V6.Фактическое усиление входного и выходного напряжения схемы составляет 0,95. К R3 применяется определенная степень начальной загрузки, которая увеличивает его эффективное сопротивление; Фактическое входное сопротивление схемы составляет 10 МОм, шунтированное на 10 пФ, то есть оно составляет 10 МОм на очень низких частотах, падает до 1 МОм при примерно 16 кГц и 100 кОм при 160 кГц и т. д.

На рисунке 7 показан истоковый повторитель со смещением затвора. Общий коэффициент усиления по напряжению составляет около 0,95. C2 — это конденсатор начальной загрузки, который увеличивает входное сопротивление до 44 МОм, шунтируя его на 10 пФ.

РИСУНОК 8. Гибридный повторитель источника. Цин = 500М.

На рисунке 8 показан гибридный (JFET плюс биполярный) повторитель источника. Смещение смещения применяется через R1-R2, а генератор постоянного тока Q2 действует как нагрузка источника с очень высоким импедансом, давая схеме общий прирост напряжения 0,99. C2 увеличивает эффективное сопротивление R3 до 1000 МОм, которое шунтируется импедансом затвора JFET; входное сопротивление всей цепи составляет 500 МОм, шунтируется на 10 пФ.

Обратите внимание, что если необходимо поддерживать высокое эффективное значение входного импеданса этой цепи, выходной сигнал должен быть направлен на внешние нагрузки через дополнительный каскад эмиттерного повторителя (как показано пунктиром на диаграмме) или должен быть доведен только до достаточно высокого уровня. импедансные нагрузки.

УСИЛИТЕЛИ С ОБЩИМ ИСТОЧНИКОМ

На рисунке 9 показан простой усилитель с общим источником самосмещения; RV1 используется для установки 5V6 в неактивном состоянии на R3. Схема смещения RV1-R2 развязана по переменному току через C2, и схема дает усиление по напряжению 21 дБ (= x12) и имеет частотную характеристику ± 3 дБ в диапазоне от 15 Гц до 250 кГц и входное сопротивление 2M2, шунтированное на 50 пФ.(Это высокое значение шунта связано с обратной связью Миллера, которая умножает эффективную емкость затвор-сток JFET на значение схемы x12 Av.)

РИСУНОК 9. Простой самосмещающийся усилитель с общим источником.	РИСУНОК 10. Простой усилитель для наушников.

На рисунке 10 показан простой усилитель для наушников с самосмещением, который можно использовать с импедансом наушников 1 кОм или выше.Он имеет встроенный регулятор громкости (RV1), имеет входное сопротивление 2M2 и может использовать любой источник питания в диапазоне от 9 до 18 В.

РИСУНОК 11. Дополнительный предусилитель общего назначения.	РИСУНОК 12. Усилитель с общим истоком и смещением затвора.

РИСУНОК 13. «Гибридный» усилитель с общим источником.

На рисунке 11 показан дополнительный предварительный усилитель с самосмещением, который дает усиление по напряжению более 20 дБ, имеет полосу пропускания, превышающую 100 кГц, и имеет входное сопротивление 2M2.Его можно использовать с любым усилителем, который может обеспечить источник питания от 9 до 18 В.

Усилители с общим источником

JFET могут — когда требуется очень высокая точность смещения — быть спроектированы с использованием метода смещения «смещения» или «постоянного тока». На рисунках 12 и 13 показаны схемы этих типов. Обратите внимание, что схема «смещения» , рис. 1, 2 может использоваться только с источниками питания в диапазоне от 16 В до 20 В, в то время как гибридная схема , рис. 13, может использоваться с любым источником питания в диапазоне от 12 В до 20 В.Обе схемы обеспечивают усиление по напряжению 21 дБ, полосу пропускания ± 3 дБ от 15 Гц до 250 кГц и входное сопротивление 2M2.

ВОЛЬТМЕТРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

На рисунке 14 показан полевой транзистор JFET, используемый для создания очень простого и базового трехдиапазонного вольтметра постоянного тока с максимальной чувствительностью FSD 0,5 В и входным сопротивлением 11M1. Здесь R6-RV2 и R7 образуют делитель потенциала на источнике питания 12 В и — если переход R7-RV2 используется в качестве точки нулевого напряжения схемы — устанавливает верхнюю часть R6 на +8 В и нижнюю часть R7 на -4 В.Q1 используется в качестве повторителя истока, с его затвором, заземленным через сеть R1 — R4, и смещается со смещением, переводя его источник на -4 В через R5; он потребляет около 1 мА тока стока.

РИСУНОК 14. Простой трехдиапазонный вольтметр постоянного тока.

В Рис. 14 , R6-RV2 и Q1-R5 действуют как сеть моста Уитстона, а RV2 настраивается таким образом, чтобы мост был сбалансирован и нулевой ток протекал в измерителе при отсутствии входного напряжения на Q1. ворота.Любое напряжение, приложенное к затвору Q1, затем выводит мост из равновесия на пропорциональную величину, которая может быть считана непосредственно на измерителе.

R1 — R3 образуют сеть умножителя диапазона, которая — при правильной настройке RV1 — дает диапазоны FSD 0,5 В, 5 В и 50 В. R4 защищает затвор Q1 от повреждения, если на схему подается чрезмерное входное напряжение.

