Read Vilniaus universitetas text version

VILNIAUS UNIVERSITETAS

Fizikos fakultetas Radiofizikos katedra

CESLOVAS PAVASARIS

PUSLAIDININKINIAI TAISAI

VEIKIMO IR TAIKYMO PAGRINDAI ( I dalis. Pasyvieji ir aktyvieji radiotechnini grandini elementai )

( Antra pataisyta ir papildyta redakcija )

Mokymo priemon

Ceslovas Pavasaris

2009

VILNIUS 2009

PRATARM

Si mokymo priemon yra sudaryta is dviej dali: I dalis. Pasyvieji ir aktyvieji radiotechnini grandini elementai; II dalis. Radiotechnins grandins: pasyvios ir aktyvios. Abejos dalys yra skirtos Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto antrojo kurso studentams susipazinti su mokomojoje "Elektronikos laboratorijoje" atliekam elektronikos bei radioelektronikos laboratorini darb radiotechniniais grandynais, j pasyvij element bei aktyvij element- puslaidininkini tais ( prietais ) teoriniais veikimo bei taikymo pagrindais. Leidinio I- oje dalyje yra nagrinjami tiesini ir netiesini bei parametrini radiotechnini element ( vairi puslaidininkini diod, dvipoli bei vienpoli ( lauko ) tranzistori ) fizikiniai veikos principai, savybs vairiuose jungimo grandinse, elektrini charakteristik aprasymo bdai bei tranzistori ( dvipoli ir vienpoli ) triuksm fizika. Taip pat pateikti puslaidininkini tais bei elektronini grandyn su jais teorinio modeliavimo matematiniai pagrindai. Mokymo priemon parasyta laikantis principo, jog skaitytojas yra isklauss kietojo kno fizikos kurs ( metal, puslaidininki bei dielektrik elektrins savybs ), arba yra susipazins savarankiskai, gerai zino bendrosios fizikos elektros skyrius- statikos bei dinamikos. Si mokymo priemon gali bti naudinga ir kit aukstesnij bei aukstj mokymo staig studentams- bakalaurams, magistrams bei doktorantams, besidominciais elektronika. P. S. Pastebjus netikslum arba klaid, prasome savo pastabas bei pageidavimus sisti elektroniniu adresu: mailto:[email protected] Autorius

2

1. PAGRINDINAI RADIOTECHNINI GRANDYN ELEMENTAI

1.1. Pasyvieji ( tiesiniai ) elementai Varzos elementas R ( varzas, rezistorius )- idealizuotas elementas, neturintis parazitini reaktyvij sand- talpos bei induktyvumo. Tokiame elemente pastoviosios tampos UR ( arba UR= ) ir juo tekancios pastoviosios srovs I isreiskiamas Omo dsniu grandyno daliai: UR I R·R I R /G, kur: R - rezistoriaus varza; G 1/R - laidumas arba admitansas. Rezistorius R radiotechnini grandyn schemose gali bti pavaizduotas dviem bdais, parodytais 1.1 pav., kur: a - atitinka Europin standart; b- Amerikietiskj standart; c- ir dreguliuojamos varzos rezistorius ( potenciometras ). IR R UR IR R UR R R (1.1)

R

( arba I

R =

) srysis yra

a

b

c

d

1.1 pav. Rezistoriaus R zymjimas radiotechniniuose ir elektroniniuose grandynuose Elektros srov I ( harmoninio signalo atveju kompleksinis dydis, kur zymsime pajuodintu sriftu) sudaro elementarij daleli ar j darini, turinci elementar elektros krv q ir greit v, judjimas: I q·n·S·v, kur: n- krvinink tankis; S- plotas, orientuotas statmenai greiciui v. Is cia seka, jog srov I yra vektorius. Srovs I kryptimi susitarta laikyti teigiamai elektrint + q daleli judjimo krypt. Todl srovs I tekjimo kryptis yra priesinga elektron judjimo krypciai. Kai rezistoriumi R teka srov I R, tarp jo isvad ( gnybt ) susidaro tampa UR, kurios modulis (amplitud) lygus potencial 1 ir 2 skirtumui (1.2 pav.): UR ( ± 1 ) ­ ( ± 2 ) ± U12 U21. (1.2)

kur: 1 ir 2 - rezistoriaus R isvad potencialai, pasirinkto atskaitos tasko ( bazinio potencialo ) atzvilgi. Cia reikia pastebti, jog bendru atveju, priklausomai nuo pasirinkto atskaitos tasko, 3

R +1

IR 2

Im

0 b

Uo R Re

UR UR = + U12 = | U21| a

IoR

1.2 pav. Rezistoriuje R tampos UR ir srovs I R vektori kryptys, kai 1 2 (a) bei harmonins tampos UR ir srovs I R vektorin diagrama ( b) potencial 1 ir 2 zenklai gali bti skirtingi arba vienodi, taciau j skirtumo modulis |U12, 21| islieka pastovus dydis. Susitarta, jog tampos UR kryptis sutampa su elektrinio lauko stiprio E linij kryptimi, t. y. nukreipta teigiamai elektrint daleli judjimo kryptimi. Todl tampos UR poliaringumas "+" arba ""rezistoriaus R gnybtuose yra vienareiksmiskai nusakytas srovs I R krypties, ir atvirksciai, taip, kaip yra parodyta 1.2 pav. Sis srysis bendru atveju nusakomas vektori E ir d skaliarine sandauga: U E·d E·d·cos , kur: d - atstumas; - maziausias kampas tarp vektori E ir d. Is cia ir (1.2) seka, jog tampa U is esms yra skaliarinis dydis, turintis atitinkam zenkl "+" arba "". Taciau kintamj signal grandinse harmonini signal atveju tampa U yra atvaizduojama kompleksiniu dydziu U. Todl elektronini grandini grafins analizs metoduose tampai U, kaip ir srovei I, yra taikomas vektori vaizdis, o tuo paciu ir visi matematiniai veiksmai su vektoriais. Cia pastebsime, kad tampos U kryptis ir modulio U vert nepriklauso nuo potencial 1 ir 2 pasirenkamo atskaitos tasko. Taigi, elektrinio lauko E potencialai 1 ir 2 yra santykiniai dydziai, t. y. priklauso dydziu ir zenklu nuo pasirenkamo atskaitos tasko. Tuo tarpu tampa UR (1.2) yra absoliutinis dydis ir nepriklauso nuo potencial 1 ir 2 matavimo ( atskaitos ) tasko. Srov I ir tampa U gali bti: nuolatins, kai j kryptys nekinta, o verts gali kisti; pastovios, kai j kryptys ir verts nekinta laiko t bgyje; kintamos, kai j kryptys ir verts yra laiko t funkcijos. Todl pastovij srov ir tamp zymsime didziosiomis raidmis I ir U ( arba I ir U ), atitinkamai. Kintamuosius srovs ir tampos dydzius zymsime I ( t ) ir U ( t ) ( arba I ir U ), atitinkamai, o j momentines ( akimirkines ) vertes- mazosiomis raidmis i ir u ( arba i ( t ) ir u ( t )), atitinkamai. Harmonini signal atveju, kai turime kitim laike sinuso (sin) arba kosinuso (cos) dsniu, naudosime vektorini bei kompleksini dydzi zymjim pajuodintu sriftu- I, U. Siuo atveju harmonini signal amplitudines vertes zymsime su indeksu "o" : I o ir Uo. Nuolatin srov ir tamp zymsime atitinkamomis raidmis su indeksu "" : I ir U arba i ir u , arba i ( t ) ir u ( t ). Cia aprasyt elektrini signal laikins diagramos yra parodytos 1.3 pav. 4

I, U Nuolatinis 0

Pastovusis

t Kintamasis

1.3 pav. vairi elektrini signal laikins diagramos Omo dsnis grandyno daliai (1.1) su rezistoriumi R nuolatins ir kintamosios harmonins srovs I atveju yra uzrasomos analogiskai: u R R i R i R /G R, kur: G

R

UR R I R I R /G R,

(1.3)

1/R- rezistoriaus R laidumas ( cia pastebsime, jog pirmoji momentini verci ir tampos UR kryptys varzo R elemente visada sutampa, tai

israiska tinka bet kokio signalo atveju ). Kadangi srovs I

R

momentin galia p R rezistoriuje yra visada teigiama ( p R 0) ir virsta Dzaulio siluma Q T: Q T / t p R i R u R R i R2 u R2/R i R2/G R G R u R2 0. (1.4) Srovs I

R

ir tampos UR krypci situacija yra pavaizduojama kompleksinje ir UR sukasi

plokstumoje {Re, Im} (1.2 pav. b), kurioje x {Re}, o y {Im}, t. y. {Im} ir {Re}menamoji ir realioji asys, atitinkamai. Cia pastebsime, jog abu vektoriai I orientacij. Induktyvumo elementas L ( indukcin ritel )- idealizuotas reaktyvusis elementas, kurio apvij omin varza R L 0. Tokiame elemente kintamosios momentins tampos u L ir juo tekancios kintamosios momentins srovs i L srysis yra isreiskiamas taip: u L L (d i L /d t ), kur: L - ritels induktyvumas. Ritels L grafiniai simboliai yra parodyti 1.4 pav., kur: a- pastovaus induktyvumo ritel, b- reguliuojamo induktyvumo ritel. Momentin galia p L idealioje ritelje L yra: p L u L·i L L·i L·(d i L /d t ). (1.6) (1.5)

R

kartu cikliniu dazniu pries laikrodzio rodykls judjimo krypti, islaikydami tarpusavio

5

i a)

uL L c)

Im Uo L

0 IoL Re

b)

L

1.4 pav. Ritels L zymjimas elektroniniuose grandynuose (a, b) bei harmonins tampos UL ir srovs I L vektori kryptys indukcinje ritelje L Is israiskos (1.6) seka, jog momentin galia p L ritelje L gali turti teigiam ( p L 0) arba neigiam ( p

L

0 ) zenkl, t. y. gali kaupti energij, arba j atiduoti grandin,

atitinkamai, taciau idealioje ritelje visada Q T 0. Tegul tekanti per ritel L srov i L kinta harmoniskai- i L I o L·sin ( t), kur: I o L amplitudin srovs i L vert; - ciklinis daznis. Esant siai prielaidai, is (1.5) tampa u L ya: u L L d I o L·sin ( t ) /d t I o L· ·L·cos ( t ) Uo L·cos ( t ), (1.7) kur: Uo L I o L L - amplitudin tampos u L vert. Is (1.7) seka, jog ritels L gnybtuose tampa u L pralenkia tekanci srov i L kampu /2 (arba 90 o ). Si situacija 1.4 pav. c yra pavaizduota kompleksinje plokstumoje { Re, Im}. Taikant Omo dsn grandyno daliai su ritele L, is (1.7) galima uzrasyti: Uo L·cos ( t ) I o L· ·L·cos ( t ), Uo L I o L L Z L I o L, kur: Z L L - ritels induktyvioji varza ( impedansas ). Panaudoj kompleksini skaici matematin formalizm, ritelje L kompleksin srov I L uzrasome taip: I L I o L·e j i, o kompleksin tamp- UL Uo L·e j u, kur tampos UL faz(1.8)

u i /2 - tampos ir srovs fazi srysis; j- menamas vienetas ( j (­ 1)1/2, j 2 ­ 1, ... );

e lim ( 1 + n 1 ) n 2,718 ... exp. Is cia israiskos (1.8) lygybes galima uzrasyti taip:

n

UL Uo L·e j u I o L· ·L·e j ( i /2) I o L· ·L·e j i·e j (/2) UL j·I o L· ·L·e j i j·Z L·I o L·e j i nes e j ( / 2) j. (1.9)

6

Dydis Z L j Z L j L - vadinamas kompleksine ritels L varza ( impedansas ), o Z

L

L - ritels L impedanso modulis. Todl Omo dsn grandyno daliai su ritele L

harmoninio signalo atveju galima uzrasyti kompleksine forma: UL Z L I L = I L /G L, kur: G L = 1/Z L - ritels L kompleksinis laidumas ( admitansas ). Talpos elementas C ( kondensatorius ) - idealizuotas reaktyvusis elementas, kuriame nra dielektrini nuostoli. Tokiame elemente kintamosios momentins srovs i kintamosios momentins tampos u C srysis yra isreiskiamas taip: i C C·( d u C /d t ), kur: C - kondensatoriaus elektrin talpa. Kondensatoriaus C grafiniai simboliai yra parodyti 1.5 pav., kur: a- pastoviosios talpos kondensatorius, b- reguliuojamos talpos kondensatorius. iC uC C a b C (1.11)

C

(1.10)

ir

1.5 pav. Kondensatoriaus C zymjimas elektroniniuose grandynuose: a- pastoviosios talpos kondensatorius, b- reguliuojamos talpos kondensatorius Momentin galia p C idealiame kondensatoriuje C yra: p C u C·i C C·u C·( d u C /d t ), (1.12)

kur momentin galia p C gali turti teigiam ( p C 0 ) arba neigiam ( p C 0 ) zenkl, t. y. gali kaupti energij arba j atiduoti grandin, atitinkamai, taciau idealiame kondensatoriuje visada Q T 0. Tegul kondensatoriuje C tampa u C kinta harmoniskai- u C Uo C·sin ( ·t ), kur: Uo C amplitudin tampos u C vert. Esant siai prielaidai, is (1.11) per kondensatori C tekanti srov i C yra surandama taip: i C C·d [Uo C·sin ( t )] /d t Uo C· ·C·cos ( t ) I o C·cos ( t ), (1.13) kur: I o C = Uo C C - srovs i C amplitudin vert. Is (1.13) seka, jog kondensatoriaus C gnybtuose srov i C pralenkia tamp u C kampu /2 ( arba 90 o ), arba tampa u C tokiu pat kampu atsilieka srovs i C atzvilgiu. Si situacija 7

harmoninio signalo atveju yra pavaizduojama kompleksinje plokstumoje { Re, Im} taip, kaip yra parodyta 1.6 pav. Im

0 Uo C 1.6 pav. Harmonins tampos UC ir srovs I C vektori kryptys kondensatoriuje C Is (1.13), taikant Omo dsn grandyno daliai su kondensatoriumi C, galima uzrasyti: i C Uo C· ·C·cos ( t ) I o C·cos ( t ), Uo C C I o C Uo C = I o C /( C ) = ZC I o C, (1.14) Io C Re

kur: ZC = 1/( C ) - kondensatoriaus talpins varzos ( impedanso ZC ) modulis. Panaudojus kompleksini skaici matematin formalizm, srov I

C

ir tamp UC

kondensatoriuje C uzrasome taip: I C I o C·e j i ir UC Uo C·e j u, atitinkamai, kur tampos UC faz- u i ­ /2, t. y. tampos UC ir srovs I C fazi srysis. Is cia israisk (1.14) lygybes galima uzrasyti taip: UC Uo C·e j u [ I o C /( C )]·e j [ i ­ ( /2)] ( I o C / C )·e j i·e­ j ( /2) UC ­ j·[ I o C /( C )]·e j i ­ j·Z C·I o C·e j i nes e ­ j ( /2) ­ j. Dydis Z C j Z C j /( C ) 1/( j C ) - vadinamas kompleksine kondensatoriaus C varza ( impedansas ), o dydis Z C 1/( C ) - kondensatoriaus C impedanso modulis. Todl harmoninio signalo atveju galima uzrasyti Omo dsni grandyno daliai su kondensatoriumi C kompleksine forma: UC Z C I C =I C /G C, kur: G C = 1/Z C - kondensatoriaus C kompleksinis laidys ( admitansas ). Apibendrinant tiesini pasyvij element R, L ir C daznines savybes, naudinga siminti j varz ZR, ZL ir ZC moduli ZR, ZL ir ZC, atitinkami, priklausomybes nuo daznio : ZR ( ), ZL ( ) ir ZC ( ) Sios priklausomybs yra pavaizduotos 1.7 pav., kai elementai yra ideals, t. y j verts R, L ir C nuo daznio nepriklauso. 8 (1.16) (1.15)

Z R

Z L

ZL

ZR RL 0 ZC

1.7 pav. Ideali pasyvij radiotechnini element R, L ir C varz ( impedans ) ZR, ZL ir ZC moduli ZR, Z L ir Z C, atitinkamai, priklausomybs nuo daznio ( Z L atitinka reali indukcin ritel L, kurios R L > 0 ) Reali pasyvij radiotechnini element R, L ir C varz ( impedans ) ZR, ZL ir ZC moduli ZR, Z L ir Z C, atitinkamai priklausomybs nuo daznio skiriasi nuo parodyt 1.7 pav. Pvz. realios indukcins ritels L, kurios apvij varza R atitinka ties Z

L L

> 0, priklausomyb ZL ( )

(1.7 pav.). Parazitini parametr ( talp, induktyvum bei varz ) taka

element R, L ir C varz ZR, ZL ir ZC priklausomybms nuo daznio yra nagrinjama kiekvienu atskiru atveju, atliekant atitinkamus skaiciavimus. Be jau minto paprastojo kondensatoriaus C, elektros bei elektronikos grandynuose yra naudojami elektrolitiniai kondensatoriai, kuri grafiniai simboliai yra parodyti 1.8 pav.

C + a

C b

+

C

+

C

c

d

1.8 pav. Elektrolitini kondensatori grafiniai simboliai Elektrolitinis kondensatorius elektrin grandin yra jungiamas taip, kad jo gnybt poliaringumas "+" ir ""atitikt elektrins grandins jungimo taskuose esanci tamp poliaringum pastoviajai tampai. tampos saltinis - idealizuotas aktyvusis elementas, kuriame pastoviosios tampos U arba kintamosios tampos U, pvz. U u ( t ) Uo·sin ( t ) amplitudin vert Uo saltinio gnybtuose nepriklauso nuo pastoviosios srovs I arba kintamosios srovs I ( arba i ( t )) stiprio jame. Tokio saltinio vidin varza R i 0 ir todl jame nra energijos nuostoli. tampos saltinio grafiniai simboliai yra parodyti 1.9 pav., kur: a- galvaninis elementas ( arba evj ); b- galvanini element baterija; c- ir d- tampos saltiniai, realizuoti vairiais elektriniais 9

U c

U d U e

a

b

1.9 pav. tampos saltinio grafiniai simboliai: a d- pastovios tampos saltinai, e- kintamosios, pvz. harmonins tampos U Uoe j t saltinis grandynais ( cia pastebsime, jog daznai evj ( arba

) saltinio vidin varza yra zymima

mazja raide- r i ). 1.9 pav. d rodykl tampos saltinio zymens apskritimo viduje rodo tampos saltinio vidaus elektrovaros jg ( evj ) kuriamos vidaus srovs I krypt- nuo "" "+". Kintamosios tampos U ( arba u ( t )) saltiniuose gnybt poliaringumai bei vidins evj kryptis nenurodomi (1.9 pav. e). Prie idealaus ( r

i

0 ) pastoviosios tampos saltinio

gnybt prijungus isorin

apkrov Ra (1.10 pav. a), sujungtojoje grandinje teka pastovioji srov I ( arba I ), kurios kryptis sutampa su tampos saltinio Omo dsniu visam grandynui: I /Ra. Reals tampos saltiniai (1.17)

vidaus srovs kryptimi ir jos vert yra nusakoma

turi vidaus varz r i 0, kuri grandyne yra atvaizduojama

nuosekliai sujungta su idealiu tampos saltiniu (1.10 pav. b) Todl (1.17) yra uzrasoma taip: I /(r i Ra ). (1.18)

UR

UR

ri

I Ra UR a 0 I

I 0 I max I b Ra UR

1.10 pav. Idealaus (a) ir realaus ( b) tampos saltinio pilnoji grandin su apkrovos rezistoriumi Ra bei salia parodytomis atitinkamomis UR (I ) voltamperinmis charakteristikomis ( VACh ) 10

Is (1.17) ir (1.18) bei (1.1) seka tampos UR rezistoriuje Ra, o tuo paciu ir tampos saltinio

gnybtuose, israiskos: UR I·Ra const- idealaus tampos saltinio atveju (1.10 viduje srov I teka nuo gnybto su neigiamu

pav. a), bei UR I·Ra [ /(r i Ra )]·Ra- realaus tampos saltinio atveju (1.10 pav. b). Is 1.10 pav. matome: tampos saltinio

potencialu ,," link gnybto su teigiamu potencialu ,,+", t. y. teigiami krvininkai + q ( pvz. jonai ) tampos saltinio viduje juda priesinga vidinio elektrinio lauko E jg linij krypciai, o neigiami krvininkai q ( pvz. katijonai )- ta pacia kryptimi. Siam krvi pernesimui reikalinga vidin ( pasalin ) jga F , kuri, pernesant teigiam elementarj krv + q, atlieka elementarj darb A. Sio darbo A ir krvio q santykis yra vadinamas tampos saltinio elektrovaros jga ( evj ), kuri zymime raide ir yra isreiskiama taip:

A /q.

