20352

ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГВВ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

В биполярных транзисторах происходит перенос как основных носителей заряда в полупроводнике так и неосновных; в полевых только основных. Управление током прибора в биполярных транзисторах осуществляется за счет заряда неосновных носителей накапливаемых в базовой области; в полевых за счет действия электрического поля на поток носителей заряда движущихся в полупроводниковом канале причем поле направлено перпендикулярно этому потоку. Для увеличения мощности прибора в биполярных транзисторах используют многоэмиттерную структуру а в...

Русский

2013-07-25

437.5 KB

29 чел.

Лекция 7. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГВВ

7.1. Типы мощных транзисторов, используемых в генераторах

7.2. Биполярные транзисторы

7.3. Полевые транзисторы

7.1. Типы мощных транзисторов, используемых в генераторах

В ГВВ могут использоваться биполярные и полевые транзисторы.

В биполярных транзисторах происходит перенос как основных носителей заряда в полупроводнике, так и неосновных; в полевых - только основных. Управление током прибора в биполярных транзисторах осуществляется за счет заряда неосновных носителей, накапливаемых в базовой области; в полевых - за счет действия электрического поля на поток носителей заряда, движущихся в полупроводниковом канале, причем поле направлено перпендикулярно этому потоку.

Для увеличения мощности прибора в биполярных транзисторах используют многоэмиттерную структуру, а в полевых - многоканальную. Материалом для мощных ВЧ транзисторов обоих типов служит кремний, в СВЧ приборах применяют также арсенид галлия.

Задача повышение выходной мощности сигнала и максимальной частоты усиления в полупроводниковом приборе решена путем создания кремниевых и арсенид-галлиевых транзисторов с многоэмиттерной и многоканальной структурой. Другое направление в развитии генераторных транзисторов связано с повышением их линейных свойств при усилении сигналов повышенной мощности. В табл. 7.1 приведены четыре основных параметра - максимальная частота усиления , выходная мощность , коэффициент усиления по мощности , КПД нескольких типов ВЧ мощных биполярных и полевых транзисторов.

Основные сведения для мощных транзисторов, необходимые для анализа работы ГВВ, приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1

Тип транзистора

Частота,

МГц

Мощность,

Вт

Коэффициент усиления, дБ

КПД, %

КТ927В (биполярный)

КП904А (полевой)

КТ922В (биполярный)

КТ931А (биполярный)

КТ930В (биполярный)

30

60

175

175

400

75

50

40

80

75

15

20

7

7

7

50

55

60

60

50

7.2. Биполярные транзисторы

Принцип действия. Биполярные транзисторы делятся на две большие группы: типа n-р-n и р-п-р. Под n понимается электронная проводимость материала, под р - дырочная. Мощные биполярные транзисторы являются, как правило, типа п-р-п.

В основе работы биполярного транзистора типа n-р-n лежат три явления: инжекция электронов из эмиттера в область базы, их накопление в базовой области (по отношению к проводимости типа р электроны становятся неосновными носителями заряда) и перенос электронов под действием внешнего электрического поля из базы к коллектору (рис. 7.1,а). Здесь имеют место два ограничения, не позволяющие увеличивать мощность прибора при одновременном повышении частоты сигнала. Первое ограничение связано с предельной скоростью движения электронов в полупроводнике. Так, для кремния эта скорость, зависящая от напряженности электрического поля, не превышает см/с (рис. 7.1,б). Второе ограничение связано с предельным значением напряженности электрического поля , при превышении которого наступает электрический пробой. У кремния  В/с.

Рис. 7.1. Зависимость скорости движения электронов в полупроводнике от напряженности электрического поля.

Предельная или граничная частота усиления транзистора  непосредственно связана со временем переноса носителей заряда  через базовую область толщиной W (рис. 7.1,а):

,                                       (7.1)

где  - время переноса носителей через базу.

Для напряженности электрического поля запишем (7.1)

,                                                (7.2)

где  - напряжение коллектор-база.