Чтобы использовать схему , рис. 14, , сначала настройте RV2, чтобы получить нулевое показание счетчика при отсутствии входного напряжения, а затем подключите точный 0.5 В постоянного тока на вход и подстройте RV1, чтобы получить точные показания измерителя полной шкалы. Повторяйте эти настройки до тех пор, пока не будут получены стабильные нулевые и полномасштабные показания; после этого устройство готово к использованию.

РИСУНОК 15. Трехдиапазонный вольтметр постоянного тока с малым дрейфом.

На практике эта очень простая схема имеет тенденцию дрейфовать при изменении напряжения питания и температуры, и требуется довольно частая подстройка нулевой точки.Дрейф можно значительно уменьшить, используя стабилизированный стабилитроном источник питания 12 В.

Рисунок 15 показывает улучшенную версию вольтметра с полевым транзистором с малым дрейфом. Q1 и Q2 подключены как дифференциальный усилитель, поэтому любой дрейф, возникающий на одной стороне цепи, автоматически нейтрализуется аналогичным дрейфом на другой стороне, и достигается хорошая стабильность. В схеме используется «мостовой» принцип: Q1-R5 образуют одну сторону моста, а Q2-R6 — другую. В идеале Q1 и Q2 должны быть согласованной парой JFET со значениями IDSS, совпадающими в пределах 10%.Схема настроена так же, как и у Рисунок 14 .

РАЗЛИЧНЫЕ ЦЕПИ JFET

РИСУНОК 16. НЧ-нестабильный мультивибратор.

РИСУНОК 17. Управляемый напряжением усилитель / аттенюатор.

В заключение статьи этого месяца, На рисунках 16, с по 19 показан разнообразный набор полезных схем JFET.Модель Рис. 16 — это конструкция нестабильного или автономного мультивибратора с очень низкими частотами (VLF); его периоды включения и выключения управляются C1-R4 и C2-R3, а R3 и R4 могут иметь значения до 10M.

При показанных значениях схема переключается с частотой один раз в 20 секунд, т. Е. С частотой 0,05 Гц; Чтобы начать нестабильное действие, кнопку запуска S1 необходимо удерживать нажатой не менее одной секунды.

На рисунке 17 показано — в базовой форме — как JFET и операционный усилитель 741 могут быть использованы для создания усилителя / аттенюатора, управляемого напряжением.Операционный усилитель используется в режиме инвертирования, при этом его коэффициент усиления по напряжению задается соотношением R2 / R3, а R1 и JFET используются в качестве входного аттенюатора, управляемого напряжением.

Когда на затвор Q1 подается большое отрицательное управляющее напряжение, JFET действует как почти бесконечное сопротивление и вызывает нулевое затухание сигнала, поэтому схема дает высокий общий коэффициент усиления, но, когда смещение затвора равно нулю, полевой транзистор действует как низкий сопротивление и вызывает сильное затухание сигнала, поэтому схема дает общую потерю сигнала.

Промежуточные значения затухания сигнала и общего усиления или потерь могут быть получены путем изменения значения управляющего напряжения.

РИСУНОК 18. Усилитель постоянной громкости.

На рисунке 18 показано, как эту технику управляемого напряжением аттенюатора можно использовать для создания усилителя «постоянной громкости», который производит изменение уровня выходного сигнала всего на 7,5 дБ, когда уровень входного сигнала изменяется в диапазоне 40 дБ ( от 3 мВ до 300 мВ RMS).

Схема может принимать уровни входного сигнала до максимум 500 мВ RMS Q1 и R4 соединены последовательно, чтобы сформировать управляемый напряжением аттенюатор, который регулирует уровень входного сигнала к усилителю общего эмиттера Q2, выход которого буферизирован через повторитель эмиттера Q3 .

Выход

Q3 используется для генерации (через C5-R9-D1-D2-C4-R5) управляющего напряжения постоянного тока, которое подается обратно на затвор Q1, образуя таким образом контур отрицательной обратной связи постоянного тока, который автоматически регулирует общее усиление напряжения так, чтобы уровень выходного сигнала имеет тенденцию оставаться постоянным при изменении уровня входного сигнала, как показано ниже.

Когда на схему подается очень слабый входной сигнал, выходной сигнал Q3 также невелик, поэтому на затвор Q1 подается незначительное управляющее напряжение постоянного тока; Таким образом, в этом состоянии Q1 действует как низкое сопротивление, поэтому почти полный входной сигнал подается на базу Q2, и схема дает высокий общий коэффициент усиления.

Когда на схему подается большой входной сигнал, выходной сигнал Q3 имеет тенденцию быть большим, поэтому большое отрицательное управляющее напряжение постоянного тока подается на затвор Q1; Таким образом, Q1 действует как высокое сопротивление в этом состоянии, поэтому только небольшая часть входного сигнала подается на базу Q2, и схема дает низкий общий коэффициент усиления.

Таким образом, выходной уровень остается довольно постоянным в широком диапазоне уровней входного сигнала; эта характеристика полезна в кассетных магнитофонах, домофонах, телефонных усилителях и т. д.

РИСУНОК 19. Преобразователь постоянного тока в переменный или схема «прерывателя».

Наконец, На рис. 19, показан полевой транзистор, используемый для создания преобразователя постоянного тока в переменный или «прерывателя», который выдает прямоугольный выходной сигнал с пиковой амплитудой, равной амплитуде входного постоянного напряжения.