Susitarta, jog tampos

(1.19)

kryptis saltinio gnybtuose sutampa su pasalins jgos F kryptis sutampa su vidins srovs I

kryptimi. Todl tampos saltinio gnybtuose tampos

kryptimi tampos saltinio viduje (1.9 pav.), t. y. nukreipta nuo gnybto su neigiamu potencialu ,," link gnybto su teigiamu potencialu ,,+". Pasalins jgos F , kuriancios tamp , fizikin prigimtis gali bti chemin ( galvaniniai elementai, akumuliatoriai ), mechanin ( elektriniai generatoriai sukami vandens, vjo, vandens gar ir t. t. ), branduolins reakcijos ir kitokios. Akivaizdu, kad kintamosios harmonins tampos saltinio U atveju israiskos (1.17) ir (1.18) uzrasomos kompleksine forma- pastoviuosius dydzius pakeiciant atitinkamais kompleksiniai dydziais. Kita vertus, btina siminti, jog grandinje negali bti skirtingais poliais lygiagreciai sujungt tampos saltini

,

jeigu j evj skiriasi. tampos saltini

lygiagretus jungimas yra galimas tik tais paciais poliais ir esant vienodoms , kai tuo tarpu j vidaus varzos ri gali bti skirtingos. Tik siuo atveju yra isvengiami energetiniai nuostoliai tarp lygiagreciai sujungt tampos saltini ( tai rodykite savarankiskai ). Tuo tarpu grandins sakoje nuosekliai sujungt skirting tampos saltini skaicius N nra ribojamas. Siuo atveju ekvivalentin tampos vert :

n ir vidaus varza- r i r i.n, kur: n 1, 2, 3, ... , N.

n n

N

N

11

Srovs saltinis - idealizuotas aktyvusis elementas, kuriame pastoviosios srovs I ( arba I ) arba kintamosios srovs I , pvz. harmonins srovs i ( t ) I o·sin ( t ) amplitudins verts I o stipris nepriklauso nuo pastoviosios U ( arba U ) arba kintamosios U ( arba u ( t )) tampos verts jo gnybtuose. Tokio saltinio vidin varza r i . Taciau ir siuo atveju, kaip ir idealiame tampos saltinyje su r i 0, taip pat nra energijos nuostoli. tampos U arba U ( arba u ( t )) vert srovs saltinio I gnybtuose, kai jis nra prijungtas prie isorinio grandyno, yra neapibrzta. Srovs saltini I grafiniai simboliai yra parodyti 1.11 pav.

I

I

I

I

a

b

c

d

1.11 pav. Srovs saltini grafiniai simboliai: a c- pastovios srovs saltiniai, d- kintamosios, pvz. harmonins srovs I I oe j t saltinis Srovs saltinyje (1.11 pav. a, b) vidins srovs I krypt parodo rodykls kryptis srovs saltinio simbolio apskritimo viduje, arba jo gnybt poliaringumas (1.11 pav. c)- is gnybto su neigiamu potencialu "" gnybt su teigiamu potencialu "+". Kintamosios srovs I ( arba I, arba i ( t )) saltiniuose gnybt poliaringumai bei vidins srovs kryptis nenurodomi (1.11 pav. d). Prie idealaus pastoviosios srovs saltinio I ( arba I

) prijungus isorin apkrov Ra

(1.12 pav.), sujungta grandine, nepriklausomai nuo varzos Ra verts, teka pastovioji srov ir srovs saltinio I gnybtuose bei apkrovoje Ra nusistovi pastovioji tampa UR ( arba UR ): UR I·Ra. Real pastoviosios tampos saltin (1.20)

( r i 0 ) galima pakeisti idealiu pastoviosios

srovs saltiniu I ( r i ) (1.13 pav.), kurio srovs I vert yra isreiskiama taip: I /r i. (1.21)

Is (1.21) matyti, jog srovs I vert atitinka maksimali realaus tampos saltinio srov I max /r i, esant trumpajam jungimui- Ra 0 (1.10 pav. b).

12

I

UR I

Ra1 Ra2

Ra UR + 0 I

1.12 pav. Idealaus srovs saltinio I pilnoji grandin su apkrovos rezistoriumi Ra bei salia parodyta atitinkama UR (I )- VACh

ri

I

ri

1.13 pav. Realaus pastoviosios tampos saltinio (r i 0) pakeitimas idealiu pastoviosios srovs saltiniu I ( r i ) ir atvirksciai Kai nuosekliai tampos saltiniui

a

b

yra prijungiamas papildomas isorinis rezistorius tampa srovs saltiniu I. Siuo atveju

( prievarz ) Rpr Ra (1.14 pav.), tampos saltinis srovs I vert:

I /[( r i Rpr ) Ra ] /Rpr, nes dazniausiai Rpr r i.

(1.22)

ri

Rpr

I

I

Ra

UR 1.14 pav. Realaus tampos saltinio pakeitimas real srovs saltin I ( r i + Rpr ) Cia btina siminti, jog prievarzs Rpr bdu tampos saltin keiciant srovs saltin I, praktiskai visas tokio srovs saltinio I atiduodamas galingumas suvartojamas prievarzje Rpr. Kita vertus akivaizdu, jog kintamosios srovs, pvz. harmonins srovs saltinio I atveju, 13

anksciau gautos israiskos (1.20) (1.22) yra uzrasomos kompleksine forma- pastoviuosius dydzius pakeiciant atitinkamais kompleksiniai dydziais. Taip pat btina siminti, jog sudtingo grandyno sakoje, turincioje ideal srovs saltin I, joje teka tik to saltino generuojama srov. Is cia seka, jog grandyno bet kurioje sakoje negali bti dvej ir daugiau nuosekliai sujungt srovs saltini. Tuo tarpu lygiagreciai sujungt srovs saltini I skaicius N nra ribojamas ir siuo atveju ekvivalentin srov: I r i islieka be galo didel arba tenkina si slyg: 1/r i Lygiagreciai sujungt realaus tampos saltinio

N n

In, kai ekvivalentin vidaus varza

(1/r i.n ) Ra ( n 1, 2, 3, ... , N ).

n N

ir apkrovos rezistoriaus Ra pilnoje vidinje

grandinje (1.10 pav. b) tekancios srovs I galingumas, issiskiriantis apkrovos rezistoriuje Ra, yra naudingas galingumas Pn, o galingumas, issiskiriantis realaus tampos saltinio varzoje r i - nuostolinis galingumas Pi. Todl realaus tampos saltinio naudingasis veikos koeficientas nvk ( arba ) yra nusakomas taip:

atiduodamos galios

Pn /( Pn Pi ).

Kadangi Pn I 2·R a ir Pi I 2·r i, tai is cia bei (1.23) randame:

(1.23)

( I 2 Ra )/( I 2 Ra I 2 r i ) Ra /( Ra r i ).

(1.24)

Is (1.24) seka, jog apkrovos Ra varzai kintant nuo 0 iki , realaus tampos saltinio atiduodamos galios nvk keciasi nuo 0 iki 1 (1.15 pav.).

1

0

1.15 pav. Is (1.24) paskaiciuota realaus tampos saltinio atiduodamos galios nvk ( arba ) priklausomyb nuo apkrovos varzos Ra Gautas teisingas rezultatas (1.24) yra klaidinantis, nes be verts svarbu ir naudingojo galingumo Pn vert, kuri turi bti kuo didesn. Tuo tarpu is (1.18) seka, jog didjant Ra srov I mazja ir tuo paciu keiciasi Pn. Todl is (1.18) ir is zinomos Pn israiskos uzrasome: 14

Ra

Pn I 2·Ra [ /( r i Ra )] 2·Ra 2/{[( r i /Ra ) 1] 2·Ra }, (1.25) is kur seka, jog Ra vertei artjant prie 0 arba , galingumo Pn vert artja prie 0. Tai rodo, jog yra tokia Ra vert, kuriai esant Pn gyja didziausi ( maksimali ) vert Pn max (1.16 pav.). Siai vertei nustatyti, is (1.25) surandame Pn isvestin kintamojo Ra atzvilgiu ir prilyginsime j 0: [Pn (R )] {[ /( r i Ra )] 2 Ra} [ /( r i Ra )] 2 ( 2 Ra )/{( r i Ra )[ /( r i Ra ) 2]}

' '

[ /( r i Ra )] 2·{1 ­ [( 2 Ra )/( r i Ra )]} 0. Is (1.26) matome, jog [Pn ( Ra )] 0 tik tuo atveju, jeigu: 1 ­ ( 2 Ra )/( r i Ra ) 0,

'

(1.26)

(1.27)

ir is (1.27) randame, jog realus tampos saltinis apkrov Ra atiduoda didziausi galingum Pn max, kai Ra r i. Siuo atveju realaus tampos saltinio atiduodamos galios nvk yra: 0,5 arba 50 % (1.24). Pn Pn max

0

Ra

1.16 pav. Is (1.25) paskaiciuotos naudingos galios Pn, issiskiriancios apkrovoje Ra, priklausomyb nuo Ra verts Akivaizdu, jog apkrauto isorine varza Ra realaus tampos saltinio

, turincio vidaus

varz r i > 0, gauta didziausios naudingosios veikos slyga: Ra r i yra universali, t. y. ji taikoma pastoviosios, nuolatins ir kintamosios tampos (srovs) elektrinms grandinms. Is cia seka, jog si slyga harmoninio signalo atveju gali bti uzrasyta ir kompleksiniams atitinkam varz dydziams: Za z i. Cia pastebsime, jog kompleksiniai dydziai yra lygs tik tuomet, kai yra lygs j reals ir menami sandai, atitinkamai, t. y. tenkinamos sios slygos: Re Za Re z i ir Im Za Im z i. Kita vertus akivaizdu, jog tampos saltinio atiduodama galia yra suvartojama tik kompleksins apkrovos Za realiajame sande Re Za. Todl bendriausiu atveju, kai Za z i, didziausios naudingosios veikos slyga yra uzrasoma taip: Re Za Re z i. 15

1.2. Netiesiniai ( aktyvieji ) elementai Diodas ( puslaidininkinis ) - idealizuotas dvipolis elementas, kuris pastovi srov I ( arba I ) praleidzia tik viena kryptimi- is anodo "A" katod "K", arba is "" "­". Diodo grafiniai simboliai yra parodyti 1.17 pav. ( diodo anodo "A" simbolis- trikampis gali bti nuspalvintas juodai ). A a 1.17 pav. Puslaidininkinio diodo grafiniai simboliai Tipin realaus puslaidininkinio diodo voltamperin charakteristika ( VACh ) yra parodyta 1.18 pav., is kurios matyti, jog, esant mazoms tiesiogins tampos UAK 0 diode vertms, tiesiogin diodo srov I t santykinai staigiai didja. Taciau tiesiogin diodo srov I t negali virsyti tam tikros, didziausios ( maksimalios ) verts I t max, nes virsijus si srov diodas perkaista ir nepataisomai sugenda. I I t max K ­ A b K ­

­ UAK max ­Is

Id 0 Ud UAK

1.18 pav. Tipin puslaidininkinio diodo voltamperin charakteristika ( VACh ) Diodo VACh eiga tiesiogine kryptimi yra nusakoma tampa Ud diodo kontaktuose,,A-K", kai tiesiogin srov It Id 0,1·It max. Germanio (Ge) dioduose tampa Ud 0,2 0,4 V, silicio (Si) dioduose- Ud 0,5 0,8 V ir galio arsenido (GaAs) dioduose- Ud 0,8 1,2 V. Is 1.18 pav. matyti, jog diodo tampai UAK 0 atgaline kryptimi virsijus tam tikr, didziausi vert- UAK

max

( UAK UAK

max

), diodo atgalins srovs ­ Ia modulis pasiekia

tiesiogini srovi I t vertes ( | I a | I t ). Taciau nevisi diodai siomis slygomis veikia, nes juose vyksta lokaliniai perkaitimai ir jie negrztamai sugenda. Didziausia atgalins tampos UAK max vert priklauso nuo diodo konstrukcijos bei puslaidininkins medziagos ir kinta ribose: 10 V 10 kV. 16

Diodo VACh, t. y. priklausomyb I ( UAK ) dazniausiai yra aproksimuojama eksponentine funkcija: I I s·{exp [ UAK /(m· T)] ­ 1} I s·[ e [UAK /(m· T )] ­ 1], (1.28)

kur: I s - diodo atgalins srovs I a teorin vert (atgalin soties arba silumin srov) ((1.74), (1.75)), kai diodo tampa UAK 0; T k T /q - temperatrinis koeficientas, kuris kambario temperatroje T 296 K yra lygus 25,5 mV ( k - Bolcmono konstanta); m - patikslinimo koeficientas, skaitantis nuokryp nuo puslaidininkinio diodo teorinio Soklio modelio (dazniausiai m 1 2); exp e 2,7182... lim (1 + n 1 ) n.

n

Israiska (1.28) palyginti gerai apraso realaus diodo VACh tik tiesiogine kryptimi ir santykinai nedidelei tiesioginei srovei- I t 100 mA. Realaus diodo atgalin srov Ia yra zymiai didesn uz teorin vert | Is | I d. Is (1.28) paskaiciuotos germanio (Ge), silicio (Si) ir galio arsenido (GaAs) puslaidininkini diod VACh tiesiogine kryptimi yra parodytos 1.19 pav., kur priimta: Is 100 nA (Ge), 100 pA (Si) ir 10 pA (GaAs); T 30 mV; m 1. I t, mA 80 Ge Si GaAs

40 Id 0 0,2 0,4 0,6 Ud 1.19 pav. Is (1.28) paskaiciuotos germanio (Ge), silicio (Si) ir galio arsenido (GaAs) puslaidininkini diod VACh tiesiogine kryptimi Is 1.19 pav. matome: Ge diodo- Ud 0,35 V; Si diodo- Ud 0,62 V ir GaAs diodoUd 0,8 V, kas gerai sutampa su eksperimentiniais matavimais. Is (1.28) seka: tiesioginei diodo srovei I t padidjus 10 kart ( I t /I s 10 ), tiesiogin diodo tampa UAK m· T·ln 10 60 120 mV. Kadangi dydziai temperatros T (

T T

0,8

1

UAK, V

ir I s priklauso nuo

k T /q ), tai tiesiogin diodo tampa UAK, esant pastoviai tiesioginei

T,

srovei per j ( I t const ), taip pat bus funkcija nuo T. Si priklausomyb yra nusakoma temperatriniu tampos koeficientu kuris yra isreiskiamas santykiu: 17

T

UAK /T | I t const 2 mV / K.

(1.29)

Si puslaidininkini diod savyb daznai taikoma elektroniniuose temperatros matavimo renginiuose. Is diodo VACh (1.28) randame jo omin varz R D pastoviai srovei ir diferencialin varz r D kintamajai srovei: R D UAK /I m· T ·ln ( I /I s + 1)/I m· T ·ln ( I /I s )/I UAK /{I s·{exp [UAK /(m· T)] ­ 1}}, r D UAK / I m· T /( I + I s ) m· T /I. ir is cia: kai UAK 0- tiesiogin kryptis, tai R D r D, o kai UAK 0- atgalin kryptis, tai r D R D. Eksponentin priklausomyb nuo temperatros T turi ir atgalin diodo srov I s - ji padvigubja, kai temperatra T padidja 10 K. Taciau si puslaidininkini diod savyb yra retai taikoma elektroniniuose temperatros matavimo renginiuose dl santykinai didelio sios srovs temperatrinio nestabilumo bei dideliu verci isbarstymo to paties tipo dioduose. Be pagrindini elektrini puslaidininkinio diodo savybi ir charakteristik, btina zinoti puslaidininkinio diodo fizikinius veikos principus. Puslaidininkinis diodas yra sudarytas is dviej skirtingo laidumo n- ir ppuslaidininkini kn, kurie, tarkime, pradiniu laiko momentu nra sujungti (1.20 pav. a). E n a p n b p c n d pn Qn Qp p (1.29a)

1.20 pav. Puslaidininkinio diodo, sudaromo is dviej neutrali skirtingo laidumo n- ir p- puslaidininkini kn (a), vientisas darinys ( b, c) Zymenys "n" ir "p" nurodo puslaidininkinio kno laidumo tip: n- elektroninis, o pskylinis laidumas. Btina siminti, jog abu knai elektriskai neutrals, t. y. juos sudaranci elementarij daleli elektrini krvi ± q suma (± q) Q 0. Sujungus puslaidininkinius knus (1.20 pav. b), elektronai () is n- puslaidininkio difunduoja p- puslaidinink, o skyls () is p- puslaidininkio difunduoja n- puslaidinink, dl akivaizdaus atitinkam krvinink tankio skirtumo: n

n

> n

p

ir p

p

> p n. Pertekliniai elektronai patek p- puslaidinink ir

perteklins skyls patekusios n- puslaidinink rekombinuoja su priesingo zenklo pagrindiniais laisvaisiais krvininkais ir to paskoje n- puslaidininkis gauna teigiam krv + Q n, o p- puslaidininkis - neigiam krv Q p. Siame rekombinacijos procese visada galioja 18

tapatyb: + Q Q

n

|Q

p

|, kuri reiskia krvio neutralumo slyg. Todl naujai sudarytas

puslaidininkinis darinys islieka elektriskai neutralus. Cia btina siminti, jog krvius + Q n ir

p

sudaro n- ir p- puslaidininki kristalo gardeli jonizuoti nejudrs priemais atomai-

donorai ( N d ) ir akceptoriai ( N a ), atitinkamai, ir btent tie atomai, kurie yra lokalizuoti arti p-n sandros ribos. Todl krviai + Q n ir Q p randasi nuskurdintose, t. y. laisvj krvinink neturinciose srityse (1.20 pav. c): n- ir p- puslaidininkiuose, atitinkamai. Nuskurdintoje p-n sandros srityje esantys krviai + Q n ir Q p sukuria vidin elektrin lauk E, nukreipta is npuslaidininkio p- puslaidinink. Sis laukas E slygoja Kulono jgas F K, kurios stabdo elektron ir skyli difuzij per p-n sandros nuskurdint srit. Vykstant difuzijos procesui, laukas E didja ir pasiekia didziausi vidutin vert E

max,

kuriai esant nusistovi

termodinamin pusiausvyra, t. y. elektron ir skyli vidutins kinetins siluminio judjimo energijos k pokytis k k tampa lygus elektrinio lauko E max slygot Kulono jg F K atliekamam difuzijos proces stabdomajam darbui A: | k | | A| F K·d pn q·E max·d pn q· k, kur: d

pn-

(1.30)

nuskurdintos laisvaisiais krvininkais p-n sandros storis (1.20 pav. c); k-

kontaktinis p-n sandros potencialas; F K - vidutin Kulono jgos vert. Puslaidininki fizikoje laisvj krvinink energija diagramomis (1.21 pav.), kur: juostos dugnas );

yra parodoma energetinmis

c - laidumo energetins juostos maziausia energija ( laidumo

v - valentins energetins juostos maziausia energija ( valentins juostos F p - p- puslaidininkyje ), kur g - draustini energij

lubos ); F - Fermi energijos lygmuo draustini energij juostoje g g c ­ v ( F n Fermi lygmuo n- puslaidininkyje ir

juostos plotis. Cia btina siminti, jog elektron energija didja tolstant nuo laidumo juostos dugno

c aukstyn, o skyli energija didja tolstant nuo valentins juostos lub v zemyn

1.21 pav. a pavaizduota situacija atitinka 1.20 pav. a. Sujungus n- ir p-

(1.21 pav. a).

puslaidininkius, anksciau aprasytos difuzijos isdavoje, Fermi lygmenys atitinkamuose n- ir p- puslaidininkiuose tampa lygus:

F n

ir

F p

F n = F p = F. Todl nusistovjusi

energetin p-n sandros diagrama atitinka 1.21 pav. b parodyt diagram. Is cia ir (1.30) galima uzrasyti: 19

c Fn Fp v

x a n p

n

d pn

p

q· k

c

F v

1.21 pav. Laisvj krvinink energija neutraliuose n- ir p- puslaidininkiuose (a) (1.20 pav. a) bei t krvinink energija termodinamiskai nusistovjusiame p-n darinyje ( b) (1.20 pav. c) q· k = F n F p. (1.31)

b

Is puslaidininki fizikos zinome, jog laisvj elektron tankis n i savitojo laidumo ( i- laidumo) puslaidininkio energetinje laidumo juostoje c yra isreiskiamas taip: n i N c·exp [ ( c F )/( k T )], o laisvj skyli tankis p i energetinje valentinje juostoje v - analogiskai: p i N v·exp [ ( F v )/( k T )],

(1.32)

(1.33)

kur: N c ir N v - elektron n i ir skyli p i bsen efektiniai tankiai laidumo c ir valentinje v juostose, atitinkamai. Is (1.32) ir (1.33) elektron n n ir skyli p n tanki n- puslaidininkyje, bei elektron n p ir skyli p p tanki p- puslaidininkyje, atitinkamai, sandaugos yra lygios: n n·p n n p·p p n i2 N c·N v·exp [ ( c v )/( k T )] N c·N v·exp [ g /( k T )], (1.34) kur: n i - laisvj krvinink tankis i- laidumo puslaidininkyje, kuriam galioja fundamentali lygyb: n i = p i. Is (1.31) (1.34) randame: n n·p p N c·N v·exp [ ( c Fn )/( k T )]·exp [ ( Fp v )/( k T )] N c·N v·exp [ g /( k T )]·exp [( Fn Fp )/( k T )]

20

n i2·exp [( F n F p )/( k T )], ir is cia randame:

k [( k T )/q ]·ln [( n n p p )/n i2 )].