Совместно решив уравнения (7.1), (7.2) с учетом указанных значений  и  и приняв Е=0,6, получим

,                                     (7.3)

которое определяет предельные возможности биполярного транзистора. Согласно (7.3) чем выше частота, тем меньше должно быть напряжение питания, а следовательно, и мощность биполярного транзистора. Так, при напряжении питания коллектора транзистора =20 В его граничная частота усиления составит =5 ГГц.

С помощью специальной, очень сложной технологии при создании СВЧ транзисторов удалось приблизиться к теоретическому пределу, определяемому соотношением (7.3). В качестве примера укажем, что в транзисторе =400 МГц толщина базовой области W=0,7 мкм; при =1...2 ГГц W= 0,2...0,3 мкм.

Помимо двух названных (предельная скорость переноса носителей заряда и допустимая напряженность электрического поля), есть еще два ограничительных фактора, не позволяющих увеличить мощность транзистора: допустимая температура р-n-перехода (у кремния не выше ) и эффект оттеснения. Сущность последнего сводится к тому, что с возрастанием плотности тока перенос носителей заряда оттесняется ко внешнему краю эмиттера. В результате значение тока определяется периметром, а не площадью эмиттера, что не позволяет увеличивать мощность с повышением частоты. Последнее ограничение удалось преодолеть путем создания так называемых многоэмиттерных структур, в которых существенно увеличен периметр эмиттера без увеличения его площади. Одна из таких структур, называемая полосковой, показана на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Полосковая многоэмиттерная структура р-n-перехода

В этой структуре эмиттер 1 имеет гребенчатую структуру. Такую же форму имеют контактные площадки выводов базы 2. Коллектор в приборе общий. Общее число полосков-эмиттеров в приборе может достигать нескольких десятков.

В качестве примера приведем параметры типичного СВЧ транзистора полоскового типа: размеры одного эмиттерного полоска 16х240 мкм; число полосков-эмиттеров 18; площадь коллектора 0,22 ; общий периметр всех эмиттеров 8 мм, площадь 0,065 .

Для повышения выходной мощности СВЧ транзистора на одном кристалле располагают несколько структур, а в одном корпусе размещают несколько кристаллов. Тепло, рассеиваемое в кристалле транзистора, необходимо отвести на его корпус. При этом обеспечивается электрическая изоляция электродов относительно корпуса прибора, для чего используется бериллиевая керамика - диэлектрик с высокой теплопроводностью (такой же, как у латуни). В зависимости от схемы применения в мощных транзисторах с корпусом соединяется эмиттер или база. Внешний вид двух типов транзисторов показан на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Внешний вид двух типов транзисторов.

Работа транзистора описывается большим числом характеристик и параметров, которые позволяют произвести расчет режима работы прибора в каскадах различного назначения и установить правильные условия его эксплуатации. Рассмотрим наиболее важные характеристики и параметры мощных транзисторов с рассеиваемой мощностью более 3...5 Вт.

Cтатические, характеристики биполярного транзистора. При схеме транзистора с общим эмиттером различают два вида семейств характеристик: выходные - зависимости тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер и тока базы  (рис. 7.4,а) и входные - зависимости тока базы от напряжения эмиттер-база и коллектор-эмиттер  (рис. 7.4,б). У кремниевых транзисторов напряжение отсечки =0,5...0,7 В.

Рис. 7.4. Статические характеристики биполярного транзистора.

При изменении температуры происходит смещение характеристик. Так, входная характеристика смещается влево при повышении температуры и вправо с ее понижением.

Биполярный транзистор представляет собой структуру из двух р-n-переходов (см. рис. 7.1). Сначала рассмотрим отдельно взятый р-п-переход, статическая характеристика которого описывается функцией

,                                                (7.4)

где - обратный ток, или ток насыщения;  - напряжение, приложенное к р-n-переходу; =25,6 мВ - температурный потенциал.

Статическая характеристика р-n-перехода (7.4), приведенная на рис. 7.5, имеет два участка: один соответствует открытому р-n-переходу при приложении к нему прямого напряжения, другой - закрытому р-n-переходу при обратном напряжении. Обратное напряжение, превышающее по абсолютной величине напряжение , приводит к электрическому пробою р-n-перехода.