В этом случае Q1 действует как электронный переключатель, который соединен последовательно с R1 и включается и выключается с частотой 1 кГц через нестабильную схему Q2-Q3, тем самым обеспечивая преобразование постоянного тока в переменный. Обратите внимание, что амплитуда сигнала управления затвором Q1 может изменяться через RV1; если используется слишком большой привод, переход затвор-исток Q1 начинает лавинообразно обрушиваться, в результате чего небольшой всплеск напряжения пробивается через сток и дает выходной сигнал даже при отсутствии на входе постоянного тока.

Чтобы предотвратить это, подключите вход постоянного тока, а затем подстройте RV1 до тех пор, пока выход не окажется на грани уменьшения; После такой настройки схема может быть надежно использована для прерывания напряжения до долей милливольта. NV

---

Другие детали из серии Принципы и схемы полевых транзисторов — Выходит еженедельно

FET (Полевой транзистор), основы. (Часть 1 из 4)
Практические схемы JFET. (Часть 2 из 4)
Практические схемы MOSFET и CMOS. (часть 3 из 4)

Учебное пособие по транзисторам

о биполярных и полевых транзисторах-nup [PDF]

* В предварительном просмотре отображаются только некоторые случайные страницы руководств. Вы можете скачать полный контент через форму ниже.

electronics-tutorials.ws

Транзисторы Учебное пособие по биполярным и полевым транзисторам 6-7 минут

Рассмотрение конструкции и работы биполярных переходных транзисторов NPN и PNP (BJT), а также полевых транзисторов (FET), как переходных, так и изолированных затвора, мы можем суммировать основные моменты этих руководств по транзисторам, как показано ниже:

• Транзистор также может использоваться в качестве электронного переключателя между его областями насыщения и отсечки для управления устройствами, такими как лампы, двигатели, соленоиды и т. д.• Индуктивные нагрузки, такие как двигатели постоянного тока, реле и соленоиды, требуют установки диода «Маховик» с обратным смещением, расположенного поперек нагрузки. Это помогает предотвратить повреждение транзистора любой наведенной обратной ЭДС, возникающей при выключении нагрузки. • Транзистор NPN требует, чтобы база была более положительной, чем эмиттер, в то время как тип PNP требует, чтобы эмиттер был более положительным, чем база.

Учебное пособие по полевым транзисторам

• Биполярный транзистор (BJT) — это трехслойное устройство, состоящее из двух соединенных вместе полупроводниковых диодных переходов, один с прямым смещением и один с обратным смещением.• Существует два основных типа транзисторов с биполярным переходом: (BJT), NPN и PNP. • Транзисторы с биполярным переходом — это «устройства, управляемые током», где гораздо меньший базовый ток вызывает протекание большего тока от эмиттера к коллектору, которые сами по себе почти равны. • Стрелка в символе транзистора представляет обычный ток. • Наиболее распространенное соединение транзисторов — это конфигурация с общим эмиттером (CE), но также доступны общая база (CB) и общий коллектор (CC).• Требуется напряжение смещения для работы усилителя переменного тока. • Переход база-эмиттер всегда смещен в прямом направлении, тогда как переход коллектор-база всегда смещен в обратном направлении. • Стандартное уравнение для токов, протекающих в транзисторе, имеет следующий вид: IE = IB + IC • Кривые коллекторных или выходных характеристик могут использоваться для определения Ib, Ic или β, к которым может быть построена линия нагрузки для определения подходящего рабочего режима. точка Q с изменениями базового тока, определяющего рабочий диапазон. 1

• Полевые транзисторы, или полевые транзисторы, являются «устройствами, управляемыми напряжением», и их можно разделить на два основных типа: устройства с переходным затвором, называемые JFET, и устройства с изолированным затвором, называемые IGFET или более известные как MOSFET.• Устройства с изолированными затворами также можно подразделить на типы улучшения и типы истощения. Все формы доступны как в N-канальной, так и в P-канальной версиях. • Полевые транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление, поэтому на входную клемму протекает очень мало или совсем не ток (типы MOSFET), что делает их идеальными для использования в качестве электронных переключателей. • Входное сопротивление MOSFET даже выше, чем JFET из-за изолирующего оксидного слоя, и поэтому статическое электричество может легко повредить устройства MOSFET, поэтому при обращении с ними необходимо соблюдать осторожность.• Когда на затвор расширенного полевого транзистора не подается напряжение, транзистор находится в состоянии «ВЫКЛ.», Аналогичном «разомкнутому переключателю». • Полевой транзистор с обеднением по своей природе является проводящим и находится в состоянии «ВКЛ», когда на затвор не подается напряжение, подобное «замкнутому переключателю». • Полевые транзисторы имеют гораздо более высокий коэффициент усиления по току по сравнению с транзисторами с биполярным переходом. • Наиболее распространенное соединение FET — это конфигурация с общим источником (CS), но также доступны конфигурации с общим затвором (CG) и общим стоком (CD). • МОП-транзисторы могут использоваться как идеальные переключатели из-за их очень высокого сопротивления канала «ВЫКЛ» и низкого сопротивления «ВКЛ».• Чтобы выключить N-канальный JFET-транзистор, на затвор необходимо подать отрицательное напряжение. • Чтобы выключить P-канальный JFET-транзистор, на затвор необходимо подать положительное напряжение. • N-канальные полевые МОП-транзисторы с истощением находятся в состоянии «ВЫКЛ», когда на затвор подается отрицательное напряжение для создания области истощения. • Истощающие МОП-транзисторы с P-каналом находятся в состоянии «ВЫКЛЮЧЕНО», когда на затвор подается положительное напряжение для создания области истощения. • N-канальные полевые МОП-транзисторы находятся в состоянии «ВКЛ», когда на затвор подается «+ ve» (положительное) напряжение.• P-канальные полевые МОП-транзисторы находятся в состоянии «ВКЛ», когда на затвор подается «-ve» (отрицательное) напряжение.