Savitojo laidumo ipuslaidininkis legiruotas atitinkamomis

(1.35) priemaisomis

( priemaisinis puslaidininkis ) gauna atitinkam priemaisin laidum: n d, kai yra terptos donorins priemaisos N

d

- donor tankis ( n

d

n i ), ir p a, kai yra terptos akceptori

priemaisos N a - akceptori tankis ( p a n i). Dazniausiai N d n i ir N a n i, todl n d N d ir n a N a. Is cia israisk (1.35) uzrasome taip:

k [( k T )/q ]·ln [( N d N a )/n i2 ].

(1.36)

Kontaktinis p-n sandros potencialas k sukuria potencialin barjer- q k. Sis barjeras neleidzia perteklini elektron ( N d n n ) ir skyli ( N a p p ) difuzijos is n- psritys, ir atvirksciai (1.21 pav. b). Per kontaktin barjer k is n- srities difunduoja tik dalis elektron n

d

n p, kuriuos kompensuoja dreifin dalis n

p

is p- srities, o is p- srities,

atvirksciai, difunduoja tik dalis skyli p a p n, kurias kompensuoja dreifin dalis p n is nsrities. Kadangi salutiniams krvininkams galioja tapatybs: n p p n n i, tai difuzins I dif n, p ir dreifins I drf n, p srovi sand sumos stipris I pn per p-n sandr yra lygus nuliui: I pn = I dif n, p + I drf n, p = 0. Cia pastebsime, jog si slyga- I

pn

(1.36a)

= 0 yra naudojama isvedant p-n sandros

nuskurdintos srities storio d pn (1.20 pav. c) ir barjerins talpos Cpn israiskoms surasti. Taciau elektronini grandini metodologijos prasme siuo atveju nra srovs grandins- kontro ir todl termodinamiskai nusistovjusios p-n sandros nuskurdintos srities storio d pn (1.20 pav. c) ir barjerins talpos Cpn israiskoms surasti, uzrasysime is bendrosios fizikos elektros skyriaus zinomas tapatybes ( tame tarpe ploksciojo kondensatoriaus talpos C formul ): Q = Q n = q N d d n S pn = | Q p | = q N a d p S pn, d n + d p = d pn, Q = Cpn Upn = Cpn ( 2 k ), Cpn o S pn /d pn,

(1.37)

kur: d n ir d p - nuskurdintos p-n sandros srities storio d pn sandai n- ir p- srityse, atitinkamai; S

pn

- p-n sandros plotas; - puslaidininkio santykin dielektrin skvarba;

o

­ vakuumo

dielektrin skvarba; Upn = k ( k ) = 2 k - vidin p-n sandros tampa, nes krvis Q pasiskirsts visame storyje d pn. Is (1.37) randame: 21

d pn = [2 o k (1/N d 1/N a ) /q ] 1/2.

(1.38)

Is cia seka, jog storis d pn mazja, kai didja N d ir N a, ir atvirksciai. Esant nesimetrinei p-n sandrai, t. y., kai N d >> N a, arba N d << N a, israisk (1.38) galima uzrasyti taip: d pn [2 o k /(q N a )] 1/2, kai N d >> N a; d pn [2 o k /(q N d )] ½, kai N d << N a. (1.39) Siuo atveju nuskurdinta p-n sandros sritis randasi isimtinai maziau priemaisomis legiruotame puslaidininkyje: p- srityje, kai N d >> N a, arba n- srityje, kai N d << N a. stat gautas d

pn

israiskas (1.38) ir (1.39) ploksciojo kondensatoriaus talpos C

formul (1.37), randame p-n sandros barjerin talp Cpn: Cpn o S pn /[2 o k (1/N d 1/N a )/q ] 1/2. Nesimetrins p-n sandros atveju israisk (1.40) uzrasome taip: Cpn o S pn /[2 o k /(q N a )] 1/2, kai N d >> N a, Cpn o S pn /[2 o k /(q N d )] 1/2, kai N d << N a. (1.40)

(1.41)

Israiskomis (1.40) ir (1.41) aprasoma p-n sandros talpa Cpn yra vadinama barjerine talpa, tuo nurodant jos fizikin prigimt. Jeigu prie p-n sandros n- ir p- srici prijungsime isorin tamp Unp (1.22 pav. a), tai si tampa bus isimtinai pridta prie nuskurdinto sluoksnio d pn. Taip yra todl, jog nuskurdinto sluoksnio varza R pn yra nepalyginamai didesn uz likusi neutrali n- ir p- srici varzas R n ir R p, atitinkamai, nes juose yra daug laisvj krvinink. Priklausomai nuo pridtos tampos Unp poliaringumo, jos sukurtas elektrinis laukas EU didins arba mazins vidin lauk E. To paskoje keisis p-n sandros barjero aukstis (1.22 pav. b, c), nuskurdinto sluoksnio storis d pn ir barjerin talpa Cpn. n E K n d pn U np a b c Qn Q p p A d pn p n p q ( k Unp )

c Fp v Fn

d pn

q ( k Unp )

c

Fn

Fp v

1.22 pav. Isorins tampos Unp (a) poveikis laisvj krvinink energijai termodinamiskai nusistovjusiame p-n darinyje: b- Unp > 0 ( atgalin kryptis ), c- Unp < 0 ( tiesiogin kryptis ) 22

Akivaizdu, jog priklausomybms d pn ( Unp ) ir C pn ( Unp ) nusakyti uztenka israiskose (1.38) (1.41) prie kontaktinio p-n sandros potencialo tampos vert Unp: d pn = [2 o ( k Unp ) (1/N d 1/N a )/q] ½, d pn [2 o ( k Unp )/(q N a )] 1/2, kai N d >> N a, d pn [2 o ( k Unp )/(q N d )] ½, kai N d << N a, Cpn o S pn /[2 o ( k Unp ) (1/N d 1/N a )/q] 1/2, Cpn o S pn /[2 o ( k Unp )/(q N a )] 1/2, kai N d >> N a, (1.43) Cpn o S pn /[2 o ( k Unp )/(q N d )] 1/2, kai N d << N a. Barjerins talpos Cpn israiskas (1.43) galima uzrasyti ir taip: Cpn o S pn /{[2 o k (1/N d 1/N a )/q] 1/2 [ k /( k Unp )] 1/2 } = Cpn Cpn 0 [ k /( k Unp )] 1/2, (1.44) (1.42)

k

pridti arba atimti isorins

kur: Cpn 0 o S pn /{2 o k (1/N d 1/N a )/q} 1/2 - p-n sandros barjerin talpa, kai pridta isorin tampa Unp = 0. Gauta p-n sandros barjerins talpos israiska (1.44) gerai apraso Cpn priklausomyb nuo pridtos tampos Unp 0, t. y. atgaline kryptimi. Tuo tarpu tiesiogine kryptimi, kai tampa Unp 0, si israiska nra taikoma. Anksciau, aprasant diodo VACh (1.29), naudojome tamp UAK, pridta prie diodo anodo ,,A" ir katodo ,,K". Akivaizdu, jog diodo anodas ,,A" yra p- sritis, o katodas ,,K" - nsritis (1.22 pav. a). Todl UAK Unp ir, esant pridtai isorinei tampai UAK atgaline kryptimi, israisk (1.44) galima uzrasyti taip: Cpn Cpn 0·[ k /( k + UAK )] 1/2. (1.45)

Is (1.45) paskaiciuota barjerins talpos Cpn priklausomyb nuo atgalins tampos UAK yra parodyta 1.23 pav. Kai tampa UAK 0, diodo p-n sandra yra jungta tiesiogine kryptimi ir didjant UAK, barjeras q ( k Unp ) mazja (1.22 pav. c) artdamas nul ( cia pastebsime btin aproksimacijos slyg: |Unp | k ). To paskoje elektronai ir skyls laisvai difunduoja per p-n sandr, sudarydami difuzin tiesiogin srov I t (1.18 pav.). Siuo atveju diodo p-n sandros

23

Cpn Cpn 0

0

UAK

1.23 pav. Is (1.45) paskaiciuota barjerins talpos Cpn priklausomyb nuo atgalins diodo tampos UAK diferencialin varza r pn UAK / I t yra labai maza ir suntuoja barjerin talp Cpn. Todl israiska (1.45) nra taikoma skaiciuojant p-n sandros barjerin talp Cpn tiesiogine kryptimi. Nagrinjant diodo impulsines bei daznines savybes puslaidininkini tais fizikoje yra taikoma p-n sandros difuzins talpos svoka. Diodo p-n sandros difuzin talpa Cpn

d

atvaizduoja salutini krvinink pn ir np kaupimo efekt n- ir p- srityse, atitinkamai, kai per diod teka tiesiogin srov I t. Is n- srities p- srit difundav elektronai n juda p- srities ominio kontakto (anodo ,,A") link ir pakeliui p- srityje rekombinuoja su pagrindiniais krvininkais- skylmis p (1.24 pav.). To paskoje p- srityje nusistovi salutini krvinink ( elektron ) tankio np pasiskirstymas np ( x ), o n- srityje, analogiskai, nusistovi salutini krvinink ( skyli ) tankio pn pasiskirstymas pn ( x ), kas yra parodyta 1.24 pav. p A p np (x) Q n It 0 pn (x) Q p x n p n n K

UAK

1.24 pav. Termodinaminje pusiausvyroje nusistovjs salutini krvinink ( elektron ) tankio np pasiskirstymas np (x) p- srityje bei analogiskai nusistovjs salutini krvinink ( skyli ) tankio pn pasiskirstymas pn ( x ) n- srityje Anodo ,,A" ir katodo ,,K" ominiai kontaktai yra padaryti taip, kad tarp puslaidininkio ir kontakt metalo nebt kontaktinio barjero (

k

0 ). Tuo tikslu kontaktins n- ir pd

puslaidininkio sritys yra stipriai legiruotos atitinkamomis priemaisomis N

ir N a. Stipriai

legiruotos omini kontakt sritys 1.24 pav. yra pavaizduotos papildomomis n- ir p- sritimis. Omini kontakt energetins diagramos yra parodytos 1.25 pav. Kadangi p- ir n- sritys turi 24

M

p+

p

M

n+

n

c F v

a x b

c F v

1.25 pav. Stipriai legiruot puslaidininki omini kontakt srici energetins diagramos islikti elektriskai neutraliomis, tai kiekvienu laiko momentu t is omini kontakt ,,A" ir ,,K" atitinkamas puslaidininkio sritis yra injektuojama tiek pat skyli ir elektron, kiek ir per p-n sandr difuzijos bdu jas patenka elektron ir skyli (1.24 pav.). Cia reikia atkreipti dmes tai, jog metalai (,,M") turi isimtinai elektronin n laidum. Todl skyls p injekcija is anodo ,,A" reiskia elektrono n ekstrakcij is p+- srities ominio kontakto metal ,,M". Akivaizdu, kad n- srityje nusistovjs injektuot skyli pn krvio kiekis Q p yra lygus p- srityje nusistovjusiam injektuot elektron np krvio kiekiui | Q n |: Q p = |Q n | Q. Todl p-n sandros difuzin talpa Cpn d yra uzrasoma taip: Cpn d Q /UAK. Injektuotas krvis Q I t ef ir israisk (1.46) galima uzrasyti taip: Cpn d ( I t· ef )/UAK ef /R pn ef ·G pn, (1.47) (1.46)

kur: ef - salutini krvinink efektyvioji gyvavimo trukm; R pn UAK /I t - p-n sandros varza nuolatinei srovei ir G pn 1/R pn - laidumas pastoviajai srovei. Is (1.28) ir (1.47) galima surasti: kai ef 5 s ir I t 10 mA, difuzin p-n sandros talpa Cpn d 2 F. Is cia seka, jog p-n sandros difuzin talpa keliomis eilmis didesn uz barjerin talp Cpn (Cpn d >> Cpn ). Tuo tarpu jungus p-n sandr atgaline kryptimi, atvirksciai, diodo barjerin talpa Cpn yra keliomis eilmis didesn uz diodo difuzin talp Cpn turi tik barjerin talp Cpn, o tiesiogine kryptimi- tik difuzin talp Cpn d. Siuo metu, panaudojat p-n sandros savybes, yra sukurta didel puslaidininkini diod vairov.

d

(Cpn >> Cpn d ), nes atgalin srov I a 0. Todl btina siminti, jog atgaline kryptimi diodas

25

1. Lyginantysis diodas- skirtas kintamosios srovs I

( arba I ) arba kintamosios

tampos U ( arba U ) keitimui islygint pulsuojanci ( nuolatin ) srov i ( arba I ) arba islygint pulsuojanci ( nuolatin ) tamp u ( arba U ). Lyginanciojo diodo pagrindiniai parametrai yra sie: I t max - didziausioji ( maksimali ) tiesiogin pastovioji srov; I a max - didziausioji atgalin pastovioji srov, esant uzduotai atgalinei tampai UAK < 0; Ud - tampa diode, esant uzduotai tiesioginei pastoviajai srovei I d 0,1·I t max; UAK

max

- didziausioji atgalin tampa, esant uzduotai atgalinei pastoviajai srovei

I a = 0,1I d; f max - didziausiasis ( maksimalus ) kintamosios srovs I ~ daznis, kuriam esant islyginta pulsuojanti ( nuolatin ) srov I = 0,9·I * | f max, kur I *, kai f = 50 Hz. Siekiant kuo didesni I t max verci, lyginantieji diodai turi ploksci p-n sandr. Todl j barjerin talpa Cpn yra santykinai didel- desimtys ir simtai pF, ko paskoje lyginancij diod veika apribota zemais ir vidutiniais dazniais- f max 100 kHz. Vienpus kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandin su puslaidininkiniu diodu D yra parodyta 1.26 pav. Sios grandins veikai paaiskinti, 1.27 pav. yra parodytos kintamosios jimo tampos saltinio Uin ~, pvz. harmonins tampos u in ( t ) = Uo·sin ( t ) ir islygintos pulsuojancios srovs i Ra , tekancios apkrovos rezistoriuje Ra, laikins diagramos. A Uin ~ D K i Ra Ra u Ra ­ 1.26 pav. Vienpus kintamosios srovs ( tampos) lyginimo grandin su puslaidininkiniu diodu D u in i Ra IM Uo i Ra I ef Iv 0 T 2·T u in 1.27 pav. Vienpuss kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandins (1.26 pav.) jimo kintamosios harmonins tampos u in ( t ) = Uo·sin ( ·t ) ir islygintos srovs i Ra ( t ), tekancios apkrovos rezistoriuje Ra, laikins diagramos 26 t

Is 1.27 pav. matome: tampos saltinio Uin gnybtuose veikiant teigiamam harmonins tampos u in ( t ) pusperiodziui ( t = 0 T /2; T 3(T /2); ir t. t.), diodas D praleidzia srov ir apkrovos rezistoriumi Ra tais laiko trukms t

tarpais teka islyginta vienakrypt

pulsuojanti srov i Ra = u in /( Ri + RD t + Ra ) u in /Ra, savo pavidalu pakartojanti jimo tamp u in. Kai jimo tampos saltinio Uin gnybtuose veikia neigiamas harmonins tampos pusperiodis ( t T /2 T; 3(T /2) 2T; ir t. t.), diodas D srovs nepraleidzia ir apkrovoje Ra tais laiko trukms t tarpais srov i Ra I s 0. Taigi, vienpuss kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandinje teka vienakrypt pulsuojanti islyginta srov i

Ra ,

kurios

amplitud I M = Uo /( Ri + RD t + Ra ) Uo /Ra, kai yra tenkinama slyga: Ri + RD t Ra, kur: Ri ir RD t - jimo tampos saltinio Uin vidaus varza bei atidaryto diodo D varza, atitinkamai. Pulsuojancios tampos u R rezistoriuje Ra amplitud UM Uo. Vienpuss kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandinje vidutin islygintos pulsuojancios srovs i Ra vert I v yra: I v = [ i (t)·d t]/T = [ I M·sin ( t)d t]/T = T I M /( T ) = I M / 0,32I M, (1.48)

0 0 T/2 T/2

kur apibrztinis integralas skliaustuose isreiskia sinusoids pusperiodzio plot It vienetais. Vienpuss kintamosios srovs lyginimo grandins apkrovos rezistoriuje Ra efektin islygintos pulsuojancios srovs i Ra vert I ef yra: I ef {[ i 2 (t)·d t]/T } 1/2 {{ [ I M·sin ( t)] 2d t}/T } 1/2 [( I M /2) 2] 1/2 I M / 2, (1.49)

0 0 T/2 T/ 2

vidutin islygintos pulsuojancios tampos u Ra rezistoriuje Ra vert Uv yra: Uv I v R a UM / 0,32Uo, efektin islygintos pulsuojancios tampos u Ra rezistoriuje Ra vert Uef yra: Uef I ef Ra I M Ra /2 UM /2 Uo /2, (1.51) (1.50)

ir vienpuss kintamosios srovs lyginimo grandins apkrovos rezistoriuje Ra suvartojama vidutin galia Pa : Pa I ef Uef ( I M /2)(UM /2) ( I M Uo )/4, (1.52)

t. y. dvigubai mazesn uz gali, kuri issiskirt apkrovoje Ra harmoninio signalo atveju ( likusi pus vidutins galios yra diodo D atspindima atgal jimo tampos saltin Uin ). 27

Kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandins (1.26 pav.) efektyvumas yra nusakomas islygintos srovs i Ra pulsacijos koeficientu : = I /I M U /UM, (1.53)

kur: I ir U - islygintos srovs i Ra arba tampos u Ra pulsavimo amplitud, atitinkamai. Vienpuss kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandinje (1.26 pav.) islygintos srovs i Ra arba tampos u Ra pulsavimo amplitud yra lygi I M arba UM, atitinkamai. Todl sios grandins pulsacijos koeficientas = I /I M = U /UM = I M /I M = UM /UM = 1, nes nra kondensatoriaus Ca = 0. Islygintos srovs i

pulsacijai sumazinti, lygiagreciai apkrovos rezistoriui Ra yra

jungiamas kondensatorius Ca (1.28 pav. a). Sios grandins veikai paaiskinti, 1.29 pav. yra parodytos kintamosios jimo tampos saltinio Uin ~ harmonins tampos u in ( t ) = Uo·sin ( t ) ir islygintos pulsuojancios srovs i Ra , tekancios apkrovos rezistoriuje Ra, laikins diagramos. D i Ca + i Ra Ra i Ca a D i Ca 1 L, R i Ra Ra u Ra ­ b 1.28 pav. Vienpuss kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandins su islygintos srovs i pulsacij mazinanciu kondensatoriumi Ca (a) bei su zem dazni CL(R)C filtro grandine ( b) Is 1.29 pav. matyti: jungus kintamosios jimo tampos saltin Uin ~, laiko trukms tarpu t 1 0 T /4 srov i Ra apkrovoje Ra didja iki amplitudins verts I M, savo pavidalu pakartodama jimo harmonin tamp u

in

u Ra ­

Uin ~

Uin ~

Ca 2

( t ). Per laiko trukm t

1

yra kraunamas

kondensatorius Ca iki tampos UCa o URa o I M ·Ra. Sis krovimo procesas vyksta su laiko trukms konstanta RC 1, kurios vert yra apsprsta varz R i ir RD t bei apkrovos varzos Ra : 28

u in i Ra

RC 1

IM Uo

RC 2

I

i Ra Ca 0

I ef Iv

Ca 0 0 T 2·T u in t

1.29 pav. Vienpuss kintamosios srovs ( tampos) lyginimo grandins (1.28 pav. a) jimo kintamosios harmonins tampos u (t) = Uo·sin ( t ) ir islygintos pulsuojancios srovs i Ra , tekancios apkrovos rezistoriuje Ra, laikins diagramos

RC 1 {[( Ri + RD t ) Ra ] /( Ri + RD t + Ra )}·Ca. Sekanciu laiko trukms tarpu t2 T/4 T,

jimo tampa u in toliau kinta sinusiniu dsniu, o islyginta srov i Ra , tekanti apkrovoje Ra, yra apsprsta tampos UCa ( t ) kitimo krautame kondensatoriuje Ca. Per laiko trukm t 2 kondensatorius Ca issikrauna per rezistori Ra ir todl srov i uzdaryto diodo D varza. Kadangi RD a >> RD t, tai >>

Ra

beveik eksponentiskai

mazja su laiko trukms konstanta RC 2 {[( Ri + RD a ) Ra ] /( Ri + RD a + Ra )}·Ca, kur: RD a RC 2 RC 1,

kas ir lemia 1.29 pav.

parodyt laikini diagram pavidal. Toliau, kai t T, sis procesas kartojasi ir per apkrov Ra teka vienakrypt pulsuojanti islyginta srov i poveikio, pulsacijos koeficientas = I /I padidja islygintos pulsuojancios srovs i priartja prie I

M M Ra

(1.29 pav.). Dl kondensatoriaus Ca

1, t. y. sumazja, nes I I M. Taip pat parametrai I

Ca ef

Ra

ir I

v ,

kurie savo vertmis

verts. Cia pastebsime, jog srovs i

Ra

( t ) kondensatoriuje Ca kitimo

pobdis skiriasi nuo srovs i

( t ) rezistoriuje Ra kitimo pobdzio. Todl pravartu tai

issiaiskinti savarankiskai, zinant anksciau pateikt israisk (1.11). Vietoje kondensatoriaus Ca jungus CLC- filtr (1.28 pav. b), koeficientas dar labiau sumazja ( 1), nes sis zem dazni filtras atspindi atgal jimo tampos saltin Uin

~

aukstesni jimo daznio harmonik n 2 sandus, kurie atsiranda dl diodo D stipriai netiesins veikos. Cia btina pastebti, jog siuo atveju vidutin Uv (1.50) ir efektin Uef (1.51) islygintos pulsuojancios tampos u Ra rezistoriuje Ra verts tampa lygios ir priartja prie UM verts, t. y. turime apytiksles tapatybes: Uv Uef UM Uo, kai 1. Kita vertus, daznai vietoje CLC- filtro (1.28 pav. b) yra naudojamas CRC- filtras, kuriame ritel L yra pakeiciama nedidels varzos rezistoriumi R 300 ( siuo atveju vienpuss kintamosios

29

srovs ( tampos ) lyginimo grandins veik bei pagrindinius parametrus issinagrinkite savarankiskai ). Anksciau parodme (1.52), kad vienpuss kintamosios srovs lyginimo grandins atveju (1.26 pav., 1.28 pav.), apkrovos rezistoriuje Ra yra suvartojama tik pus galimos jimo tampos saltinio Uin ~ atiduodamos galios. Todl yra naudojami dvipusiai kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandynai, kuri transformatorinis ir netransformatorinis variantai yra parodyti 1.30 pav. a ir b, atitinkamai. Tr Uin ~ I II a i D1 Ra u Ra D2 Uin ~ D1 D4 b Ra u Ra D3 D2 i

1.30 pav. Dvipusiai kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandynai: a- transformatorinis ir b- netransformatorinis variantai 1.30 pav. parodyt grandyn veikai paaiskinti, 1.31 pav. yra parodytos kintamosios jimo tampos saltinio Uin ~, pvz. harmonins tampos u in ( t ) = Uo·sin ( t ) ir islygintos pulsuojancios srovs i Ra , tekancios apkrovos rezistoriuje Ra, laikins diagramos. u in i Ra i Ra IM Uo Iv 0 T 2·T u in 1.31 pav. Kintamosios jimo harmonins tampos u in ( t ) = Uo·sin ( t ) ir islygintos srovs i Ra , tekancios 1.30 pav. parodyt grandyn apkrovos rezistoriuje Ra, laikins diagramos Is 1.31 pav. matome: jimo tampos saltinio Uin

I ef

t

gnybtuose veikiant teigiamam

harmonins tampos pusperiodziui ( t 0 T /2 ), transformatoriniame variante (1.30 pav. a) diodas D1 praleidzia srov ir apkrovos rezistoriumi Ra tuo laiko trukms t tarpu teka islyginta srov i Ra = u in /Ra, savo pavidalu pakartojanti jimo tamp u in ( t ). Tuo tarpu 30

diodas D2 srovs nepraleidzia. Taip yra todl, jog transformatoriaus Tr antrin apvija (II) turi du kartus daugiau vij uz pirmin apvij (I) ir antrin apvija yra padaryta su vidurio atsaka. Akivaizdu, jog transformatoriaus antrin apvija (II) gali turti daugiau arba maziau vij uz pirmin apvij (I), t. y. tamp didinantis arba mazinantis transformatorius, atitinkamai. Kai jimo tampos saltinio Uin tuo laiko trukms t

gnybtuose veikia neigiamas harmonins tampos pusperiodis

( t T /2 T ), diodas D1 srovs nepraleidzia, o diodas D2 srov praleidzia ir apkrovoje Ra

tarpu teka tos pacios krypties islyginta srov i

Ra

= u

in

/Ra, savo

pavidalu pakartojanti jimo tamp u in ( t ). Toliau, kai t T, sis procesas kartojasi ir dvipusio kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandyno apkrovoje Ra teka pulsuojanti vienakrypt islyginta srov i Ra , kurios pulsacij daznis = 2. Taigi, dvipuss kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandyno apkrovoje Ra teka vienakrypt pulsuojanti islyginta srov i Ra , kurios amplitud I diod D1,

2 M

UM /Ra, kai Ra R*i - transformatoriaus Tr antrins apvijos (II) ir

arba tampos saltinio Uin

ir diod D1

4

atstojamoji vidaus varza. Esant siai

slygai pulsuojancios islygintos tampos u Ra rezistoriuje Ra amplitud UM Uo, o pulsacijos daznis yra dvigubai didesnis uz jimo tampos saltinio Uin harmoninio signalo dazn . Dvipuss kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandins apkrovoje Ra vidutin islygintos pulsuojancios srovs i Ra vert I v = yra: I v = 2[ i (t )d t]/T = 2[ I M ·sin ( t )d t]/T = (2 T I M )/( T ) = ( 2 I M )/ 0,64·I M, (1.54)

0 0 T/ 2 T/ 2

t. y. dvigubai didesn uz vienpusiame srovs ( tampos ) lygintuve (1.26 pav.) gaunam I v vert (1.48). Dvipuss kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandins apkrovoje Ra efektin islygintos pulsuojancios srovs i Ra vert I ef yra: I ef {[2 i

0 T/2

2

Ra (t )d t ]/T }

1/2

{{2 [I M ·sin ( t )] 2d t }/T }1/2

0

T/2

I ef [ 2( I M /2) 2 ] 1/2 I M / 2 , t. y.

(1.55)

2 kart daugiau uz vienpusiame srovs ( tampos ) lygintuve (1.26 pav.) gaunam I ef

vert (1.49). Dvipuss kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandins apkrovoje Ra vidutin islygintos pulsuojancios tampos u Ra rezistoriuje Ra vert Uv yra: Uv I v Ra ( 2·UM )/ 0,64·Uo, (1.55) 31

ir efektin islygintos pulsuojancios tampos u Ra rezistoriuje Ra vert Uef yra: Uef I ef Ra ( I M Ra )/2 UM / 2 Uo / 2 . (1.56)

Dvipuss kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandins apkrovos rezistoriuje Ra suvartojama vidutin galia Pa : Pa I ef Uef ( I M / 2 )·(UM / 2 ) ( I M ·UM )/2 ( I M ·Uo )/2, (1.57) t. y. dvigubai didesn uz gali (1.52), kuri issiskiria vienpusio srovs ( tampos ) lygintuvo apkrovoje Ra (1.26 pav.). Todl dvipuss kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandins apkrovos rezistoriuje Ra yra suvartojama visa jimo tampos saltinio Uin atiduodama galia. Dvipuss kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandins (1.30 pav.) apkrovos rezistoriuje Ra, kaip ir vienpusiame srovs ( tampos ) lygintuve (1.26 pav.), islygintos srovs i Ra pulsacijos koeficientas = I /I M = I M /I M = 1, nes Ca = 0. Taciau ir siuo atveju, jungus lygiagreciai rezistoriui Ra kondensatori Ca > 0, arba dar geriau: CLC- arba CRC- filtrus, pulsacijos koeficientas 1 ir islygintos srovs i Ra parametrai I ef I v I M (1.32 pav.), nes kondensatoriaus Ca arba CLC-, arba CRC- filtr veika tokia pat, kaip ir anksciau aprasytame vienpusiame srovs ( tampos ) lygintuve (1.28 pav.). Cia taip pat btina siminti, jog ir siuo atveju, kai 1, vidutin Uv t. y. turime tapatybes: Uv Uef UM Uo. u in IM Uo i Ra

(1.55) ir efektin Uef

(1.56) islygintos

pulsuojancios tampos u Ra ( t ) rezistoriuje Ra verts tampa lygios ir priartja prie UM verts,

RC 1

Ca > 0

RC 2

Ca = 0

i Ra I ef , I v

0

T u in

2·T

t

1.32 pav. Dvipuss kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandini, parodyt 1.30 pav., jimo kintamosios harmonins tampos u in ( t ) = Uo·sin ( t) ir islygintos srovs i Ra , tekancios apkrovos rezistoriuje Ra, laikins diagramos Is jimo tampos saltinio Uin pusperiodziui ( t

gnybt veikiant teigiamam harmonins tampos u

in

0 T /2 ), netransformatoriniame dvipuss kintamosios srovs

( tampos ) lyginimo grandins variante (1.30 pav. b) diodai D2 ir D4 praleidzia srov, o diodai 32

D1 ir D3 srovs nepraleidzia. Todl apkrovos rezistoriumi Ra tuo laiko trukms t tarpu teka islyginta pulsuojanti srov i Ra = u in /R a, savo pavidalu pakartojanti jimo tamp u in ( t ) (1.31 pav.). Kai jimo tampos saltinio Uin gnybtuose veikia neigiamas harmonins tampos u in pusperiodis ( t T /2 T ), diodai D1 ir D2 srovs nepraleidzia, o diodai D3 ir D4 srov praleidzia, ko paskoje apkrovos rezistoriumi Ra tuo laiko trukms t tarpu teka tos pacios krypties islyginta pulsuojanti srov i Ra = u in /Ra, savo pavidalu pakartojanti jimo tamp u in ( t ). Toliau, kai t T, sis procesas kartojasi ir per apkrov Ra teka pulsuojanti vienakrypt islyginta srov i

Ra ,

kurios pulsacij daznis

= 2· (1.31 pav.), o visi kiti srov i

Ra

parametrai yra aprasyti anksciau ((1.54) (1.57)). Akivaizdu, jog srovs ( tampos ) lyginimo diod tiltas (1.30 pav. b) prie jimo tampos saltinio Uin

gnybt gali bti prijungiamas per transformatori: aukstinanti,

zeminanti arba nekeicianti jimo tampos u in. Btina siminti, jog srovs ( tampos ) lyginimo grandinje nuosekliai lyginanciajam diodui D negali bti jungto kondensatoriaus, nes tokiu atveju islygintos srovs i vidutin vert I v 0. Kita vertus, btina atkreipti dmes tai, jog netransformatoriniame dvipuss kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandins variante (1.30 pav. b), jimo grandin- jimo tampos Uin saltinis negali turti bendros ,,zems" su apkrova Ra, kai tuo tarpu transformatoriniame dvipuss kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandins variante (1.30 pav. a) sis reikalavimas nra btinas. 2. Detektorinis diodas- skirtas moduliuotos amplitudes ( AM ) auksto ir didesnio daznio jimo signalo u in = Uo ( t )·sin ( N·t ) keitimui ( detekcijai ) islygint pulsuojanci srov i , atitinkanci moduliuojancio signalo Uo ( t ) kitim, arba keitimui islygint srov I , kai auksto ir didesnio daznio jimo signalas u in nra moduliuotas ( Uo ( t ) = const ), kur:

N - signalo u in neslio daznis.

Detektorinio diodo pagrindiniai parametrai yra sie: I t max - didziausioji (maksimali) tiesiogin pastovioji srov; I a max - didziausioji atgalin pastovioji srov, esant uzduotai atgalinei tampai UAK < 0; Ud - tampa diode, esant uzduotai tiesioginei pastoviajai srovei I d 0,1·I t max; UAKmax - didziausioji atgalin tampa, esant uzduotai atgalinei pastoviajai srovei I a = 0,1·I d; f max - didziausiasis ( maksimalus ) kintamosios jimo srovs I ~ daznis, kuriam esant islyginta nuolatin srov I = 0,9·I * | f max, kur I *, kai f = 50 Hz; Cpn 0 - barjerin talpa, kai tampa diode yra lygi nuliui ( UAK = 0 ). Pagrindinis detektorinio diodo skirtumas nuo lyginanciojo diodo yra maza p-n sandros barjerin talpa Cpn

0

1 pF. Todl detektorinio diodo p-n sandra yra padaryta 33

taskins konstrukcijos, nes tai leidzia zymiai sumazinti p-n sandros plot S pn (1.40).

Taskinis detektorinis diodas yra padarytas taip, kaip yra parodyta 1.33 pav. Is cia parodytos konstrukcijos matome, jog taskinis detektorinis diodas yra sudarytas is metalins adatos, kurios smaigalys yra prispaustas prie n- puslaidininkio plokstels pavirsiaus.

Metalo adata (anodas "A" ) p

Nuskurdinta p-n sandros sritis n n+ Katodas "K"

1.33 pav. Taskinio detektorinio diodo konstrukcija Taskins konstrukcijos detektorinio diodo gamybos proceso metu per adatos ir npuslaidininkio kontakt yra praleidziamas santykinai trumpas ir pakankamai stiprios srovs impulsas, kurio metu kontaktin sritis kaista iki lydimosi temperatros ir susiformuoja labai mazo ploto p- sritis, ko paskoje yra gaunama stabili taskin p-n sandra. Akivaizdu, jog detektorini diod didziausios tampos ir srovs verts yra daug kart mazesns uz lyginancij diod atitinkamus parametrus. Taciau dl mazos barjerins talpos Cpn

0

taskini detektorini diod didziausiasis veikos daznis f

max

siekia desimtis GHz ir

daugiau. Detektorinio diodo jungimo grandin atitinka lyginanciojo diodo jungimo grandin, parodyt 1.28 pav. a. Esminis skirtumas tarp si grandini yra tame, jog detektorins grandins atveju kondensatoriaus Ca talpa yra parenkama is slygos: 1/( M ·Ca ) (5 10)·Ra, kur: M - moduliuojanciojo signalo daznis, kuris prastai yra daug mazesnis uz neslio dazn

N M, todl parinkta is ankstesns slygos Ca vert automatiskai tenkina ir si slyg:

1/( N ·Ca ) Ra, ko paskoje apkrovoje Ra nra signalo neslio sando. 3. Varikapas- kintamosios talpos puslaidininkinis diodas, kurio pagrindin paskirtis yra tampa valdomas kintamosios talpos kondensatorius. Varikapo grafiniai simboliai yra parodyti 1.34 pav. a d. Is dviej puslaidininkinio diodo p-n sandros talp, varikape yra naudojama barjerin talpa Cpn, nes difuzin talpa Cpn d, tekant tiesioginiai srovei I t per diod, yra suntuojama maza p-n sandros omine varza Rpn ir tokio kondensatoriaus kokyb Q C taip pat yra maza. Kita vertus, difuzin talpa Cpn d priklauso nuo daznio, kas yra nepageidautinas reiskinys. Taigi, is 34

a

b L DC C1 R1 Uv + e

c

d

C2 R2

1.34 pav. Varikapo grafiniai simboliai ( a d ) ir jo jungimas bdas rezonansin LC- kontr (e) viso to kas cia yra pasakyta seka, jog varikapas elektrines grandines turi bti jungiamas taip, kad jo talpos valdymo grandin neturt takos kitoms elektroninio taiso grandins dalims. Pvz., kai varikapas yra naudojamas LC- kontro rezonansinio daznio fo = 1/[ 2 ( L C )1/2 ] keitimui elektroniniu bdu, btina uztikrinti, kad varikapo valdymo grandin nesuntuot LCkontro ir tuo uztikrintu pakankamai didel jo kokyb. Sias slygas tenkinanti grandin yra parodyta 1.34 pav. e. Sioje grandinje kondensatori C1 ir C2 talpos yra parenkamos daug didesns uz varikapo DC didziausi talpos vert Cmax C1, 2, o prievarzi R1, 2 varzos yra parenkamos kuo didesni verci- 100 k 1 M. Varikapo pagrindiniai parametrai yra sie: I t max - didziausioji ( maksimali ) tiesiogin pastovioji srov; I a max - didziausioji atgalin pastovioji srov, esant uzduotai atgalinei tampai UAK < 0; Ud - tampa diode, esant uzduotai tiesioginei pastoviajai srovei I d 0,1·I t max; UAK

max

- didziausioji atgalin tampa, esant uzduotai atgalinei pastoviajai srovei

I a = 0,1·I d; Cmax Cpn 0 - didziausioji varikapo talpa, esant minimaliai uzduotai atgalinei tampai 1 V < UAKmin < 0; Cmin - maziausioji ( minimali ) varikapo talpa, esant maksimaliai uzduotai atgalinei tampai UAKmax ; k C Cmax /Cmin - barjerins talpos kitimo koeficientas; Q C v - varikapo vardin kokyb, esant uzduotam dazni diapazonui f;

35

M - laipsnio rodiklis barjerins talpos Cpn priklausomybje nuo atgalins tampos UAK (1.45): Varikapo pagrindini parametr sistemoje laipsnio rodiklis M barjerins talpos Cpn priklausomybje (1.45) nuo atgalins tampos UAK yra skaitomas taip: C pn C pn 0 [ k /( k + |UAK |)] M, kur : M 1/2 - staigiajai p-n sandrai ir M 1/3 - tolydziajai p-n sandrai. Varikapo kokyb Q C, kaip ir bet kurio kito kondensatoriaus, yra nusakoma talpos C elemento kompleksins varzos Z C reaktyvins Im Z C Z im ir aktyvins Re Z C Z re sand santykiu : Q C Z im /Z re tg , kur: - nuostoli kampas. Kompleksin p-n sandros varz Z pn Z re + j Z im surasime pasitelk p-n sandros ekvivalentin grandin kintamajai srovei, kuri yra parodyt 1.35 pav. (1.59) (1.58)

r pn Rs Rb Cpn Cpn d

1.35 pav. Diodo p-n sandros ekvivalentin grandin kintamajai srovei grandinje, be jau zinom dydzi- barjerins Cpn bei difuzins Cpn d talp yra vesti papildomi parametrai: r pn - p-n sandr suntuojanti difuzin varza, R b - omini kontakt ir diodo bazs varza; Rs - nuotkio varza, susijusi su atgaline soties srove I n- puslaidininkio plokstel. Varikapas elektronikos grandinse yra visada jungtas atgaline kryptimi. Todl galioja slyga: Cpn rezistori r

d s

(1.28). Priimta diodo baze

vadinti maziau legiruot p-n sandros srit, pvz., taskinio diodo atveju (1.33 pav.) baz yra

<< Cpn ir difuzin varikapo talp Cpn

d

galima atmesti. Lygiagreciai sujungt

pn

ir Rs bendr varz pazymsime dydziu R

= r

pn

Rs /(r

pn

+ Rs ). Is cia

kompleksin varikapo p-n sandros varz ( impedans ) Z pn galima isreiksti taip: 36

Z pn R b + [ R /( j Cpn )]/[ R + 1/( j Cpn )] R b + R /[( Cpn R ) 2 + 1)] j {( Cpn R 2 )/[( Cpn R ) 2 + 1]}. (1.60) Is (1.59) ir (1.60) gauname: Q C Cpn R 2/{R b [1+ (R Cpn ) 2 ] + R }. (1.61)

Tipin varikapo kokybs Q C priklausomyb nuo daznio f /(2 ) yra parodyta 1.36 pav., is kur matyti, jog Q C maksimumas randasi dazni diapazone f 1 10 MHz.