Рис. 7.5. Статическая характеристика р-n-перехода

Таблица 7.2

Коллекторный переход - вид включения

Эмиттерный переход - вид включения

Область

на характеристиках

Обратное

Обратное

Прямое

Прямое

Обратное

Прямое

Прямое

Обратное

Отсечки (1)

Активная (2)

Насыщения (3)

Инверсная (4)

В реальной модели значение тока  ограничено сопротивлением активных потерь  р-n-перехода. Закрытый р-n-переход характеризуется барьерной, или зарядовой, емкостью

,                                                  (7.5)

где  - начальная емкость р-n-перехода; и - обратное напряжение, приложенное к р-n-переходу;  - контактная разность потенциалов ( - 0,5...0,8 В - для кремния);  - коэффициент перехода, зависящий от состава примесей в переходе (обычно =0,5).

График функции (7.5) приведен на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Зависимость зарядовой емкости от обратного напряжения.

Модель транзистора, как структура из двух р-n-переходов, может быть представлена в виде, показанном на рис. 7.7.

Рис. 7.7. Модель транзистора из двух р-п-переходов.

Каждый из р-n-переходов может находиться в открытом или закрытом состоянии в зависимости от приложенного к нему напряжения - прямого или обратного.

Таким образом, в зависимости от того, какое напряжение приложено к эмиттерному и коллекторному переходу - прямое или обратное, могут быть четыре состояния биполярного транзистора, показанные в табл. 7.2, и соответственно четыре области на плоскости его статических характеристик: отсечки (1), активная (2), насыщения (3), инверсная (4) (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Четыре состояния биполярного транзистора

Область насыщения (3) характеризуется сопротивлением насыщения:

.

При обратном напряжении, приложенном к р-n-переходу, превышающем обратное напряжение , происходит электрический пробой, сопровождаемый резким увеличением носителей заряда - их лавинному умножению. Эта область обозначена на рис. 7.8 цифрой 5. Заход в нее недопустим, поскольку пробой р-n-перехода является необратимым явлением, приводящим к выходу прибора из строя.

Зарядовая модель транзистора в схеме с общей базой. Процессы, протекающие в теоретической модели транзистора при работе в активной области в схеме с общей базой (рис. 7.9,а; ЭЦ - электрическая цепь), могут быть описаны двумя уравнениями:

;                                                         (7.6)

;                                                          (7.7)

где  - заряд базы;  - среднее время жизни неосновных носителей заряда в области базы (в транзисторе типа n-р-n ими являются электроны);  - ток эквивалентного генератора в коллекторной цепи;  - время пролета носителями заряда базовой области, определяемое согласно (7.1).

Рис. 7.9. Зарядовая модель транзистора в схеме с общей базой.

Уравнение (7.6) определяет накопление заряда в базовой области, (7.7) - их дальнейший перенос к коллектору под действием внешнего электрического поля. Для составления эквивалентной схемы транзистора рассмотрим цепь из параллельно соединенных сопротивления R и емкости С (рис. 7.10), для которой согласно правилам электротехники запишем:

; ; ; .

Из последнего выражения получим

,                                                       (7.8)

где Q - заряд, накапливаемый емкостью; =CR - постоянная времени цепи.

Сравнивая уравнения (7.6) и (7.8), устанавливаем их полное совпадение, что позволяет сделать следующий вывод: эквивалентная схема открытого р-n-перехода есть параллельная цепь из сопротивления  и емкости , произведение которых и есть постоянная времени , где , называются диффузионной емкостью или сопротивлением открытого эмиттерного перехода. Сказанное позволяет от схемы рис. 7.9,а перейти к эквивалентной схеме рис. 7.9,б.

Рис. 7.10.                                                               Рис. 7.11.

Совместно решая уравнения (7.6), (7.7), получим дифференциальное уравнение, связывающее ток на выходе транзистора (ток коллектора ) с входным током (ток эмиттера ):

,                                                     (7.9)

где - коэффициент передачи тока на низкой частоте в схеме с общей базой ();  - граничная частота, определяемая согласно (7.1);  - граничная частота в схеме с общей базой.