2

Таблица полевых транзисторов

Различия между полевым транзистором и биполярным транзистором Полевые транзисторы могут использоваться для замены обычных биполярных переходных транзисторов в электронных схемах и простого сравнения полевых транзисторов и транзисторов с указанием их преимуществ и недостатков. приводится ниже.

Смещение затвора для полевого транзистора с переходным полевым транзистором (JFET) и металлооксидного полупроводникового полевого транзистора (MOSFET) имеют следующие конфигурации: Тип перехода FET Режим истощения Смещение ВКЛ ВЫКЛ N-канал 0 В -ve P- канал 0V + ve

Metal Oxide Semiconductor FET Depletion Enhancement Mode Mode Mode ON OFF ON OFF 0V -ve + ve 0V 0V + ve -ve 0V

Полевой транзистор (FET)

Биполярный переходной транзистор (BJT)

1

Низкое усиление по напряжению

Высокое усиление по напряжению

2

Высокое усиление по току

Низкое усиление по току

3

Очень высокое входное сопротивление

Низкое входное сопротивление

4

Высокое выходное сопротивление

Низкое выходное сопротивление

5

Низкий уровень шума

Средний уровень шума

6

Быстрое время переключения

Среднее время переключения

7

Легко перекрыть состаренный статическим электричеством

Надежный

8

Некоторым требуется вход, чтобы выключить его

Требуется нулевой вход, чтобы выключить его

9

Устройство, управляемое напряжением

Устройство, управляемое током

10

Демонстрирует свойства резистора

11

Дороже, чем биполярный

Дешевый

12

Трудно смещать

Легко смещать

Ниже приведен список дополнительных биполярных транзисторов, которые можно использовать для общего назначения. переключение слаботочных реле, управляющих светодиодов и ламп, а также для применения в усилителях и генераторах.

Дополнительные транзисторы NPN и PNP NPN

PNP

VCE

IC (макс.)

BC547

BC557

45v

100 мА 600 мВт

BC447

100 мА

40v

200mA 625mW

2N2222 2N2907

30v

800mA 800mW

BC140

Le due immagini qui sopra riprendono i Concetti espressi daldenle due [N.dR] (да Горовиц Хилл — Искусство электроники, третье издание, Cambridge University Press, 2015) 3

Pd

BC160

40v

1.0A

TIP29

TIP30

100v

1.0A

BD137

BD138

60v

1.5A

1.25W

60v

15A

90W

TIP3055 TIP2955

800mW

800mW

Эффект Field7 Усилитель на полевом транзисторе

В этой главе мы проводим параллель с подходом, который мы использовали для биполярных транзисторов, на этот раз сосредоточившись на полевом транзисторе.Изучив этот материал, вы

• поймете разницу между полевыми транзисторами и биполярными транзисторами.
• Узнайте о различиях между различными формами полевых транзисторов.
• Знайте, как смещать полевые транзисторы для линейной работы.
• Узнайте о моделях слабого сигнала и о том, как их использовать.
• Уметь анализировать схемы усилителя на полевых транзисторах.
• Уметь разрабатывать схемы усилителя на полевых транзисторах в соответствии со спецификациями.
• Узнайте, как программы компьютерного моделирования моделируют полевые транзисторы.
• Знайте, как изготавливаются полевые транзисторы как часть интегральных схем.

ВВЕДЕНИЕ

Современный полевой транзистор (FET) , предложенный У. Шокли в 1952 году, отличается от БЮТ. Полевой транзистор — это устройство основной несущей . Его работа зависит от использования приложенного напряжения для управления основными носителями (электроны в материале типа n и дырки в материале типа p ) в канале. Это напряжение регулирует ток в устройстве с помощью электрического поля.

Полевые транзисторы — это устройства с тремя выводами, но в отличие от биполярных транзисторов, напряжение на двух выводах управляет током, протекающим на третьем выводе. Три вывода в полевом транзисторе — это сток , исток и затвор .

Сравнивая полевые транзисторы и биполярные транзисторы, мы увидим, что сток (D) аналогичен коллектору, а исток (S) аналогичен эмиттеру. Третий контакт, вентиль , (G), аналогичен основанию.Исток и сток полевого транзистора обычно можно менять местами, не влияя на работу транзистора.

Мы подробно обсуждаем два класса полевых транзисторов, это переходные полевые транзисторы (JFET) и металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET).

Глава начинается с обсуждения характеристик полевых МОП-транзисторов и полевых транзисторов JFET и сравнения этих характеристик. Затем мы исследуем способы использования этих устройств в схемах и методы смещения различных конфигураций усилителей.

По мере подробного изучения методов анализа мы представляем компьютерные имитационные модели. Далее следуют подробные разделы, посвященные методам анализа и методологии проектирования.