Q C, % Q C max 10 3 10 2 10 1 10

2

QCv

fo f 10 4 10 6 f, kHz

1.36 pav. Tipin varikapo kokybs Q C priklausomyb nuo daznio f /(2 ) Pagrindins varikapo taikymo elektronikoje sritys: elektroninis RLC- bei CRCkontr rezonansinio daznio fo keitimas; auksto daznio signal stiprinimas ir generacija ( parametriniai diodai ); dazni dauginimas ir t. t. Dazniausiai f fo 0,1·fo. 4. Stabilitronas- puslaidininkinis diodas, kurio pagrindin paskirtis yra tampos stabilizacija ( pastovinimas ). Stabilitrono grafiniai simboliai yra parodyti 1.37 pav.

a 1.37 pav. Stabilitrono grafiniai simboliai

b

Is diodo VACh (1.18 pav.) matyti, jog tampai stabilizuoti gali bti panaudota tiesiogin- difuzin VACh dalis. Taciau siuo atveju stabilizuotos tampos vert yra apibrzta tampos Ud galimomis vertmis, kurios vairioms puslaidininkinms medziagoms randasi diapazone: Ud 0,3 1,2 V. Akivaizdu, kad elektronikoje to aiskiai nepakanka, todl tampos stabilizacijai yra naudojama atgalin diodo- dreifin VACh sritis. Taciau anksciau minjome, jog paprasti puslaidininkiniai diodai siomis slygomis neveikia, nes atgalinei 37

tampai UAK pasiekus UAK max vert, vyksta atgalinis pramusimas (1.18 pav.), kurio metu diodo p-n sandroje vyksta lokaliniai perkaitimai ir jie negrztamai sugenda. Todl, gaminant stabilitronus, taikomos specialios priemons, tikslu isvengti siluminio pamusimo atgalinje diodo VACh srityje. 1.38 pav. yra parodytos galimos p-n sandros atgalinio pramusimo tipins VACh, kai atgalin tampa |UAK | virsija atgalin pramusimo tamp |UAK max | |UAK | > |UAK max |.

UAK max I s

I 0 I s UAK

a

b

c

1.38 pav. Galimos p-n sandros atgalinio pramusimo tipins VACh, kai yra tenkinama slyga: |UAK | > |UAK max | Is 1.38 pav. matome, jog pramusimo metu atgalin p-n sandros srov I a const, kai |UAK | < |UAK max |, o kai |UAK | |UAK max | atgalins soties srovs I s modulio verts labai staigiai didja ir s didjim nusako skirtingi fizikiniai vyksmai p-n sandroje. Gritinis pramusimas- staigus krvinink skaiciaus nuskurdintoje p-n sandros srityje didjimas stipriame elektriniame lauke E (1.38 pav. a). 1.39 pav. yra parodyta atgaline kryptimi jungtos p-n sandros nuskurdinta sritis ir krvinink generacijos procesas stipriame elektriniame lauke E. Didjant atgalins tampos UAK moduliui UAK , nuskurdintos srities storis d pn taip pat didja (1.41). Kol tampa |UAK | |UAK max |, per p-n sandr teka nedidel atgalin soties srov I s (1.28), kuri nusako salutini krvinink- elektron n p ir skyli p n tankiai (1.34). Tegul n

p

>> p n, Todl siuo atveju atgalin soties srov I

s

sudarys isimtinai elektron

srautas is p- srities n- srit. Kadangi esant pastoviai aplinkos temperatrai T const elektron tankis n

p

= const, tai, didjant tampai |UAK | |UAK

max

|, atgalin soties srov

38

d pn K

np A

n E

p+

+ UAK 1.39 pav. Krvinink skaiciaus nuskurdintoje p-n sandros srityje didjimo procesas gritinio ( lavininio ) pramusimo metu I s const. Taciau sio vyksmo metu p-n sandros nuskurdintoje srityje didja elektrinio lauko E stipris ir tuo paciu didja elektron dreifinis greitis v n drf bei j kinetin energija UAK UAK

max,

k. Kai

elektrono kinetin energija

k

pasiekia pakankam vert puslaidininkio

medziagos gardels atomui jonizuoti ir jonizacijos vyksme yra generuojama krvinink poraelektronas () ir skyl (). Siam vyksmui yra btina slyga: d pn l n - elektron laisvojo lkio ilgis. Jonizacijos procese atsirads antrinis elektronas kartu su pirmuoju elektronu yra toliau greitinami elektrinio lauko E ir jie kartu jonizuoja jau du gardels atomus, ir t. t. Jeigu yra tenkinama slyga: d pn l p - skyli laisvojo lkio ilgis, jonizacijos procese atsiradusios skyls elektrinio lauko E yra greitinamos priesinga kryptimi ir jos taip pat jonizuoja gardels atomus, tuo sukurdamos papildom krvinink poras. Sie krvininkai, savo ruoztu, generuoja kitas krvinink poras, ir t. t. Tokiu bdu nuskurdintoje p-n sandros srityje vyksta gritinis ( lavininis) krvinink skaiciaus didjimas, issaukiantis staig atgalins srovs I a modulio didjim ( | I a | | I s | ). Sio vyksmo metu atgalin tampa UAK diode praktiskai islieka pastovi, t. y. UAK UAK srovs I

a max

const, nes veikia teigiamas grztamasis risis tarp atgalins

ir atgalins tampos UAK. Sis teigiamas grztamasis risis uztikrina pastovi

krvinink generacij nuskurdintoje p-n sandros srityje ir veikia taip. Tegul p-n sandros pramusimo metu diodo atgalins tampos UAK modulis |UAK | truputi sumazja, t. y. tenkina nelygyb: |UAK | |UAK

max

|. Tokiu atveju akimirksniu isnyksta gritinis pramusimas ir

padidja p-n sandros varza R pn, nes sumazja laisvj krvinink tankis nuskurdintoje p-n sandros srityje. Todl atgalins tampos UAK modulis |UAK | diode vl padidja ir atsistato nelygyb- |UAK | |UAK max |, ko paskoje gritinis pamusimas vyksta toliau. Kita vertus, tegul p-n sandros pramusimo metu diodo atgalins tampos UAK modulis |UAK | truputi padidja39

|UAK | |UAK

max

|. Siuo atveju p-n sandros varza R

pn

sumazja, nes padidja laisvj

krvinink tankis nuskurdintoje p-n sandros srityje. Todl tampos UAK modulis |UAK | diode taip pat sumazja- |UAK | |UAK max | ir todl gritinis pamusimas akimirksniu isnyksta. Toliau procesai kartojasi jau aprasytu bdu, t. y. vyksta savireguliacijos reiskinys. Taigi, p-n sandros gritinio pramusimo metu atgalins tampos modulis diodo kontaktuose tenkina si slyg: |UAK | |UAK max | const |Up | - vadinama pastovinimo ( stabilizacijos ) tampa. Akivaizdu, kad skyls p n is n- srities taip pat gali patekti nuskurdint p-n srit ir cia, jau aprasytu bdu, sukelia gritin krvinink por skaiciaus staigu didjim. Diodo p-n sandros gritiniam pramusimui aprasyti yra naudojama empirin israiska: M I a /I s 1 (UAK /Up ) c 1, (1.62)

kur: M- grities didjimo faktorius; c- laipsnio rodiklis, priklausantis nuo puslaidininkins medziagos (c 2 6) ( cia pastebsime, jog turi bti tenkinama slyga: UAK Up ). Is (1.62) seka: kai UAK Up, grities didjimo faktorius M . Pastovinimo tampa Up priklauso nuo diodo bazs ( 1.39 pav. j atitinka n- sritis ) savitosios varzos b taip: Up a· bm, (1.63)

kur koeficientas a ir laipsnio rodiklis m priklauso nuo puslaidininkio medziagos ir laisvj krvinink tipo: skyls ar elektronai. Empirinse israiskose (1.62) ir (1.63) dydzi c, a ir m duomenys, leidziantys paskaiciuoti pastovinimo tamp Up, pateikti 1-oje lentelje. Kadangi b ~ 1/N d, a, tai tampa Up tuo didesn, kuo maziau atitinkamomis priemaisomis yra legiruota diodo baz. Is 1-os lentels seka, kad gritinio pramusimo metu stabilitron pastovinimo tampa U p 7 200 V. 1 lentel Puslaidininkio medziaga Germanis (Ge) Silicis (Si) Diodo bazs laidumo tipas Elektroninis (n-) Skylinis (p-) Elektroninis (n-) Skylinis (p-) c 3 5 5 3 a 83 52 86 23 m 0,6 0,6 0,65 0,75

Diodo (stabilitrono) gritinio pramusimo metu is (1.62) galima paskaiciuoti p-n sandros diferencialin varz r p tampos pastovinimo srityje kintamajai srovei: r p UAK / I a [ UAK /(c I a )]· 1 (UAK /Up ) c /( UAK /Up ) c. (1.64) 40

Is (1.64) randame: kai, pvz., Up 100 V, I a 10 mA, c 3 ir UAK /Up 0,99, tai tokio diodo (stabilitrono) diferencialin varza r p 100 . Tunelinis pramusimas- staigus atgalins srovs I a per p-n sandr didjimas, dl tunelinio efekto (1.38 pav. b), kai d

pn

l

n, p.

Esant siai slygai, laisvieji krvininkai,

pralkdami nuskurdint p-n sandros srit, nespja gyti pakankam kinetin energij

k,

btin puslaidininkio medziagos gardeli atom jonizacijos veikai atlikti. Taciau, esant pakankamai stipriam n- ir p- srici legiravimui atitinkamomis priemaisomis- N d ir N a, p-n sandros nuskurdintos srities storis d pn yra gana siauras (1.38). Todl krvininkai, neturdami pakankamos kinetins energijos

k barjerui

veikti (

k

), gali tuneliuoti per

uzdaryt p-n sandr, t. y. atgaline kryptimi. Si situacija yra pavaizduota 1.40 pav., kur yra parodytos atgaline kryptimi jungtos stipriai legiruotos p-n sandros energetins diagramos, esant atgalinei tampai |UAK 1| |Up | (a) ir |UAK 2| |Up | ( b).

n d pn 1

p

n d pn 2

p

c Fp v

c Fp v

1 q·( k UAK 1)

2 q·( k UAK 2)

Fn

Fn

d pn

a

x

b

1.40 pav. Atgaline kryptimi jungtos stipriai legiruotos p-n sandros energetins diagramos, kai atgalin tampa: a- |UAK 1| |Up |; b- |UAK 2 | |Up | Is 1.40 pav. a matome: kai |UAK | |Up |, valentiniai rysio elektronai p- srityje, kuri judjim valentinje juostoje

v aprasome skylmis, negali tuneliuoti laidumo juost c,

esanci n- srityje, nes prie pat jos dugno nra laisv energetini lygmen elektronams. Todl, mazjant atgalinei tampai UAK iki pastovinimo tampos Up, per diod teka beveik pastovi maza atgalin soties srov I s. (1.28). Kai |UAK | |Up | (1.40 pav. b), p- srityje valentins juostos lubos

v pakyla pakankamai virs laidumo juostos dugno c, esancio n- srityje, ir

todl valentiniams elektronams p- srityje atsiranda laisvi energetiniai lygmenys laidumo 41

juostoje

c, esancioje n- srityje. Is cia seka, kad elektron tuneliavimo tikimyb zymiai

isauga ir todl teka stipri atgalin tunelin srov I t a I s. Is kvantins mechanikos zinome, jog laisvos dalels tuneliavimo tikimyb per staciakamp potencialin barjer yra apskaiciuojama taip:

oexp ( d

1/2

),

(1.65)

kur: o ir - pastovus daugikliai; d - barjero plotis; -barjero energetinis aukstis. Is 1.40 pav. b staigiajai p-n sandrai formul (1.65) uzrasome taip:

oexp ( d pn g1/2 ),

(1.66)

is kurios matome, kad per uzdaryt p-n sandr, t. y. atgaline kryptimi, krvinink tuneliavimo tikimyb didja, mazjant p-n sandros nuskurdintos srities persiklojancios dalies storiui d pn ir puslaidininkins medziagos draustins energijos juostos plociui atstumas tarp persiklojanci energetini laidumo c ir valentins

g, kur: d pn -

v juost n+- ir p+- srityse,

atitinkamai. Kai diodo atgalin tampa |UAK | k, galima uzrasyti: d pn = d pn g /(q·|UAK |) = g /(q E pn ), kur: E pn = UAK /d pn - elektrinio lauko stipris nuskurdintoje p-n sandros srityje. Is (1.41) seka: d pn ~ (UAK )1/2. Todl is (1.41), (1.66) ir (1.67) galima uzrasyti: (1.67)

o·exp g3/2/(q E pn ) o·exp o g3/2/(UAK ) 1/2 ,

kur: o { ·[ o (1/N d 1/N a )] 1/2 }/q 3/2.

(1.68)

Akivaizdu, kad p-n sandros atgalin tunelin srov I t a yra proporcinga tuneliavimo tikimybei ir todl galima uzrasyti: I t a ·S pn o·S pn·exp o g3/2/UAK1/2 . (1.69)

Is (1.69) seka: tunelinis pramusimas galimas tik p-n sandroje su santykinai stipriai legiruotomis n+- ir p+- sritimis (1.40 pav.). Pastovinimo tampa Up yra nustatoma is slygos: Up UAK, kuriai esant atgalin p-n sandros tunelin srov I t a 10·I s. Kita vertus, gauta israiska (1.69) nra tiksli, nes elektrinio lauko stiprio E

pn

kitimas p-n sandroje nra

staciakampio formos- jis yra artimas trikampio arba lanko pavidalams. Todl tunelinio 42

pramusimo metu pastovinimo tampai Up apskaiciuoti yra naudojamos tikslesns- empirins formuls: a) germanio ( Ge ) p-n sandraib) silicio ( Si ) p-n sandraiUp 99· n 48· p, U p 39· n 8· p, (1.70) (1.71)

kur: p ir n - p-n sandros atitinkam p+- ir n+- srici savitosios varzos. Is (1.69) galima apskaiciuoti diodo diferencialin varz r srityje: r d UAK / I t a 2 Up3/2/(o g3/2 I a ) Up3/2/( a I t a ), kur: a 2/(o g3/2 ). Is formuls (1.72) seka: diodo diferencialin varza r tunelinei srovei I t a. Stabilitron, veikianci p-n sandros tunelinio pramusimo bdu ( Zenerio diod ), pastovinimo ( stabilizacijos ) tampa Up 0,3 7 V. Siluminis pramusimas- staigus atgalins srovs I a per p-n sandr didjimas dl siluminio efekto (1.38 pav. c). Cia is karto pastebsime, kad siluminio pramusimo metu puslaidininkinis diodas yra negrztamai sugadinamas. Todl vis tip dioduose yra imamasi speciali priemoni, tikslu isvengti siluminio pramusimo. Atgaline kryptimi jungtos p-n sandros siluminis pramusimas yra susijs su silumos Q T issiskyrimu p-n sandroje, tekant atgalinei soties srovei I s (1.28), kai atgalin tampa tenkina slyg: UAK Up - gritinio arba tunelinio pramusimo pastovinimo tampa. Siuo atveju p-n sandroje issklaidoma galia Ppn : Ppn I s·UAK. Is puslaidininki fizikos zinome, jog p-n sandros atgalin soties srov I s yra: I s q·( D p ( n )·p n /L p ( n ) D n ( p )·n p /L n ( p ) )·S pn, (1.74) (1.73)

d d

tunelinio pramusimo

(1.72)

mazja, didjant atgalinei

kur: D p ( n ) ir D n ( p ) - skyli ir elektron difuzijos koeficientai n- arba p- srityse, atitinkamai; L p ( n ) ir L n ( p ) - skyli ir elektron difuzijos nuotoliai n- arba p- srityse, atitinkamai ( cia pastebsime, jog si parametr verts skylms ir elektronams bendru atveju priklauso nuo puslaidininkio laidumo tipo ir israiska (1.74) galioja tik esant silpniems laukams E, kai galioja Einsteino srysis: D p, n ( n, p ) / p, n ( n, p ) k T /q ). Is (1.34) ir (1.74) galima uzrasyti: 43

I s q n i2 [D p ( n ) /( n n L p ( n ) ) D n ( p ) /( p p L n ( p ) )]·S pn I ·exp [ g /( k T )], (1.75) kur: I q N c N v ( D p ( n ) /n n L p ( n ) D n ( p ) /p p L n ( p ) )·S pn. Is (1.75) seka: atgalins soties srovs I

s

modulis didja, didjant p-n sandros

temperatrai T. Todl, esant UAK const, dl issklaidomos galios Ppn (1.73) didjanti p-n sandros temperatra T, didina atgalin soties srov | I s |, o tai, savo ruoztu, didina gali Ppn, ir t. t. To paskoje veikia teigiamas grztamasis rysis tarp atgalins soties srovs I s verts ir p-n sandros temperatros T. Jeigu p-n sandra nespja aplink atiduoti silumos Q pertekliaus, ji labai greitai perkaista ir siluminio pramusimo metu issilydo- diodas sudega. Is (1.73) ir (1.75) randame galios Ppn isvestin temperatros T atzvilgiu: d Ppn /dT I s UAK g /( k T 2 ). Ausinama p-n sandra aplink (ausinimo radiatori ) atiduoda gali Po : Po ( T Tk )/R T, (1.77) (1.76)

T

kur: Tk - diodo korpuso (radiatoriaus) temperatra; RT - silumin ausinimo konstrukcijos varza. Is (1.77) randame galios Po isvestin atzvilgiu temperatros T: d Po /d T 1/RT. Akivaizdu, jog siluminis pramusimas vyksta, kai: d Ppn /d T d Po /d T I s UAK g /( k T 2 ) 1/RT. (1.79) (1.78)

Is (1.79) uzrasome puslaidininkinio diodo stabilios veikos slyg: | I s | k T 2/(UAK g RT ). Gauta slyga (1.80) gerai tenkinama puslaidininkiams su didele (1.80)

g verte, pvz. silicio

(Si) diodams. Germanio (Ge) dioduose atgalins soties srovs Is modulis zymiai didesnis, todl nelygybs slyga (1.80) gali pasikeisti priesing nelygyb ir vyks siluminis pramusimas. Dl sios priezasties germanio dioduose btina uztikrinti kuo didesn silumos atidavim aplink- manomai maziausi silumins varzos RT vert. Kita vertus, gritiniuose ir tuneliniuose stabilitronuose btina uztikrinti atgalins srovs I

a

stiprio ribojim

pramusimo srityje- | I a | | I a max |. Si slyg galima realizuoti nuosekliai diodui jungus srov ribojanti rezistori R pr ( prievarz ), nes priesingu atveju gali vykti siluminis pramusimas. 44

Is 1.38 pav. c matome, jog p-n sandros siluminio pramusimo metu diodo atgalinje VACh atsiranda sritis, kurioje diferencialin varz r d Up /I a 0, t. y. r d tampa neigiama: r d. Taciau sio efekto naudingai pritaikyti, pvz. parametriniuose renginiuose, praktiskai nemanoma dl sio reiskinio nestabilumo. Stabilitrono pagrindiniai parametrai yra sie: I t max - maksimali tiesiogin pastovioji srov; I a min - minimali atgalin pastovioji srov, kuriai esant prasideda tampos pastovinimas (stabilizavimas); I a max - maksimali atgalin pastovioji srov tampos pastovinimo srityje; Up - stabilizacijos ( pastovinimo) tampa; r d v Up /I a - vardin diferencialin varza tampos pastovinimo srityje; R st v Up /I a - vardin statin varza tampos pastovinimo srityje;

r v r d v /R st v - vardinis kokybs koeficientas; T Up /(Up·T ) - tampos stabilizacijos temperatrinis koeficientas.