В операционной форме уравнение (7.9) примет вид

.                                            (7.10)

Формальной заменой р на  из формулы (7.10) получим зависимость коэффициента передачи тока в схеме с общей базой от частоты:

.                                           (7.11)

Для модуля той же величины из (7.11) получим

.                                           (7.12)

График функции (7.12) построен на рис. 7.11. Из него следует, что при частоте  коэффициент передачи тока  уменьшается в 1,41 раза по сравнению с его низкочастотным значением .

Коэффициент усиления по мощности в схеме с общей базой есть произведение из коэффициентов усиления по току , и по напряжению :

.                                (7.13)

где

Из (7.13) следует, что в схеме с общей базой коэффициент усиления сигнала по мощности .

Зарядовая модель транзистора в схеме с общим эмиттером. Процессы, протекающие в теоретической модели транзистора при работе в активной области в схеме с общим эмиттером (рис. 7.12,а), могут быть описаны тремя уравнениями: (7.6), (7.7) и дополнительным - для тока базы , который является входным в данной схеме:

.                                                      (7.14)

Совместное решение уравнений (7.6), (7.7) и (7.14), проведенное по той же методике, что и в предыдущем случае, приводит к эквивалентной схеме, приведенной на рис. 7.12,б.

По аналогии с предыдущим случаем для коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером и для модуля данной величины получим:

;                                          (7.15)

,                                               (7.16)

где  - коэффициент усиления по току на низкой частоте в схеме с общим эмиттером;  - граничная частота в схеме с общим эмиттером.

График функции (7.16) построен на рис. 7.11. Из него следует, что при частоте  коэффициент передачи тока  уменьшается в 1,41 раза по сравнению с его низкочастотным значением .

При частоте  из (7.16) получим

.                                                    (7.17)

Коэффициент усиления по мощности в схеме с общим эмиттером по аналогии с (7.13):

.                                                     (7.18)

Из сравнения (7.13) с (7.18) следует, что коэффициент усиления по мощности в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме с общей базой. Однако в области высоких частот, близких к граничной частоте  как это следует из приведенных формул и графиков на рис. 7.11, они различаются мало. Граничная частота , является самым важным параметром, характеризующим частотные свойства транзистора. Значение , можно определить экспериментальным путем согласно (7.17). Для этого следует измерить модуль коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером (см. рис. 7.12,а) и умножить полученное значение на частоту, при которой проводились измерения. Максимальная частота усиления генератора, как правило, не превосходит значения ,. При , коэффициент усиления мощных ВЧ и СВЧ биполярных транзисторов обычно находится в пределах 3...6 дБ, т.е. в 2 — 4 раза по мощности.

Рис. 7.12. Схема с общим эммитером.

Теоретическая, идеализированная модель транзистора (ТМ), показанная на рис. 7.9 и 7.12, отражает наиболее важные процессы, протекающие в его структуре. В реальной эквивалентной схеме биполярного транзистора помимо этой модели следует также учесть: индуктивности выводов электродов (, , ); сопротивления потерь в базе () и коллектора (,); стабилизирующие сопротивления, включаемые последовательно с эмиттерами и отображаемые в виде общего сопротивления (); зарядную или барьерную емкость закрытого коллекторного перехода (,). Такая модель транзистора при работе в активной области и схеме с общим эмиттером приведена на рис. 7.13.

Рис. 7.13. Модель транзистора для схемы с общим эмиттером.

Предельно допустимые параметры транзистора. У мощного биполярного транзистора ограничены токи, напряжения на р-n-переходах и мощность рассеяния. К их числу относятся:

импульсное (пиковое) значение коллекторного тока;

постоянная составляющая коллекторного тока в непрерывном режиме;

пиковые значения напряжения коллектор-эмиттер и коллектор-база (обычно не более 45...65 В), не превышающие напряжение пробоя  (см. рис. 7.8);

пиковое значение обратного напряжения база-эмиттер (обычно не более 4...6 В), не превышающее напряжение пробоя этого p-n-перехода;

мощность , рассеиваемая коллектором.