Глава завершается кратким описанием других специальных устройств.

Симуляторы схем TINA и TINACloud, поддерживающие этот ресурс, включают множество сложных компьютерных имитационных моделей MOSFET и JFET и схем, которые будут использоваться для моделирования схем.

СЛЕДУЮЩИЙ- 1.Преимущества и недостатки полевых транзисторов

Улучшенное насыщение стокового тока и усиление напряжения в полевых транзисторах графен-на-кремнии

Огромный интерес к графену для электронных устройств возникает из-за его выдающихся свойств переноса заряда и толщины в атомном масштабе ^{1,2. 3} . Однако графеновые устройства страдают от плохого отношения тока включения / выключения, что вызвано свойством нулевой запрещенной зоны. Это ограничивает их применение в логических транзисторах. Тем не менее, из-за исключительно высокой подвижности носителей и скорости насыщения графена он является сильным кандидатом для применения в ВЧ-устройствах, поскольку ВЧ-транзисторы не нужно отключать в рабочих условиях ^1,4,5 .

Интенсивные исследования графеновых ВЧ полевых транзисторов до сих пор были в основном сосредоточены на достижении более высоких частот отсечки ( f _T ) с помощью масштабирования длины затвора ⁶ . Недавно было получено f _T значений до 400 ГГц, полученных от современных графеновых полевых транзисторов RF ^{7,8,9,10,11,12,13,14,15,16} . Однако с точки зрения разработчика схем, а не f _T , более важны максимальная частота колебаний ( f _max ) и собственное усиление напряжения ( A _V0 ). коэффициенты для радиочастотных устройств ¹ , а совсем недавно f _max были зарегистрированы значения до 105 ГГц ¹⁷ .Плохие значения f _max и A _{V 0} обычных GoIFET в основном связаны с отсутствием насыщения по току в выходных характеристиках из-за отсутствия запрещенной зоны и туннельного эффекта Клейна ¹⁸ .

Поэтому крайне желательно получить устойчивое насыщение по току в выходных характеристиках графеновых полевых транзисторов, что приведет к более высоким f _max и A _{V 0} ^19,20,21 .Насыщение тока полевого транзистора может наблюдаться либо из-за уменьшения плотности носителей в канале рядом со стороной стока, либо из-за насыщения носителей по скорости, вызванного рассеянием фононов ²² . Для полупроводников с ненулевой запрещенной зоной, таких как Si, обедненная область формируется на стороне стока под В _GS — В _TH = В _DS и ширина области истощения увеличивается по мере увеличения В _DS , где В _GS — напряжение затвор-исток, В _TH — пороговое напряжение, а V _DS — напряжение сток-исток.С другой стороны, материалы с нулевой запрещенной зоной, такие как графен, не образуют обедненных областей в канале. Вместо того, чтобы формировать область истощения, на стороне стока генерируется заряд другой полярности, и этот заряд увеличивается по мере увеличения В _DS . Это поколение других носителей заряда в канале приводит к наличию излома на выходной кривой GoIFET, что приводит к более низкому выходному сопротивлению ( r _o ) и тем самым ухудшает характеристики RF.Таким образом, подавляя генерацию других носителей заряда в канале возле стока, графеновое устройство может получить более высокое значение r _o .

Одним из методов, которые были предприняты для подавления генерации других заряженных носителей, является усиление электростатического контроля затвора. Другими словами, влияние напряжения стока ослабляется по отношению к графеновому каналу вблизи стороны стока. Таким образом, предыдущие попытки были сосредоточены на увеличении связи затвора путем увеличения емкости затвора ^19,20,21 и / или минимизации остаточной концентрации несущих ( n ₀ ) ^22,23 .

Недавно гексагональный нитрид бора ( h -BN) был принят в качестве диэлектрика нижнего затвора для минимизации n ₀ ^22,23 с h -BN имеет более низкие заряженные примеси и обеспечивает более высокий оптический фонон. энергии, чем обычная подложка SiO ₂ ^19,23 . Было обнаружено, что минимум n ₀ , который пропорционален заряженным примесям, беспорядку и тепловому возбуждению, существенно влияет на проводимость стока () ^24,25 .Несмотря на важность получения насыщения по току в выходных характеристиках, устойчивое насыщение по току еще не было продемонстрировано в графеновых полевых транзисторах, которые обеспечивают высокую степень совместимости с процессами токовых транзисторов.

В этом исследовании мы представляем простые, но улучшенные выходные характеристики за счет использования кремния вместо обычного SiO ₂ или h -BN в качестве подложки. Использование Si в качестве материала подложки для графена имеет дополнительные преимущества по сравнению с изоляторами h -BN и другими изоляторами в том, что интеграция в масштабах размером с пластину сравнима с традиционными технологиями полевых транзисторов.Несколько других групп также сообщили, что графен переносится на поверхности Si, но их исследования были сосредоточены на формировании перехода Шоттки для модуляции тока, что влечет за собой перенос заряда по вертикали от графена к кремнию ^26,27,28 . Более того, их устройства по-прежнему страдали плохим выходным сопротивлением. В отличие от предыдущих подходов ²⁸ , в этой работе носители заряда движутся только через слой графена. Другими словами, ток течет в горизонтальном направлении, параллельном поверхности кремния, а носители удерживаются внутри графена.Предлагаемое устройство показывает улучшенное выходное сопротивление.