Stabilitrono vardinis (nominalusis) kokybs koeficientas r v :

r v r d v /R st v (Up /Up )/(I a /I a ),

is kur seka: tampos stabilizacijos srityje koeficientas

r v

(1.81)

parodo santykin pastovinimo

tampos Up padidjim Up, esant uzduotam santykiniam atgalins srovs padidjimui I a/I a. Akivaizdu, kad stabilitrono kokybs koeficientas r v turi bti kuo mazesnis. Pagrindin stabilitrono taikymo elektronikoje paskirtis yra pastoviosios tampos stabilizacija atitinkamuose grandyno taskuose. Placiausiai taikoma tampos pastovinimo grandin su stabilitronu Dst yra parodyta 1.41 pav.

R pr Uin

I in I st Dst Ra I is Uis

1.41 pav. Placiausiai taikoma tampos pastovinimo grandin su stabilitronu Dst Si nuolatins tampos pastovinimo ( stabilizacijos ) grandin veikia taip.

45

Didjant jimo pastoviajai tampai Uin, didja jimo pastovioji srov I in ir tuo paciu jos sandai: pastovioji srov I

st

per stabilitron Dst ir pastovioji srov I

is

per apkrovos

rezistori Ra. Nagrinjamai grandinei galima uzrasyti sias akivaizdzias lygybes: I in Uin / R pr R st Ra /( R st Ra ) I st I is, Uis I is·Ra I st·R D, kur: R D - stabilitrono Dst varza pastoviajai srovei. Is (1.82) randame: Uis Uin·R D Ra / R pr ( R D Ra ) R D Ra . (1.83)

(1.82)

Is (1.83) matome: didjant Uin, apkrovos rezistoriuje Ra isjimo tampa Uis didja tiesiskai. Taciau si priklausomyb yra stebima tol, kol srovs stipris I st I a min. Kai jimo tampa Uin pasiekia vert Uin min, srov I st I a min ir tampa stabilitrone Dst nebedidja. Todl isjimo tampa Uis Up const. Toliau didjant jimo tampai Uin Uin min, isjimo tampa Uis islieka beveik pastovi ir visas jimo tampos Uin padidjimas Uin yra srov ribojanciame rezistoriuje R pr ( prievarzje ), o jimo srovs I in perteklius I in teka per stabilitron Dst. Akivaizdu, kad jimo tampa Uin gali didti tik iki Uin max, kuriai esant srov I st I a max. Is cia galima uzrasyti srov ribojancio rezistoriaus R pr varzai btin slyg: Uin max [ I a max (Up /Ra )]·R pr, ir is cia: R pr Uin max /[ I a max (Up /Ra )]. (1.85) (1.84)

1.42 pav. yra parodyta grafin isjimo tampos Uis priklausomyb nuo pastoviosios jimo tampos Uin. Uis Ra 2 Ra 1 Up Uis

Ra 1 0 Uin min Uin max Uin

1.42 pav. tampos pastovinimo grandins su stabilitronu Dst (1.41 pav.) isjimo tampos Uis priklausomyb nuo pastoviosios jimo tampos Uin 46

Analogiskai israiskai (1.84), galima uzrasyti: Uin min [I a min (Up /Ra )]·R pr, (1.86)

ir is cia bei (1.84) randame jimo tampos Uin kitimo srit Uin, kurioje isjimo tampa Uis tenkina pastovinimo slyg- Uis Up const: Uin Uin max Uin min R pr·( I a max I a min ). (1.87)

Is (1.87) seka: tamp stabilizuojancios grandins su stabilitronu Dst jimo tamp Uin veikos diapazonas Uin didja, didinant srov ribojancio rezistoriaus R pr varz. Kita vertus, jimo tamp Uin veikos diapazonas Uin nepriklauso nuo apkrovos rezistoriaus Ra varzos. Taciau rezistoriaus Ra varzos taka matyti is (1.83), kuri galima perrasyti sekanciai: Uis Uin·R D /{R pr·[( R D /Ra ) 1 ] R D }, (1.88)

is kur seka: didjant rezistoriaus Ra varzai, tiesins priklausomybs Uis (Uin ) srities polinkio kampas taip pat didja (1.42 pav. brksniuota-taskin linija) ir tuo paciu mazja tampa Uin min (1.86) bei tampa Uin max (1.84), taciau taip, kad Uin const (1.87). tamp stabilizuojancios grandins, parodytos 1.41 pav., kokyb yra nusakoma vedus isjimo tampos Uis pastovinimo koeficient k U Uin /Uis, kuris, skaitant (1.88), gali bti uzrasytas taip: k U Uin /Uis R pr·( I a max I a min )/Uis R pr /r d, is kur seka, jog k U didja, didinant ribojanci varz R pr. Akivaizdu, jog tampos pastovinimo koeficientas k tarpu stabilitrono kokybs koeficientas

r v U

(1.89)

turi bti kuo didesnis, kai tuo

(1.81) turi bti kuo mazesnis, t. y. siuos

koeficientus sieja atvirkstin proporcin priklausomyb: k U 1/ r v. tamp stabilizuojancios grandins su stabilitronu Dst (1.41 pav.) naudingasis veikos koeficientas nvk ( ) yra uzrasomas taip:

Pn /P (I is Up )/(I in Uin ) (Up2/Ra )/Uin2/{R pr [ R D Ra /( R D Ra )}

(Up /Uin2 )·{( R pr /Ra )

2

(1.90) [ R D /( R D Ra )},

kur: Pn - naudingas galingumas, suvartojamas apkrovoje Ra; P - visas galingumas, paimamas is tampos saltinio Uin. Is (1.90) seka, jog didja, didjant R pr. Kita vertus, koeficientas taip pat stipriai priklauso ir nuo santykio Up /Uin Todl pageidautina, kad nuolatin jimo tampa Uin kuo maziau virsyt stabilizavimo tamp Up. Taciau cia btina atkreipti dmes tai, kad jimo 47

tampa Uin turi tenkinti slyg: Uin Uin min (1.42 pav.), kuri priklauso nuo varz R pr ir Ra santykio (varzinis tampos daliklis) ir gali bti isreiksta taip: Uin Up·( Ra + R pr )/Ra. Todl is cia seka, jog anksciau padaryta isvada dl koeficiento priklausomybs pobdzio nuo varzos R

pr

yra klaidinanti, nes didjant R pr, didja tampos Uin vert, kuri yra btina tampos

stabilizavimo grandins (1.41 pav.) veikai palaikyti. Todl naudingojo veikos koeficiento israisk (1.90) perrasome taip:

Ra2/( R pr + Ra ) 2 ·( R pr /Ra ) [ R D /( R D Ra ),

(1.91)

is kur seka: didjant prievarzs R pr vertei, tampos stabilizavimo grandins su stabilitronu Dst (1.41 pav.) naudingasis veikos koeficientas mazja. Taip yra todl, kad siuo atveju vis didesn jimo tampos Uin saltinio atiduodama galia issiskiria srov ribojancioje varzoje R pr. 5. Tunelinis diodas- puslaidininkinis diodas, kurio pagrindin savyb yra raids N pavidalo tiesiogin ( tunelin-difuzin ) VACh, kurioje yra sritis su neigiama diferencialine varza: r() 0. Pagrindins tunelinio diodo taikymo sritys yra: elektrini virpesi generavimas bei stiprinimas, daznio dauginimas, labai mazos fronto trukms ( t = t r = 10 30 ps ) tampos suoli formavimas ir t. t.. Tunelinio diodo grafiniai simboliai yra parodyti 1.43 pav.

a 1.43 pav. Tunelinio diodo grafiniai simboliai

b

Tunelinio diodo veika pagrsta laisvj krvinink tuneliavimu per p-n sandros potencialin barjer . Anksciau, aprasant diodo tunelin pramusim, buvo nusakytos slygos, kurioms esant vyksta krvinink tuneliavimas per p-n sandr. Kad tuneliavimas vykt abejomis kryptimis, p-n sandros p- ir n- sritys yra labai stipriai legiruojamos atitinkamomis priemaisomis, iki jos tampa issigimusiais puslaidininkiais. Labai stipr legiravim nurodome simboliais: n- ir p-. Labai stipraus legiravimo isdavoje n++ n i bei p++ p i ir todl siuose p-n sandros srityse energetiniai Fermi lygmenys atitinkamai, randasi laidumo

F n ir F p,

c bei valentinje v energetinse juostose, atitinkamai. Kai F laidumo juostoje c ir zemiau Fermi lygmens F

48

tampa diode UAK 0, p-n sandros energetin diagrama yra pavaizduota 1.44 pav. a. Is cia matome, kad virs Fermi lygmens

n 1 q· k

d pn 1

p

n

c

2 q·( k UP )

d pn 2

p

c v F

+

v F

F

x

I t max

a

b d pn 4 p

n

d pn 3

p

n

c

3 q·( k UM )

c

v

4 q·( k UAK )

I a

F

c

I t 0

v F

+

F

+

F

np

d

1.44 pav. Tunelinio diodo p-n sandros energetins diagramos, esant vairioms pridtos tampos UAK vertms: a- UAK 0, b- UAK UP ( tiesiogin kryptis ), c- UAK UM ( tiesiogin kryptis ), d- UAK 0 ( atgalin kryptis ) valentinje juostoje srov I

* t

v nra laisv elektron ir skyli, atitinkamai. Todl tiesiogin tunelin

* t

per p-n sandr neteka ( I

0 ). Prie p-n sandros prijungus tamp UAK 0

tiesiogine kryptimi ir j didinant (1.44 pav. b), p-n sandros barjeras mazja ir todl laidumo

c bei valentin v juostos, esancios n- ir p- srityse, atitinkamai, vis maziau c,

persikloja. To paskoje vis didesn laisvais elektronais uzpildyta sritis laidumo juostoje

esancioje n- srityje, atsiduria pries laisvomis skylmis uzpildyt srit valentinje juostoje

v, esancioje p- srityje. Todl teka vis didesn tiesiogin tunelin srov I t 0. Toliau

49

didinant tiesiogin tamp UAK 0, laisvais elektronais ir laisvomis skylmis uzpildytos sritys persikloja pilnai (1.44 pav. b) ir tiesiogin tunelin srov I t pasiekia didziausi ( maksimali ) vert- I t max. Sios situacijos tampa UAK UP. Dar toliau didinant tiesiogin tamp UAK UP, laisvais elektronais ir laisvomis skylmis uzpildyt srici persiklojimas mazja ir sis persiklojimas artja prie nulio. To paskoje tiesiogin tunelin srov I artja prie nulio- I

t t

taip pat mazja ir

0. Kai pridta tiesiogin tampa UAK UM UP (1.44 pav. c),

t

tiesiogin tunelin srov I

0, nes laidumo energetins juostos dugnas

v, esantis n-

srityje, susilygina su valentins energetins juostos lubomis

v, esanciomis p- srityje. Prie

p-n sandros pridjus tamp UAK 0 atgaline kryptimi ir didinant jos modul (1.44 pav. d), pn sandros barjeras didja ir laidumo

c bei valentin v juostos, esancios n- ir p

v,

srityse, atitinkamai, vis daugiau persikloja. To paskoje vis didesn laisvais salutiniais krvininkais-elektronais n

p

uzpildyta sritis valentinje juostoje

esancioje p-

puslaidininkyje, atsiduria pries laisvais elektronais neuzpildyt srit laidumo juostoje

c,

esancioje n- puslaidininkyje. Todl teka vis didesn atgalin tunelin srov I a, kuri gali didti iki maksimalios verts I

a max.

Virsijus si vert tunelinis diodas perkaista ir yra

negrztamai sugadinamas- diodas sudega. Akivaizdu, kai diodas yra jungtas tiesiogine kryptimi, kartu su tiesiogine tuneline srove I

t

per tunelinio diodo p-n sandr teka difuzin srov I

dif

(1.28), o kai diodas yra

jungtas atgaline kryptimi, kartu su atgaline tuneline srove I a per tunelinio diodo p-n sandr teka dreifin srov I drf (1.75). Todl tunelinio diodo VACh srovs I T yra: a) tiesiogine kryptimib) atgaline kryptimiI T t I t I dif; I T a I a I drf I a I s.

T

Tunelinio diodo srovs priklausomyb I

(UAK )- VACh, bei j sudaranci sand

I t (UAK ) ir I dif, s (UAK ) atitinkamos VACh yra parodytos 1.45 pav. Is 1.45 pav. matome, kad tiesiogin tunelinio diodo VACh primena raid N. Todl sakome, kad tunelinis diodas turi Npavidalo VACh. Kai tiesiogin tampa UAK yra diapazone: UP UAK UM, tai tunelinio diodo tiesiogin VACh turi neigiamos diferencialins varzos r d t srit: r d t UAK /I t t 0. Todl sioje tunelinio diodo tiesiogins VACh srityje veikia teigiamas grztamasis rysis tarp tampos UAK pokycio UAK ir tunelinio diodo p-n sandros omins varzos R pn t pokycio R pn t. Sis teigiamas grztamasis rysis pasireiskia tuo, jog tampai UAK padidjus dydziu UAK, 50

IT IP I t max I t

IM I dif Is I a 0 UP UM UAK

1.45 pav. Tunelinio diodo srovs priklausomyb I T (UAK )- VACh, bei j sudaranci sand I t, a (UAK ) ir I dif, s (UAK ) atitinkamos VACh tiesiogin tunelinio diodo srov I

T t

sumazja dydziu I

T t

ir to paskoje padidja p-n

sandros varza R pn t pastoviajai srovei: R pn t (UAK + UAK )/(I T t I T t ). To paskoje tampa UAK dar labiau padidja, ir t. t. Si tunelinio diodo ir kit puslaidininkini tais su Npavidalo VACh savyb leidzia juos taikyti elektrini virpesi generavimo, stiprinimo, labai trumpo tampos suolio formavimo renginiuose, ir t. t.. Be to, labai spartus tunelinio diodo persijungimas tiesioginje VACh is tunelins difuzin srit ( persijungimo laiko trukm t 10 30 ps ) taikomas ypac sparciosiose impulsinse schemose, daznio dauginimo elektroniniuose taisuose, ir t. t. Viena is galim elektrini virpesi generatoriaus grandini su tuneliniu diodu DT yra parodyta 1.46 pav.

L I C Uis DT

1.46 pav. Viena is galim elektrini virpesi generatoriaus grandini su tuneliniu diodu DT 51

1.46 pav. parodyto tunelinio generatoriaus veikai paaiskinti, 1.47 pav. a yra parodyta tunelinio diodo VACh ir joje nubrzta apkrovos ties Ra, o 1.47 pav. b- elektrini virpesi grandins isjime Uis generuojam virpesi laikins diagramos u is (t ). IT IP P Ra D

IM 0 UP

M

a

UM

UD

UAK

uis UD D

UM UP 0 P t1 b

M

t2

t

1.47 pav. Tunelinio diodo VACh ir joje nubrzta apkrovos ties Ra (a), leidzianti paaiskinti 1.46 pav. parodyto tunelinio generatoriaus veik ( b- generuojam virpesi uis grandins isjime Uis laikins diagramos ) Laiko momentu t 0 jungus maitinimo tampos saltin (1.46 pav.), visa sio saltinio tampa yra indukcinje ritelje L ir todl uis 0 (1.47 pav. b). Kai t 0 ir laikui toliau didjant srov I per ritel L ir tunelin diod DT santykinai ltai ir beveik tiesiskai didja, nes tunelinio diodo DT veikos taskas slenka tuneline VACh saka aukstyn- is tasko ,,0" task ,,P", dl ko didja ir uis. Laiko momentu t 1 srov I I P (1.47 pav. a) ir uis UP. Sio proceso trukm t 1 yra apsprsta laiko trukms konstantos RL 1 L /( Ri + RL + R0-P ), kur: Ri - tampos saltinio

vidaus varza, RL - ritels L apvij varza, R0-P - tunelinio diodo DT VACh tunelins sakos "O-P" (1.47 pav. a) vidutin varza pastoviajai srovei. Kadangi pamintos varzos yra 52

santykinai mazos ( j suma nevirsija keli desimci om ), tai laiko trukms konstanta RL 1 yra santykinai didel- mikrosekundzi eils. Laiko momentu t 1 srov I T t tuneliniame diode DT virsija vert I P ir tunelinis diodas DT labai greitai persijungia is VACh tasko "P" task "D" (1.47 pav. a), t. y. is tunelins difuzin VACh srit. Tuo paciu tampa uis labai greitai padidja nuo UP iki UD ir laiko momentu t

1

yra stebimas suformuoto impulsinio signalo

priekinis frontas (1.47 pav. b), kurio didjimo ( kilimo ) trukm t r yra apsprsta tik tunelinio diodo DT parametr ( trukm t r yra nanosekundzi ir maziau eils ). Akivaizdu, kad sio fronto formavimo metu grandinje tekanti srov I I

P

ir negali greitai pakisti dl ritels L

induktyvumo. Toliau bgant laikui t t 1, tunelinio diodo DT veikos taskas slenka difuzine VACh saka zemyn- is tasko ,,D" task ,,M", ko paskoje grandinje tekanti srov I santykinai ltai mazja ir laiko momentu t t 2 srov I I M (1.47 pav. a), o tampa uis UM (1.47 pav. b). Sio proceso trukm t

2

t

1

yra apsprsta kitokios verts laiko trukms

konstantos RL 2 L /( Ri + RL + RD-M ), kur RD-M - tunelinio diodo DT VACh difuzins sakos "D-M" (1.47 pav. a) vidutin varza pastoviajai srovei. Kadangi vidutin varza RD-M > R0-P, tai

RL 2 RL 1 ir suformuoto impulso trukm t 2 t 1 taip pat yra mikrosekundzi eils. Laiko

momentu t

2

srov I

T t

tuneliniame diode DT gyja vert, mazesne uz I

M

ir todl tunelinis

diodas DT labai greitai persijungia is VACh tasko "M" task "0" (1.47 pav. a), t. y. is difuzins tunelin VACh srit. To paskoje tampa uis labai greitai dar labiau sumazja nuo verts UM iki uis 0 ir yra stebimas suformuoto impulsinio signalo uzpakalinis frontas (1.47 pav. b), kurio mazjimo ( kritimo) trukm t f yra apsprsta tik tunelinio diodo DT parametr ( trukm t

f

taip pat yra nanosekundzi ir maziau eils ). Akivaizdu, kad ir siuo atveju

uzpakalinio fronto formavimo metu grandinje tekanti srov I I M ir ji negali greitai pakisti dl ritels L induktyvumo. Toliau, kaip ir pradiniu laiko momentu t 0, aprasytas schemos veikos procesas kartojasi ir tunelinio generatoriaus (1.46 pav.) isjime Uis yra stebimi relaksaciniai virpesiai uis impulsini signal pavidalu, kuri pasikartojimo periodas T t 2, o suformuot impuls trukm t t

2

t 1. Sios laiko trukms priklauso isimtinai nuo

indukcins ritels L induktyvumo. Induktyvumui L didjant, trukms T ir t taip pat didja. Mazinant ritels L induktyvum galima pasiekti situacij, kai tampa UAK tuneliniame diode DT bus ribose: UP UAK UM. Esant siai slygai, bus stebimi beveik sinusinio ( kosinusinio ) pavidalo virpesiai, t. y. tunelinis relaksatorius taps harmonini virpesi generatoriumi. Pabaigai pastebsime, jog tunelinio generatoriaus (1.46 pav.) isjime jungtas kondensatorius C atlieka skiriamojo kondensatoriaus paskirt- panaikina tunelinio diodo DT suntavim apkrovos varza Ra pastoviajai srovei. Tunelinio diodo pagrindiniai parametrai yra sie: I T t max - maksimali tiesiogin pastovioji difuzin srov; 53

I T a max - maksimali atgalin pastovioji tunelin srov; I P - slenkstin tiesiogin pastovioji srov VACh pike; I M - slenkstin tiesiogin pastovioji srov VACh minimume; UP - VACh piko tampa tuneliniame diode, kai tiesiogin srov I T t I P; UM - VACh minimumo tampa tuneliniame diode, kai tiesiogin srov I T t I M; f max - maksimalus harmonini virpesi generacijos daznis; Cpn 0 - barjerin talpa, kai tampa tuneliniame diode lygi nuliui (UAK 0). Daznis f

max

priklauso nuo tunelinio diodo parametru ir gali bti vertintas is jo

ekvivalentins schemos, kuri yra parodyta 1.48 pav.