Остановимся подробнее на последнем параметре. Часть подводимой к транзистору мощности от источников питания и возбуждения рассеивается в нем в виде тепла. В результате температура переходов и корпуса транзистора превышает температуру окружающей среды. Мощность , рассеиваемая коллектором, и температура р-n-перехода  связаны в транзисторе соотношением

,                                                   (7.19)

где -температура корпуса транзистора;  - тепловое сопротивление участка р-n-переход-корпус, град/Вт.

При температуре корпуса  (обычно -50...70) максимально допустимая мощность, рассеиваемая коллектором, снижается по закону:

.                     (7.20)

График функции (7.20) построен на рис. 7.14.

Рис. 7.14.

При работе транзистора в составе генератора недопустимо превышение ни одного из перечисленных предельно допустимых параметров. Нарушение этого правила приводит или к резкому сокращению долговечности полупроводникового прибора, или к его внезапному отказу и выходу из строя аппаратуры в целом.

7.3. Полевые транзисторы

Принцип действия и эквивалентная схема. Полевой транзистор относится к разряду униполярных полупроводниковых приборов, в которых осуществляется перенос только основных носителей заряда. Материалом для СВЧ полевых транзисторов обычно служит арсенид галлия (GaAs), позволяющий снизить активные потери в приборе и поднять максимальную частоту усиления до 6...8 ГГц.

Основное различие в нескольких типах полевых транзисторов связано с методом управления потоком носителей заряда, движущихся в полупроводниковом канале.

Структура одного из полевых транзисторов, называемого металлополупроводниковым, с затвором типа барьера Шоттки приведена на рис. 7.15.

Рис. 7.15. Структура полевого транзистора с затвором Шоттки.

Электрическое поле, создаваемое напряжением, приложенным к затвору , направлено перпендикулярно потоку зарядов в канале. Изменяя значение , воздействуют на этот поток, движущийся от истока к стоку, увеличивая или уменьшая выходной ток прибора.

Эквивалентная схема полевого транзистора ВЧ диапазона, приведенная на рис. 7.16, включает в себя:  - емкость затвор-исток,  - емкость сток-исток,  - емкость затвор - сток (проходная емкость),  - емкость затвор-канал, , - сопротивления потерь,  - эквивалентный генератор тока стока.

Частотные свойства полевого транзистора определяются постоянной времени:

,                                                    (7.21)

где  - постоянная времени цепи затвор-канал (см. рис. 7.16);  - время пролета носителями заряда по каналу от истока к стоку.

Рис. 7.16. Эквивалентная схема полевого транзистора ВЧ диапазона

Ток эквивалентного генератора определяется напряжением, приложенным непосредственно к участку затвор-канал (см. рис. 7.15). Поэтому в ВЧ диапазоне, пренебрегая вторым слагаемым, для гeнератора стока имеем

                                             (7.22)

где  - крутизна статической характеристики; - напряжение между затвором и каналом; - напряжение на входе прибора.

Согласно (7.22) зависимость амплитуды тока стока от частоты сигнала определяется выражением

.                                           (7.23)

Из (7.23) следует, что в полевом транзисторе, как и в биполярном, коэффициент усиления прибора по мощности уменьшается с повышением частоты.

Статические характеристики полевого транзистора. При схеме транзистора с общим истоком различают два вида семейств характеристик: зависимости тока стока от напряжения сток-исток и затвор-исток  (рис. 7.17,а) и зависимость тока стока от напряжения затвор-исток  (рис. 7.17,б).

Рис. 7.17. Статические характеристики полевого транзистора

Тангенс угла наклона линейного участка характеристики  есть статическая крутизна . По внешнему виду статические характеристики полевого транзистора близки к характеристикам биполярного транзистора (см. рис. 7.4). Однако следует иметь в виду, что биполярный транзистор управляется входным током (при схеме с общим эмиттером - током базы), полевой - входным напряжением затвор-исток.