Типичная архитектура GoSFET показана на рис. 1a. Единственное отличие GoSFET от обычных GoIFET — это отсутствие оксидного слоя под графеном. Из-за отсутствия изолирующего слоя под графеном в GoSFET потенциал в графене сильно зависит от плотности носителей заряда и типа носителей на подложке Si. На рисунке 1b показаны типичные переходные характеристики GoSFET при В _DS = 1 В и В _DS = -1 В, где в качестве подложки использовался слаболегированный кремний n-типа.Превосходные передаточные характеристики наблюдались при В _DS = -1 В, где заряд Si был истощен на стороне стока из-за состояния обратного смещения, как показано на вставке к рис. 1b. В отличие от условия обратного смещения при В _DS = -1 В, производительность GoSFET ухудшилась при В _DS = 1 В из-за значительного вклада основного тока, I _B , который был вызван условием прямого смещения.Было проведено дополнительное исследование I _B в зависимости от типа подложки Si, результаты показаны на рис. 1c, d. На рис. 1c, I _B в 10 ⁵ раз ниже, чем ток стока ( I _D ), что указывает на то, что кремниевая подложка успешно действовала как изолятор в условиях обратного смещения. . В отличие от условия обратного смещения при В _DS <0 (рис.1в) электроны в теле перетекали к графену, и I _B стало сопоставимым с I _D при условии прямого смещения при В _DS > 0 ( Рис. 1г). I _B следует подавить в выходных характеристиках. Таким образом, тип легирования кремниевой подложки следует учитывать в зависимости от условий рабочего напряжения, чтобы сформировать обедненную область в канале рядом со стороной стока, как показано на вставке к рис.1г.

Рис. 1. Полевые транзисторы графен-на-кремнии (GoSFET) с W / L = 10/20 мкм.

( a ) Схема GoSFET со слаболегированной кремниевой пластиной, действующей как изолятор. Металл наносился поверх графена. ( b ) Кривые зависимости тока стока ( I _D ) от напряжения верхнего затвора ( В _GS ) с положительным (черный) и отрицательным (красный) смещением стока ( В _DS ) на подложке n-типа.Ток стока ( I _D ), ток источника ( I _D ), утечка затвора ( I _G ) и ток тела ( I _{B B B ) от напряжения стока ( В DS ) при В GS = 4 В при условии обратного смещения Si-подложки (отрицательное В DS ) в ( c ) и при прямом смещении Si-подложки (положительный В DS ) в ( d ).В таблице в c представлены надлежащие рабочие условия GoSFET в зависимости от типа легирования подложки.}

На рисунке 2a показаны типичные выходные характеристики GoSFET, демонстрирующие улучшенное насыщение по току в широком диапазоне напряжения стока. В отличие от улучшенного насыщения тока в GoSFET, насыщение тока в узком диапазоне напряжения стока наблюдалось в выходных характеристиках обычных GoIFET на рис. 2b, что типично для графеновых полевых транзисторов. Изолинии г _дс на рис.2c, d ясно показывают, что текущее насыщение GoSFET намного более устойчиво, чем у обычных GoIFET. Улучшенное насыщение тока стока в GoSFET приводит к более низкому значению g _ds и более высокому выходному сопротивлению, как показано на рис. 2e. Максимальное значение r _o при данном V _GS показано на рис. 2f, показывающее, что значение r _o до 2,5 МОм ∙ мкм было получено от GoSFET в в отличие от r _o значение 0.12 МОм ∙ мкм получено от GoIFET. Это улучшенное насыщение тока стока GoSFET в основном связано с подавлением генерации электронных носителей при увеличении напряжения стока, что описано на рис. 3b, c. Потенциальная энергия стока связана с уровнем энергии подложки Si. Таким образом, положительный фиксированный заряд генерируется в области обеднения около стороны стока. Этот дополнительный потенциал от подложки Si обеспечивает более высокий уровень энергии графена, и, таким образом, графен может сохранять свое поведение p-типа даже при более высоких напряжениях стока.С другой стороны, в GoIFET несущие с другой полярностью генерируются около стороны стока при более высоких напряжениях стока, что вызывает эффект перегиба в GoIFET, как показано на рис. 3a – c. Стоит отметить, что отбор тока при высоком напряжении стока в GoSFET круче, чем в GoIFET. Поверхностный потенциал в начале сильной инверсии в Si при высоком напряжении стока приводит к образованию дырочного слоя инверсии, генерируя заряд мобильных носителей и, в конечном итоге, способствуя току стока, как показано на рис.3d.

Рисунок 2: Выходные характеристики GoSFET и обычных GoIFET.

( a , b ) Выходные характеристики GoSFET в ( a ) и GoIFET в ( b ) при различных V _GS — V _{GS, Dirac} , где В _{GS, Daric} — напряжение при минимальном токе стока около В _DS = 0 В. ( c , d ) Контурные диаграммы проводимости стока ( g _ds ) GoSFET в c и GoIFET в ( d ) показывают, что текущий диапазон насыщения GoSFET шире, чем диапазон насыщения GoIFET.Пунктирная линия показывает состояние В _GS — В _{GS, Дирак} = −3 В. ( e ) Сравнение g _ds GoSFET (сплошная линия) и GoIFET (пунктирная линия) при В _GS = −0,5 В и В _{GS, Dirac} = −2,5 В, что напрямую демонстрирует надежную выходную характеристику GoSFET по сравнению с ними. графенового полевого транзистора.( f ) Максимальное выходное сопротивление ( r _o ) GoSFET и GoIFET в зависимости от V _GS , что указывает на то, что более высокое r _o является полученные от GoSFET, чем от GFET.