C

L

Ro

r() Cpn 0

1.48 pav. Tunelinio diodo ekvivalentin schema 1.48 pav. parodytoje tunelinio diodo ekvivalentinje schemoje punktyru apvesti grandins elementai apraso tunelinio diodo vidinius parametrus, kur naujai vesti parametrai: Ro - tunelins p-n sandros labai stipriai legiruot srici n- ir p- bei j omini kontaktu bendra varza; L ir C - tunelinio diodo korpuso induktyvumas ir talpa, atitinkamai, t. y. isoriniai ( parazitiniai ) tunelinio diodo parametrai. Analogiskai anksciau isnagrinto varikapo atveju (1.60), tunelinio diodo ekvivalentins grandins vidinei daliai (1.48 pav.) uzrasysime p-n sandros kompleksins vidins varzos Z pn israisk: Z pn Ro + {[ r() /( j Cpn )]/[ r() + 1/( j Cpn )]} Ro | r() | /( r() Cpn ) 2 1 j·( Cpn r() 2 )/( r() Cpn ) 2 1. (1.92)

Is (1.92) matome: tunelinio diodo VACh neigiamos diferencialins varzos r() srityje tunelinis diodas gali generuoti tik tuo atveju, kai realioji Z pn dalis islieka neigiama visame generuojam dazni min max diapazone. Kai daznis 0, is (1.92) gauname Re Z pn israisk: Re Z pn Ro | r() | ir is cia turime tuneliniam diodui btin generacijos slyg: | r() | Ro. (1.93) 54

Kai yra tenkinama slyga (1.93), is israiskos (1.92) matome: didjant dazniui , vert Re Z

pn

islieka neigiama ir artja prie nulio. Is cia bei (1.92) uzrasome slyg, leidzianci

paskaiciuoti tunelinio diodo maksimali generacijos dazn f max max /(2 ): Ro | r() | /(2 f max r() Cpn ) 2 1 0, ir is cia gauname: f max [(| r() | /Ro ) 1] 1/2/(2 | r() | Cpn ). (1.94)

Dl tunelinio diodo korpuso parazitini L ir C parametr (1.48 pav.), reali tunelini diod daznis f max yra visada mazesnis uz is (1.94) paskaiciuot vert. Be to, didel tak turi p-n sandros barjerin talpa Cpn, kuri, dl labai stipraus n++- ir p++- srici legiravimo, yra gana didel (1.40): Cpn 10 50 pF ir daugiau. Todl tunelini diod maksimalus generacijos daznis f

max

prastai nevirsija 1 GHz. Cia reikia pastebti, jog parodytos 1.46 pav.

generatoriaus schemos su tuneliniu diodu D T apkrovos varza Ra (1.47 pav. a) yra tunelinio diodo varza Ro ( Ro Ra ). Kita vertus, si parazitin tunelinio diodo varza Ro gali bti nuosekliai sujungta su apkrovos varza Ra, o taip pat apkrovos grandin reikia skaityti pastoviosios maitinimo tampos saltinio

(1.46 pav.) vidaus varz Ri. Tokiu atveju

tuneliniam diodui btina generacijos slyga (1.93) yra uzrasoma taip: | r() | Ri + Ro + Ra. (1.95)

6. Sotkio diodas- puslaidininkinis diodas, kurio pagrindin savyb yra tame, jog tekant srovei tiesiogine kryptimi nra salutini krvinink injekcijos. Todl Sotkio diodas neturi difuzins talpos: CMn d 0. Sotkio diodo grafiniai simboliai yra parodyti 1.49 pav.

a 1.49 pav. Sotkio diodo grafiniai simboliai

b

Sotkio diodo veika yra pagrsta kontakto tarp puslaidininkio (P) ir metalo (M) savybmis. Anksciau aprasme omin kontakt (1.25 pav.), kuris yra padarytas taip, jog neturt diodo savybi- praleist pastovij srov abejomis kryptimis. Kad metalopuslaidininkio (M-P) kontaktas gaut diodo savybes, naudojamas metalas (M) su didesniu elektron termodinaminio islaisvinimo darbu AM, palyginus su elektron termodinaminio

55

islaisvinimo darbu AP is n- puslaidininkio (P) (1.50 pav. a) ( cia pastebsime, jog elektron termodinaminio islaisvinimo darbas yra matuojamas nuo medziagos Fermi lygmens F ).

0

M AM

P AP

x

M q· M A

dMn

n q· k S

FM

a

c Fn v

E

c F v

K

b

M q· M +A

dMn

n q·( k S UAK )

M q· M

dMn

n q·( k S UAK ) q·UAK

q·UAK

c F v

K

A

c F v

+K

c

d

1.50 pav. Elektron termodinaminio islaisvinimo darbo AM ir AP is neutralaus metalo (M) bei is neutralaus n- puslaidininkio (P), atitinkamai, energetins diagramos (a) ir Sotkio diodo M-n sandros energetins diagramos, esant vairioms pridtos tampos UAK vertms: b- UAK 0, c- UAK 0 ( tiesiogin kryptis ), d- UAK 0 ( atgalin kryptis ) Is 1.50 pav. a matyti: suglaudus metal (M) su n- puslaidininkiu (P), kai yra tenkinama slyga: AM AP, pradzioje elektron srautas is n- puslaidininkio (P) yra didesnis uz elektron sraut is metalo (M). Todl kontakto metalas (M) yra kraunamas neigiamu krviu Q M, o npuslaidininkis (P)- teigiamu krviu Q P, ir visada: Q

M

Q P. To paskoje atsiranda

vidinis elektrinis laukas E ir kontaktinis potencialas | k S | 0, kurie didja tol, kol elektron srautai is metalo (M) ir n- puslaidininkio (P) susilygina. Todl Fermi lygmuo metale tenkina slyg:

FM = Fn = F, t. y. susilygina su Fermi lygmeniu Fn n- puslaidininkyje ir

nusistovi termodinamin pusiausvyra (1.50 pav. b). Akivaizdu, kad Sotkio diodo anodas "A" yra metalas (M), o katodas "K"- n- puslaidininkis (P). Sotkio M-n sandros kontaktinis potencialas k S, analogiskai p-n sandrai (1.30), yra uzrasomas taip: 56

k S = ( AM AP )/q.

(1.96)

Sotkio M-n sandr galima zirti kaip nesimetrin p+-n sandr. Todl anksciau gaut israisk (1.35) galima pritaikyti Sotkio M-n sandros kontaktinio potencialo vertinimui:

k S

k S ( k T /q )·ln (n n p p /n i 2 ) ( k T /q )·ln [(n n p p )/(n p p p )]

k S ( k T /q )·ln (n n /n p ) ( k T /q )·ln (n n /n M ), kur: n M - laisvj elektron tankis Sotkio M-n sandros kontakto metale (M). Is akivaizdzios nelygybs n M n n seka: nuskurdinta Sotkio sandros sritis randasi isimtinai n- puslaidininkyje (P) (1.50 pav. b) ir jos storis d Mn, analogiskai israiskai (1.39), yra uzrasomas taip: d Mn [2 o k S /(q N d )] 1/2, (1.98) (1.97)

o Sotkio diodo M-n sandros barjerin talpa CMn, analogiskai (1.40), yra isreiskiama taip: CMn o S Mn /[2 o k /(q N d )] 1/2, kur: S Mn - Sotkio M-n sandros plotas. Isnagrinsime Sotkio M-n sandros VACh. Tuo tikslu, pazirj p-n sandros energetines diagramas 1.21 pav. ir 1.22 pav., prisimename, jog, pridjus tamp UAK 0 tiesiogin kryptimi, Fermi lygmuo lygmens (1.99)

Fn n- puslaidininkyje pakyla aukstyn atzvilgiu Fermi

F termodinamins pusiausvyros bsenoje. Ir atvirksciai, kai UAK 0, t. y. atgaline Fn n- puslaidininkyje nusileidzia zemyn. Kadangi puslaidininkio

kryptimi, Fermi lygmuo

varza yra didesn uz metalo, tai pridta tampa UAK yra isimtinai n- puslaidininkyje arba jo nuskurdintoje srityje. Tai iliustruoja 1.50 pav. c ir d parodytos Sotkio M-n sandros energetins diagramos, kai Sotkio sandra yra jungta tiesiogine kryptimi ( UAK 0 ) ir atgaline kryptimi ( UAK 0 ), atitinkamai. Kita vertus, is elektros kurso zinome, jog metalo knui esant elektriniame lauke E, to kno viduje nusistovi elektrinis laukas EM 0. Todl prie Sotkio diodo prijungtos tampos UAK kuriamas papildomas elektrinis laukas praktiskai neveikia elektron Sotkio M-n sandros metale (M). Elektron silumins emisijos slygotos srovs tankis j nusakomas Riciardsono formule: j M RT 2exp [ A M /( k T )], (1.100) 57

M

is metalo (M) vakuum

kur: R = 4 q m n k 2/ h 3 - Riciardsono konstanta ( m n - efektyvioji elektrono mas; hPlanko konstanta; k- Bolcmono konstanta ). Sotkio M-n sandros atveju elektronai is metalo (M) puslaidinink (P) gali patekti tik veik potencialin barjer q· M (1.50 pav. a, b), kuris yra uzrasomas taip: q M A M A P c Fn. Todl, analogiskai israiskai (1.100), srovs tank j M uzrasome taip: j M RT 2exp [ q M /( k T )], kur potencialinis barjeras q· M nepriklauso nuo pridtos tampos UAK. Termodinamins pusiausvyros atveju, kai UAK 0, srovs tankis j tankis is n- puslaidininkio (P) metal (M) ir yra isreiskiamas analogiskai: j P RT 2exp [ q M /( k T )], kur potencialinis barjeras q· M jau priklauso nuo pridtos tampos UAK ir todl: j P RT 2exp { q [ M ( UAK )]/( k T )}, (1.103)

M

(1.101)

(1.102)

j

P

- srovs

kur tampa UAK statoma su savo zenklu: "+" tiesiogins ir "" atgalines krypties atveju, atitinkamai. Is (1.102) ir (1.103) randame vis srovs tank j S per Sotkio M-n sandr : j S j P j M RT 2exp { q [ M ( UAK )]/( k T )} RT 2exp [ q M /( k T )] j S j S s{exp [ q UAK /( k T )] 1}, (1.104)

kur: j S s R T 2·exp [ q M /( k T )]- Sotkio diodo atgalins soties srovs tankio teorin vert. Padaugin srovs tank j S is Sotkio M-n sandros ploto S Mn, gausime Sotkio diodo srovs I S priklausomyb nuo tampos UAK: I S I S s{exp [ q UAK /( k T )] 1} I S sexp ( UAK / T ) 1, (1.105) kuri yra analogiska p-n sandros ( puslaidininkinio diodo ) israiskai (1.28). Taigi, prie Sotkio M-n sandros prijungus tamp UAK 0 tiesiogine kryptimi, srov I P is n- puslaidininkio (P) virsija srov I M is metalo (M) ir per Sotkio diod teka tiesiogin srov I S t 0. Si srov sudaro nesukompensuot elektron srauto dalis is n- puslaidininkio (P) metal (M). Is 1.50 pav. c matome, jog judanci is n- puslaidininkio elektron energija yra didesn uz elektron energij metale. Todl sis reiskinys yra vadinamas "karstj" 58

elektron injekcija. Kita vertus, elektronai yra pagrindiniai krvininkai metale ir is cia seka: Sotkio diode nra salutini krvinink kaupimo efekto ir tuo paciu- difuzins talpos. Dl sios savybs Sotkio diodai veikia labai placiame dazni diapazone ( iki keli desimci GHz ir daugiau ) bei turi labai trumpas persijungimo is tiesiogins atgalin kryptys trukmes ( 1 ns). Prie Sotkio M-n sandros prijungus tamp UAK 0 atgaline kryptimi (1.50 pav. d ), srov I P is n- puslaidininkio (P) pasidaro mazesn uz srov I M is metalo (M) ir per Sotkio diod teka labai maza atgalin soties srov- I

S s

I s, kuri, didjant | UAK |, islika beveik

pastovios verts. Is 1.50 pav. d matome, jog, esant pakankamai didelms atgalins tampos | UAK | vertms, n- puslaidininkyje (P) laidumo juostos dugno energetinis lygmuo nusileisti zemiau Fermi lygmens

c gali

F

metale (M). Todl laidumo elektronai is n-

puslaidininkio, esant pakankamai mazam dMn (1.98), gali tuneliuoti metal ir sukelti zym atgalins srovs I S s modulio padidjim bei stipri jos priklausomyb nuo tampos UAK atgaline kryptimi. Reali Sotkio diod VACh siek tiek skiriasi nuo teoriskai apskaiciuot is (1.105), nes sandroje tarp metalo (M) ir n- puslaidininkio (P) susidaro labai plonas tarpinis dielektriko sluoksnis. Todl praktikoje yra taikoma empirin israiska: I S I *S s·{exp [UAK /(m*· T )] 1}, kur: I *S s ir m* 1 1,5 - nustatomi is eksperimento. Sotkio diodo pagrindiniai parametrai yra sie: I S t max - maksimali tiesiogin pastovioji srov; I S a max - maksimali atgalin pastovioji srov; US d - tampa diode, esant uzduotai tiesioginei pastoviajai srovei I S d 0,1·I S t max; US

max

(1.106)

- maksimali atgalin tampa, esant uzduotai atgalinei pastoviajai srovei I S a = 0,1·I S d;

f S max - maksimalus veikos daznis; CMn 0 - barjerin talpa, kai tampa Sotkio diode lygi nuliui ( UAK = 0). Pagrindin Sotkio diod taikymo elektronikoje paskirtis yra vairiai moduliuot labai auksto daznio signal detekcija, nes j f S max siekia desimtis ir simtus GHz. Taip pat Sotkio M-n sandra placiai taikoma dvipoli ( bipoliarini ) tranzistori charakteristik gerinimui, tuo tikslu suntuojant jo atitinkamas p-n sandras: kolektoriaus arba ( ir ) emiterio, bei suntuojant kolektoriaus-emiterio isvadus ( kontaktus). Sis bdas leidzia zymiai sumazinti stipriai sotinto dvipolio tranzistoriaus isjungimo trukm t s, kas yra svarbu sparciuose logini

59

operacij schemose bei vairiuose impulsiniuose renginiuose, kuriuose tranzistorius yra perjungiamas is atkirtos soties veik ir atvirksciai. Cia pastebsime, jog kai kada Sotkio diodo zymjimo simbolis (1.49 pav.) yra naudojamas zymti dvipusiam stabilitronui, t. y. tokiam puslaidininkiniam taisui, kuris atitinka priesingomis kryptimis nuosekliai sujungtus du stabilitronus. Taigi, toks puslaidininkinis taisas jungtas elektronin grandin stabilizuoja ( pastovina) tamp abejomis kryptimis, kai tampos U vert grandinje virsij pramusimo ( pastovinimo) tamp Up ((1.62), (1.63)): | U | Up.

1.3 Aktyvieji elementai - tranzistoriai ( tiesin veika )

1.3.1 Dvipolis ( bipoliarinis ) tranzistorius Dvipolis ( bipoliarinis ) tranzistorius- puslaidininkinis taisas, kurio pagrindin paskirtis- stiprinti kintamj elektrini signal gali: p u·i 1. Kita esmin paskirtispastoviosios tampos arba ( ir ) srovs keitimas kintamj tamp arba ( ir ) srov, atitinkamai. Dvipolio tranzistoriaus ( toliau tekste- tranzistorius ) grafiniai simboliai yra parodyti 1.51 pav., kur: a ir b atitinka Europin standart, o c ir d - Amerikietiskj standart.

E

K

E B b

K

B a

c

d

1.51 pav. Dvipolio tranzistoriaus grafiniai simboliai: a- ir b- Europinis standartas; c- ir d - Amerikietiskais standartas 1.51 pav. tranzistoriaus isvadai pazymti taip: B- baz, E- emiteris, K- kolektorius. Emiterio isvado ( kontakto) rodykls kryptis atzvilgiu bazs zenklo parodo tiesiogins srovs krypt emiteryje ir tuo paciu tranzistoriaus laidumo tip: baz- p-n-p (1.51 pav. a, c), nuo bazs- n-p-n (1.51 pav. b, d). Simboliai p-n-p arba n-p-n, kaip ir diodo atveju (1.20 pav.), nurodo puslaidininki, is kuri yra padarytas tranzistorius, laidumo tip. Is 1.51 pav. matome, jog tranzistorius turi trys puslaidininkinius sluoksnius, tarp kuri yra dvi p-n sandros. Todl s darin galima zirti kaip nuosekliai sujungt dviej diod jungt, kurios ekvivalentin schema yra pavaizduota 1.52 pav. 60

p E

n

p K B E

n

p

n K B

a

b

1.52 pav. Dvipolio tranzistoriaus ekvivalentin schema: a- n-p-n laidumo; b- p-n-p laidumo Cia btina siminti, jog du nuosekliai sujungti diodai neturi tranzistoriui bding savybi, nes tokia grandin signal nestiprina. Diodinis tranzistoriaus ekvivalentas leidzia vaizdziau suprasti tamp poliaringumo ir tekanci srovi verci srys tranzistoriaus isvaduose. Kita vertus, diodinis tranzistoriaus ekvivalentas taip pat yra daznai naudojamas teoriniuose tranzistoriaus matematinio modeliavimo metoduose. Pagrindinms tranzistoriaus elektrinms savybms ir charakteristikoms issiaiskinti nagrinsime n-p-n tranzistori, nes p-n-p tranzistoriaus atveju skirsis tik tamp poliaringumai ir srovi kryptys jo atitinkamuose isvaduose. 1.53 pav. yra parodytos trys tranzistoriaus jungimo grandins: a- bendros bazs (BB); b- bendro emiterio (BE) ir c- bendro kolektoriaus (BK). IK IE UEB a T IB UBK IK UEK IE IB T IK UKB UBE b IE T IB UKE

c 1.53 pav. Trys dvipolio tranzistoriaus jungimo grandins: a- bendros bazs (BB); b- bendro emiterio (BE) ir c- bendro kolektoriaus (BK) 61

1.53 pav. taip pat yra parodyti atitinkam pastovij tamp saltini U ( arba U ) jungimo poliaringumai ir tekanci pastovij srovi I ( arba I pavadinimus ( i, j E, B, K). 1.53 pav. parodyti tamp saltini poliaringumai ir srovi kryptys atitinka normali n-p-n tranzistoriaus T veik- kolektoriaus p-n sandra jungta atgaline, o emiterio p-n sandra- tiesiogine kryptimis. Palygin sias grandines su tranzistoriaus ekvivalentine grandine 1.52 pav., taip pat matome: visose tranzistoriaus jungimo schemose bazs-emiterio p-n sandra jungta tiesiogine kryptimi, o bazs-kolektoriaus p-n sandra - atgaline kryptimi. Pagrindin tranzistoriaus savyb yra jo kolektoriaus srovs I taip: I K o I B, kur:

o K

) kryptys tranzistoriaus T

isvaduose. tamp saltini Uij ir srovi I j indeksai "ij", "j" atitinka tranzistoriaus T isvad

priklausomyb nuo

srovs I B bazje arba srovs I E emiteryje. Sios priklausomybs nuo I B arba I E yra nusakomos

I K o I E,

B

(1.107)

o

I

K

/I

B

- pastoviosios bazs srovs I

stiprinimo koeficientas;

I

K

/I

E

-

pastoviosios emiterio srovs I E perdavimo koeficientas. Visose tranzistoriaus jungimo schemose (1.53 pav.) galioja srovi balanso lygtis: I E = I K = I B =, I E ~ I K ~ I B ~, I E I K I B. (1.108)

Bendros bazs schemoje (BB) (1.53 pav. a) tranzistoriaus jimo srov yra emiterio srov I E, o isjimo- kolektoriaus srov I K. Todl siai grandinei yra vedamas pastoviosios emiterio srovs I E perdavimo koeficientas o:

o I K /I E.