Предельно допустимые параметры транзистора. У мощного полевого транзистора ограничены токи, напряжения между электродами и мощность рассеяния. К их числу относятся:

импульсное (пиковое) значение тока стока;

постоянная составляющая тока стока в непрерывном режиме; постоянная составляющая тока затвора в непрерывном режиме;

постоянное и пиковое значения напряжений сток-исток, затвор-исток и затвор-сток;

мощность , рассеиваемая прибором.

Зависимость допустимой мощности рассеиваемой прибором  от температуры, как и в случае биполярного транзистора, определяется формулой (7.20) или согласно рис. 7.14.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

79381. УГОЛОВНАЯ ОТВЕСТВЕННОСТЬ НЕСОВЕРШЕННОЛЕТНИХ. ПОНЯТИЕ ПРСТУПЛЕНИЯ. ОСОБЕННОСТИ УГОЛОВНОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТИ НЕСОВЕРШЕННОЛЕТНИХ 16.78 KB
  Лишение свободы на определенный срок в возрасте до 16 лет на срок до 6 лет. Если за особо тяжкое преступления с санкцией до 10 лет несовершеннолетним назначается отбытие в воспитательных колониях. М.Б. наказание в виде лишения свободы и за небольшой и средней тяжести преступления, есл преступления совершены впервые.
79382. УГОЛОВНАЯ ОТВЕСТВЕННОСТЬ ЗА ХУЛИГАНСТВО, ВАНДАЛИЗМ, НАДРУГАТЕЛЬСТВО, ЗА ПРИВЕДЕНИЕ В НЕГОДНОСТЬ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ 19.16 KB
  Грубое нарушение общественного порядка: действия причинившие существенный ущерб личным или общественным интересам либо выразившееся в злостном нарушении общественной нравственности Примеры: срыв общественного мероприятия нарушение покоя и отдыха граждан в ночное время распитие спиртных...
79383. ПРАВИЛА ПОВЕДЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ЧС ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО ХАРАКТЕРА 55 KB
  Способы оповещения и управления эвакуацией людей при пожаре: подачей звуковых и или световых сигналов во все помещения здания с постоянным или временным пребыванием людей; трансляцией текстов директор школы зам. директора о необходимости эвакуации путях эвакуации направлении...
79385. ПРЕДНАЗНАЧЕНИЕ И ЗАДАЧИ ГО. СТРУКТУРА И ОРГАНЫ УПРАВЛЕНИЯ. КЧС И ПБ 60 KB
  Определяет: задачи и правовые основы их осуществления; правовое регулирование в области гражданской обороны; принципы организации и ведения гражданской обороны; полномочия органов государственной власти Российской Федерации органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации...
79386. ЯДЕРНОЕ ОРУЖИЕ И ЕГО ПОРАЖАЮЩИЕ ФАКТОРЫ 36 KB
  Световое излучение – поток лучистой энергии: ультрафиолетовые, инфракрасные видимые лучи. Вызывает ожоги, поражение органов зрения, возгорание горючих веществ. Время действия – 20 секунд. Защита: непрозрачные материалы, убежища, различные преграды.
79387. ХИМИЧЕСКОЕ И БАКТЕРИОЛОГИЧЕСКОЕ (БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОРУЖИЕ) 41 KB
  Поражают нервную систему через органы дыхания и кожу, желудочно-кишечный тракт. Стойкость: летом – сутки; зимой – несколько недель и даже месяцев Признаки: слюнотечение, сужение зрачков (миоз), затруднение дыхания, тошнота, рвота, судороги, паралич.
79388. Газовые законы. Уравнение состояния идеального газа. Молярная газовая постоянная 54.89 KB
  Уравнение состояния идеального газа. Средняя кинетическая энергия молекул идеального газа с помощью формулы Больцмана может быть выражена через температуру: Подставляя это выражение в основное уравнение молекулярно-кинетической теории...
79389. История атомистических учений. Наблюдения и опыты, подтверждающие атомно-молекулярное строение вещества. Масса и размеры молекул 22.61 KB
  Наблюдения и опыты подтверждающие атомно-молекулярное строение вещества. Среди трудов крупных философов-физиков занимавшихся учением о молекулярном строении вещества особую роль сыграли труды великого русского учёного М. Строение вещества дискретно прерывисто.