Рис. 3. Обычный эффект перегиба в GoIFET и улучшенное насыщение тока в GoSFET.

( a ) Схематическая демонстрация диаграммы энергетических зон графена как в GoIFET, так и в GoSFET.Генерация электрона в канале около стороны стока при высоком напряжении стока приводит к эффекту изгиба в выходных характеристиках GoIFET, в то время как фиксированный заряд в области обеднения GoSFET позволяет диаграмме энергетических зон графена растягиваться. вверх, так что графен может сохранять свое поведение p-типа. ( b , c ) Механизм вытягивания диаграммы энергетических зон графена, который вызван энергетической зоной Si в GoSFET. ( d ) Измеренные выходные характеристики GoIFET и GoSFET соответственно.Внезапный отрыв тока в GoSFET более крутой, чем в GoIFET, потому что отток тока в GoSFET приписывается току тела (область истощения исчезает, а отверстие инвертируется), а не просто из-за генерации другой носитель, как это происходит с GoIFET.

Совокупные результаты максимальных r _o на рис. 4a ясно показывают, что с точки зрения радиочастотных характеристик GoSFET превосходят обычные GoIFET из-за более высоких r _o .Далее мы исследовали корреляцию между максимальным значением r _o и несколькими параметрами устройства, включая остаточную концентрацию носителей заряда, n ₀ , контактное сопротивление, R _C и подвижность носителей полевого транзистора. , μ , как показано на рис. 4b – d. Их значения были извлечены из подгонки с использованием модели (уравнение (1) в дополнительной информации) как для GoSFET, так и для GoIFET ²⁹ .Было обнаружено, что и n ₀ , и R _C были обратно пропорциональны максимальному значению r _o в логарифмической шкале, особенно для GoSFET, как показано на рис. 4b, c. Устойчивое насыщение по току требовало сильной связи затвора, которую можно было получить при низкой паразитной емкости, то есть низкой n ₀ ^17,24 . Обычно низкие значения GoSFET объясняются неполярным свойством поверхности кремния, которое подавляет остаточные примеси между графеном и поверхностью кремния.В отличие от поверхности кремния, заряженные остатки могут легко прикрепляться к поверхности SiO ₂ (полярное поведение), что приводит к легированию графена и деградации графеновых устройств ³⁰ . Остаточные заряды на SiO ₂ составляли около 2 ~ 5 × 10 ¹¹ см ^-2 , в то время как на поверхности кремния были около 0,3 ~ 2,8 × 10 ¹⁰ см ^{-2 31,32} , которые также были проверены рамановским анализом, как показано в дополнительном (рис.S2). Результаты экспериментов показали, что на границах раздела графен / SiO ₂ больше остаточных зарядов, чем на границах раздела графен / Si.

Рисунок 4: Сравнение выходных характеристик GoSFET и GFET.

( a ) Совокупные результаты максимального выходного сопротивления ( r _o ), GFET (черные пустые квадраты) и GoSFET (красные закрашенные кружки). ( b ) Максимум r _o как функция минимальной концентрации носителя листа ( n ₀ ) для GoSFET и GoIFET.( c ) Максимум r _o в зависимости от контактного сопротивления ( R _C ) GoSFET и GoIFET. На вставке схематично показан профиль потенциала графена на краю контакта. ( d ) Максимум r _o в зависимости от внешней мобильности GoSFET и GoIFET.

Возможности подавления, которые предотвращают генерацию носителей другой полярности в канале около стока, напрямую зависят от потенциальной энергии электронов в Si, на которую влияет падение напряжения металл / графен.Следовательно, ожидается, что максимум r _o обратно пропорционален R _C для GoSFET, тогда как r _o существует независимо от R R для GoIFET. Более низкое контактное сопротивление в GoSFET по сравнению с GoIFET объясняется наличием дополнительной инжекции заряда в графен с нижней подложки Si в дополнение к металлической подушке.И атомы Pd, и Si могут взаимно диффундировать через дефекты в графене, такие как вакансии атомов углерода, тем самым образуя проводящий силицид Pd (рис. S1) в подложке Si ³³ , который является источником дополнительных инжекция заряда в графен. Более низкое контактное сопротивление графеновых устройств взаимосвязано с более высокой подвижностью полевых транзисторов в GoSFET. Наконец, на рис.3d. Тем не менее, очевидно, что подвижность полевых транзисторов GoSFET выше, чем у GoIFET, из-за более высокой энергии фононов Si (63 мэВ) по сравнению с SiO ₂ (50 мэВ) ^34,35 .

Рисунок 5a показывает, что максимальное значение r _o было пропорционально максимальному A _{V 0} , и что максимальное значение A _{V 0} было достигнуто с помощью GoSFET. , что сравнимо с таковым у полевых ВЧ-транзисторов на основе кремния.Чтобы проверить характеристики усилителя напряжения, усилитель напряжения с общим источником был реализован с P-GoSFET, как показано на рис. 5b. Усилитель напряжения показал отличные характеристики усиления напряжения, как показано на рис. 5c. Максимальное значение A _В до 9 дБ было получено при сопротивлении нагрузки ( R _D ) 50 кОм (рис. 5d).

Рисунок 5

( a ) Максимальное внутреннее усиление напряжения (A _{В 0} ) как функция максимального выходного сопротивления ( r _o ) GoSFET и GoIFET.( b ) Схема усилителя напряжения с общим источником. Один из полевых транзисторов GoSFET, демонстрирующих максимальное собственное усиление по напряжению ~ 9,4 дБ, подается в схему для измерения усиления по напряжению (A _V ). Сигнал выходного напряжения получается между стоком и землей. ( c ) Входной ( В _в , черный) и выходной ( В _выход , красный) сигналы, измеренные с помощью осциллографа. ( d ) Максимум A _В как функция напряжения затвора при сопротивлении нагрузки ( R _D ) 50 кОм.

Таким образом, использование кремниевой подложки в графеновых полевых транзисторах без изолирующего слоя приводит к устойчивому насыщению тока при широком диапазоне и исключительно высоком выходном сопротивлении. Кроме того, предлагаемые GoSFET демонстрируют превосходную совместимость процессов с обычными процессами на полевых транзисторах. Этот метод потенциально может позволить реализовать графен в приложениях RF-устройств.

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник — обзор

3.2.2.1 Силовые полевые МОП-транзисторы

МОП-транзисторы восходят к 1970-м годам, когда были произведены первые полевые транзисторы с изолированным затвором.Типичный полевой МОП-транзистор состоит из выводов затвора, истока, стока и корпуса, а также областей полупроводникового материала n-типа и p-типа, как показано на рис. 3.6. В областях кремния n-типа имеется большое количество электронов в зоне проводимости атомов кремния, которые образуют материал, и эти электроны являются основными носителями заряда. Напротив, кремний p-типа имеет дефицит электронов в валентной зоне, также известный как изобилие дырок, и движение этих дырок в валентной зоне отвечает за перенос заряда.

Рисунок 3.6. (A) Планарная структура MOSFET (слева) и (B) Вертикальная структура MOSFET (справа).

В типичном планарном МОП-транзисторе затвор изолирован от полупроводника с помощью оксида, а вывод корпуса внутренне соединен с источником, оставляя три открытых вывода. Это дает эффект создания диода между истоком и стоком, который может блокировать ток, протекающий от стока к истоку, когда устройство выключено. МОП-транзистор работает как переключатель, подавая положительное напряжение смещения на затвор относительно стока.Это создает электрическое поле, которое притягивает электроны из кремния p-типа к затвору. Эти электроны заполняют пространство между двумя высоколегированными областями n-типа, образуя инверсионный слой и тем самым обеспечивая путь для прохождения тока от стока к истоку.

Планарный полевой МОП-транзистор не подходит для приложений с переключением мощности по нескольким причинам. Рабочее напряжение устройства зависит от длины канала (то есть ширины области p-типа, как показано на рис.3,6 А), в то время как номинальный ток устройства зависит от поперечного сечения токоведущей части и, следовательно, ширины канала (т. Е. Глубины страницы, как показано на рисунке). Для силовых приложений планарный МОП-транзистор потребует значительных пространственных размеров для создания большой площади поперечного сечения, необходимой для передачи большого количества тока. Вертикальные конструкции, подобные показанной на рис. 3.6В, решают эту проблему и позволяют использовать более высокие токи. В этой конфигурации ток течет вертикально, тем самым увеличивая площадь поперечного сечения, через которое проходит ток, при сохранении примерно того же размера корпуса.Номинальное напряжение устройства зависит от толщины и концентрации легирования в слое n-типа, что также может влиять на сопротивление в открытом состоянии.

Два источника неэффективности силовых преобразователей, использующих полевые МОП-транзисторы, — это коммутационные потери и потери проводимости. Коммутационные потери в полевых МОП-транзисторах понимаются с учетом емкости затвора. Этот конденсатор необходимо зарядить, чтобы поднять напряжение затвора до достаточно высокого уровня для включения транзистора. Точно так же нужно снять заряд, чтобы снизить напряжение и выключить транзистор.Если транзистор используется в качестве высокочастотного переключателя, как в случае с SST, которые мы рассмотрели, постоянное добавление и удаление заряда потребляет значительное количество энергии и генерирует тепло, с которым должен справляться объемный кремний. Потери при переключении снижаются за счет минимизации заряда, необходимого для включения устройства. Потери проводимости, напротив, снижаются за счет уменьшения сопротивления в открытом состоянии.

За последние несколько десятилетий в базовую структуру полевого МОП-транзистора, показанную на рис.3.6 для повышения производительности в силовых приложениях. Например, введение слаболегированных стоков позволило полевым МОП-транзисторам блокировать более высокие напряжения при выключении (Saxena & Kumar, 2012). Геометрические улучшения, такие как введение затворов для уменьшения сопротивления в открытом состоянии, улучшили способность силовых полевых МОП-транзисторов управлять током (Shenai, 2013). Несмотря на эти улучшения, фундаментальным ограничением технологии MOSFET является связь между сопротивлением в открытом состоянии и напряжением пробоя устройства.В частности, сопротивление в открытом состоянии увеличивается пропорционально квадрату напряжения пробоя (Shenai, 2013). По этой причине трудно получить высокое рабочее напряжение при одновременном протекании больших токов.