Is (1.107) (1.109) gauname koeficient o ir o srysius:

(1.109)

o o /(1 o), o o /( o 1).

(1.110) (1.111)

Kadangi koeficientai o ir o negali bti neigiami ( o > 0, o > 0), tai is (1.110) ir (1.111) seka nelygybs: o 1, o o 0 ir, kai o 1, koeficientas o (1.54 pav.). Panaudojus tranzistoriaus diodin ekvivalent (1.52 pav.), bendros bazs grandin (1.53 pav. a) yra modeliuojama Eberso-Molo ekvivalentine schema (1.55 pav.). Sioje grandinje tranzistoriaus aktyvioji veik yra modeliuojama ekvivalentiniais srovs saltiniais

o·I

DE

ir

o i·I DK,

kurie yra valdomi tekanci per idealius diodus srovi I

DE

ir I

DK,

atitinkamai. Analogiskai (1.28), srovs I DE ir I DK yra uzrasomos taip: 62

o

104 102 1 0 0,5 1

o

1.54 pav. Dvipolio tranzistoriaus koeficient o ir o (1.110) srysio kreiv

n I DE E UEB + IE DE

p I DK DK

n

IK

K + UKB

o i·I DK I B B

o·I DE

1.55 pav. Dvipolio n-p-n tranzistoriaus Eberso-Molo ekvivalentine schema bendros bazs jungimo schemoje I DE I DE s [exp (UBE / T) ­ 1)], I DK I DK s [exp (UBK / T) ­ 1)], kai UBK 0, kai UBE 0, (1.112) (1.113)

kur: I DE s ir I DK s - atgalins atitinkam ideali diod soties srovs, esant trumpajam jungimui kitoje p-n sandroje: kolektoriaus-bazs arba emiterio-bazs, atitinkamai. Taikant pirmj Kirchhofo taisykl, tranzistoriaus isvad E, K ir B mazguose (1.55 pav.) srovi I E, I DE, I K, I DK bei I B vertms, atitinkamai, galima uzrasyti: E I E I DE o i I DK 0, K I K I DK o I DE 0, B I B o i I DK o I DE I DE I DK 0, (1.114) (1.115) (1.116)

kur: o i I E i /I K i - kolektoriaus srovs perdavimo koeficientas inversiniame tranzistoriaus jungime, kai bendros bazs schemoje (1.53 pav.) emiteris sukeiciamas vietomis su kolektoriumi, t. y. siuo atveju kolektoriaus p-n sandra jungta tiesiogine, o emiterio p-n sandra- atgaline kryptimis. 63

Is lygci sistemos (1.112) (1.116) randame srovi I E, I K ir I B priklausomybes nuo tamp UBE ir UKB tranzistoriaus emiterio ir kolektoriaus p-n sandrose, atitinkamai: I E a11 [exp (UBE / T) ­ 1)] + a12 [exp (UBK / T) ­ 1], I K a21 [exp (UBE / T) ­ 1)] + a22 [exp (UBK / T) ­ 1], I B a31 [exp (UBE / T) ­ 1)] + a32 [exp (UBK / T) ­ 1], kur parametrai a i j (i, j 1, 2, 3): a11 I DE s, a12 ­ o i I DK s, a21 o I DE s, a32 (1 ­ o i ) I DK s. (1.118) (1.117)

a22 ­ I DK s, a31 (1 ­ o ) I DE s,

Israiskose (1.117) tampos UBE ir UBK yra rasomos su savo zenklu- ,,+" tiesiogine kryptimi ir ,," uztvarine kryptimi. Lygtys (1.117) su koeficientais (1.118), isreikstais per keturis tranzistoriaus parametrus- o, tranzistoriaus VACh. Tranzistoriaus veikai nusakyti bendros bazs grandinje (1.53 pav. a) yra naudojamos: jimo VACh- I E (UEB), esant uzduotai tampai UKB const; isjimo VACh- I K (UKB), esant uzduotai srovei I E const; perdavimo charakteristika- I K (UEB), esant uzduotai tampai UKB const. 1.56 pav. yra parodytos is (1.117) ir (1.118) apskaiciuotos tranzistoriaus jimo VACh (a), isjimo VACh (b) ir perdavimo charakteristika (c) bendros bazs schemoje. Is jimo VACh (1.56 pav. a) ir perdavimo charakteristikos (1.56 pav. c) matome, jog jos turi eksponentins funkcijos pavidal. Todl, analogiskai diodo VACh (1.28), jos dideliu tikslumu aprasomos panasia aproksimacija: I E I DE s (T, UKB)/exp (UEB / T), I K I DK s (T, UKB)/exp (UEB / T), (1.119) (1.120)

o i,

I

DE s

ir I

DK s,

vadinamos Eberso-Molo lygtimis, kurios apraso

kur priimta m 1, o atgalins soties srovs I DE s ir I DK s yra funkcijos nuo T ir UKB (cia tampa UEB yra rasoma su atitinkamu zenklu- "+" arba ""). Bendros bazs schemoje is perdavimo charakteristikos I

K

(UEB) kintamojo signalo

atveju kolektoriaus kintamosios srovs I K priklausomyb nuo emiterio kintamosios tampos UEB yra nusakoma diferencialiniu statumu S b : S b [I K (UEB)] |U EB I K /UEB ,

'

kai UKB const.

(1.121) 64

IE IK UKB = 0 UKB > 0 I K

IK

IE > 0

IE = 0 0 UEB 0 UKB UKB

1.56 pav. Is (1.117) ir (1.118) paskaiciuotos n-p-n tranzistoriaus jimo I E (UEB) bei perdavimo I K (UEB) charakteristik VACh (a) ir isjimo VACh ( b) bendros bazs schemoje Is (1.120) ir (1.121) randame: S b I DK s (T, UKB)/[ T exp (UEB / T)], kur zenklas "" rodo, jog pokytis I K 0, kai UEB 0. gaut israisk (1.122) stat (1.120), randame: S b I K / T, (1.123) (1.122)

ir is cia matome: tranzistoriaus statumas S b nepriklauso nuo jo parametr ir yra funkcija tik nuo kolektoriaus pastoviosios srovs I K ir temperatros T, nes T k T /q. Nagrinjant bendros bazs schemoje tranzistoriaus jimo grandin, kaip jimo tampos saltinio UEB apkrov, yra vedama tranzistoriaus jimo varza R EB b pastoviai srovei ir diferencialin tranzistoriaus jimo varza r EB b kintamajai srovei: R EB b UEB/I E, r EB b UEB /I E UEB ~ /I E~, Is (1.119), (1.121) ir (1.124) randame: R EB b UEB exp (UEB / T)/I DE s, r EB b (UEB ~ /I K ~ )/(I E ~ /I K ~ ) /S b T /I K, (1.125) kai UKB const.

(1.124)

kur: - diferencialinis emiterio kintamosios srovs I E ~ perdavimo koeficientas bendros bazs schemoje:

IK /I E I K ~ /I E ~,

Is (1.125) randame: r

EB b

kai UKB const.

T

(1.126)

K

25 , kai 0,98,

25,5 mV ir I

1 mA; 65

R EB b 176 , kai I DE s 10 3 mA ir UEB 176 mV, kuriai esant, srov I K 1 mA (1.120).

Gauti rezultatai parodo: bendros bazs jungimo schemoje tranzistoriaus jimo varza pastoviajai bei kintamajai srovms yra labai maza- nevirsija keli simt om. Nagrinjant bendros bazs schemoje tranzistoriaus isjimo grandin, kaip kintamosios tampos saltinio UKB ~ apkrov, yra vedama diferencialin tranzistoriaus isjimo varza r KB b : r KB b UKB /I K UKB ~ /I K~, Is (1.117) ir (1.127) randame: I E /U a11 [exp (UBE / T)]/ T + a12 [exp (UBK / T)]/ T 0, I K /U a21 [exp (UBE / T)]/ T + a22 [exp (UBK / T)]/ T, ir is cia bei (1.118) gauname: I K /UKB I DK s (1 o o i ) [exp (UBK / T)]/ T, ir gaut israisk stat (1.127), bei pakeit UBK UKB ir I DK s jos moduliu, gauname: r KB b T exp (UKB / T)/[(1 o oi ) I DK s ]. (1.128) kai I E const. (1.127)

Is (1.128) randame: kai o 0,98, oi 0,5, T 25,5 mV, I DK s 103 mA ir tampa UKB 0,1 V, tranzistoriaus diferencialin varza r KB b 2,5 10 6 2,5 M. Taigi matome, kad esant kolektoriaus tampai UKB 0, bendros bazs schemoje normaliai jungto tranzistoriaus isjimo varza r KB b r EB b ir, didjant UKB 0, sparciai artja prie . Todl gauti rezultatai parodo, jog bendros bazs jungimo schemoje tranzistoriaus isjimo varza r

KB b

kintamajai srovei yra labai didel- virsija kelias desimtys ir daugiau megaom. Kita

vertus, kai tampa UKB 0 (1.56 pav. b), varza r KB b 0, nes tranzistorius yra sotintas ir jo emiterio bei kolektoriaus p-n sandros yra atidarytos- jungtos tiesiogine kryptimi. Nagrinjant bendros bazs schemoje tranzistoriaus isjimo grandin kaip maitinimo pastoviosios tampos saltinio UKB apkrov, yra vedama tranzistoriaus isjimo varza R pastoviajai srovei: R KB b UKB/I K, ir is cia bei (1.120) gauname: R KB b UKB exp (UEB / T)/I DK s. (1.130) (1.129)

KB b

Is gautos israiskos (1.130) seka: esant fiksuotai tampai UKB const 0, tranzistoriaus isjimo varza R KB b yra funkcija nuo jimo tampos UEB ir kinta nuo labai didels vertsR

KB b

UKB/I

DK s

100 k 1 M ir daugiau, kai UEB 0, iki labai maz verci-

R KB b 10 10 3 , kai UEB 0. Is cia seka, jog is esms tranzistorius yra jimo tampa UEB 66

arba UEB

valdomas rezistorius- R

KB b

(UEB, UEB

). Todl tranzistoriaus aktyvij veik

galima nagrinti elektroninse grandinse j pakeitus elektriskai valdomu kintamosios varzos rezistoriumi ( potenciometru) R (Uin ). Cia pastebsime, jog kintamosios varzos R (Uin ) jungimo grandini yra du galimi variantai: 1) kai isjimo grandin yra sudaryta su pastoviosios maitinimo tampos saltini

, kas atitinka valdom rezistorin tampos dalikl

(1.57 pav. a); 2) kai isjimo grandin yra sudaryta su pastoviosios maitinimo srovs saltini I o, kas atitinka valdom rezistorin srovs perskirstymo ( perjungimo) dalikl (1.57 pav. b).

Ra Uis R (Uin ) Uin a IK IE ­ UEB c T E B IB K Ra Uis R KB b ­ R (Uin )

Uis Ra Io b

Uin

KB

1.57 pav. Elektriskai valdomos varzos R (Uin ) du jungimo bdai (a, b) ir bendros bazs grandin su n-p-n tranzistoriaus T elektriskai valdomu varziniu ekvivalentu R KB b (c) Isnagrinsime 1.57 pav. c parodytos bendros bazs grandins su n-p-n tranzistoriaus T elektriskai valdomu varziniu ekvivalentu R KB b (UEB, UEB ) veik. Tuo tikslu pasinaudosime isjimo VACh (1.56 pav. b) bei joje nubrzta apkrovos Ra tiese (1.58 pav.). Taikant Omo dsn visai isjimo grandinei (1.57 pav.), apkrovos Ra ties ( brksniuota-taskin linija 1.58 pav. ) BB schemoje yra aprasoma sia lygtimi: I K I K max UKB/Ra, (1.131)

kur: I K max KB/Ra- didziausia kolektoriaus srov aktyviosios veikos srityje, kai UKB 0, ir is cia israisk (1.131) galima uzrasyti taip: 67

IK I K max I K s I E max Ra c a I DK s 0 UKB Uis ~ I E IE = 0 UKB IE > 0

KB

e

1.58 pav. Bendros bazs grandins (1.57 pav.) su n-p-n tranzistoriaus T isjimo VACh (1.56 pav. b) bei joje nubrzta apkrovos Ra tiese I K ( KB UKB)/Ra. (1.132)

Isjimo pastoviajai tampai Uis tranzistoriaus T kolektoriaus isvade K (1.57 pav.) paskaiciuoti pasinaudosime Omo dsniu visai isjimo grandinei (1.17) ir akivaizdzia tamp suma- KB UR K Uis : Uis KB UR K KB ( I K Ra ) KB [ KB Ra /( Ra R KB b )] Uis KB R KB b /( Ra R KB b ), ir is cia bei (1.130), padar pakeitim UKB KB, randame: Uis 2KB / I DK s R a /exp (UEB / T) KB . (1.133)

(1.134)

Is (1.133) ir (1.134) seka, jog BB schemoje tranzistorius T su apkrovos rezistoriumi Ra is esms yra jimo tampa Uin UEB valdomas rezistorinis ( varzinis ) tampos daliklis, dalinantis maitinimo tamp Uis

KB. Taigi, is (1.134) matome: kai UEB 0, isjimo tampa

KB, nes I DK s·R a KB. Siuo atveju tranzistorius T yra uzdarytas ir jo veikos taskas

randasi isjimo VACh kreivs I E 0 ir apkrovos Ra tiess susikirtimo taske "a" - atkirtos taske (1.58 pav.). Kai jimo tampa UEB 0 ir savo moduliu didja, emiterio srov I E 0 ir taip pat didja. Todl tranzistoriaus T veikos taskas slenka apkrovos Ra tiese aukstyn, o isjimo tampa Uis mazja ir artja prie nulio (1.134). Taigi, isjimo tampos Uis pokytis Uis 0 ir savo zenklu sutampa su jimo tampos UEB pokyciu UEB 0. Is cia seka, kad bendros bazs schemoje isjimo tampos Uis pokycio Uis faz is sutampa su jimo tampos Uin pokycio Uin UEB faze in is. Kai I E I E max, tranzistoriaus T veikos taskas randasi 68

taske "s" - soties taske (1.58 pav.) ir Uis 0. Toliau didjant srovei I E I E max, tranzistoriaus veikos taskas patenka soties srit (UKB 0) ir tranzistorius sisotina, t. y. jo kolektoriaus p-n sandra taip pat atsidaro ir Uis 0. jimo tampa UEB yra atidarytos emiterio-bazs p-n sandros tampa, ir vairioms puslaidininkinms medziagoms UEB 1 V (1.19 pav.). Taigi akivaizdu, jog tranzistorius bendros bazs schemoje stiprina pastovij tampa, nes kolektoriaus grandins maitinimo saltinio tampa

KB siekia desimtis ir simtus volt. Siai tranzistoriaus savybei bendros bazs

K U b Uis /Uin KB /1 V,

grandinje nusakyti yra vedamas pastoviosios tampos stiprinimo koeficientas K U b: (1.135)

kur: Uin UEB - pastovioji jimo tampa. Is (1.133) ir (1.134) seka: kai Uin UEB const, bendros bazs schemoje pastoviosios tampos stiprinimo koeficientas K

U b

didja, didjant maitinimo saltinio tampai

U b

KB

ir

mazjant apkrovos rezistoriaus Ra varzai. Koeficiento K dalinimo koeficientas ir Uis KB.

priklausomyb nuo varzos Ra

akivaizdziai seka is rezistorinio tampos daliklio veikos, nes mazjant varzai Ra, mazja

Akivaizdu, kad tranzistorius T bendros bazs schemoje stiprina ir kintamj jimo tamp Uin . Todl siai tranzistoriaus savybei bendros bazs grandinje nusakyti yra vedamas diferencialinis tampos stiprinimo koeficientas K u b : K u b Uis /Uin Uis /Uin , kur: Uis

kai I E const,

E

(1.136)

- kintamoji tampa isjime ,,Uis" (1.57 pav.), o slyga I

const nurodo

tranzistoriaus veikos tasko viet jo apkrovos Ra tiesje, pvz. taske "c" (1.58 pav.). Is (1.136) ir (1.134), zinodami, jog UEB Uin , randame: K u b Ra 2KB I DK s /{ T I DK s Ra /exp (UEB / T) KB 2·exp (UEB / T)}, is kur, pasinaudoj (1.120) bei (1.123), gauname: K u b 2KB I K Ra /[ T (I K Ra KB ) 2 ] |S b | Ra 2KB /( I K Ra KB ) 2, (1.137) kur: I K - pastovioji kolektoriaus srov tranzistoriaus veikos taske, pvz. taske "c" (1.58 pav.). Is 1.58 pav. matome: kai tamp

KB

ir varz Ra yra didinamos taip, jog bt

islaikomos slygos: Uin const, o tuo paciu ir I E const, esant I K const, apkrovos ties 69

Ra sukasi pries laikrodzio rodykl apie tranzistoriaus veikos task "c" ir to paskoje didja Uis = Uis , o tuo paciu ir K u b. Esant toms pacioms slygoms, mazinant KB ir Ra, apkrovos ties Ra sukasi pagal laikrodzio rodykl apie tranzistoriaus veikos task "c" ir to paskoje mazja Uis , o tuo paciu ir K u b. Akivaizdu, kad pastovioji srov I K israiskoje (1.137) turi tenkinti slyg: 0 I K I K max. Pvz., esant sioms vertms: T 25,5 mV,

KB 10 V ir

Ra 1 k, gauname vert I K max 10 mA. Taigi, israisk (1.137) statome vert I K 5 mA ir randame, jog koeficientas K u b 87,1. Esant sioms slygoms, 1.59 pav. a yra parodyta is (1.137) paskaiciuota K varzos Ra, kai

u b

priklausomyb nuo pastoviosios srovs I K, o 1.59 pav. b- nuo

KB vertei yra tenkinama si slyga: KB I K·Ra UKB, t. y. KB vert yra

perskaiciuojama taip, kad apkrovos ties Ra sukasi pries laikrodzio rodykl apie tranzistoriaus veikos task "c" (1.58 pav.), kuriame I K 5 mA ir UKB 5 V (1.59 pav. b- istisin kreiv ) ir priklausomyb K u b ( Ra ), kai

KB 10 V ir I K 5 mA (1.59 pav. b- brksniuota-taskin KB

kreiv ), kas atitinka apkrovos tiess Ra sukimsi pries laikrodzio rodykl apie tampos

verts task "e" (1.58 pav.). Cia stebimas K u b ( Ra ) mazjimas yra slygotas tranzistoriaus sisotinimo, nes UKB 0 (1.58 pav.), ir si tranzistoriaus veikos sritis nra taikoma tiesinse elektroninse sistemose. Kub 100 60 20 0 2 6 a 10 I K, mA Ra 1 k,

UKB const

Kub 500 300 100 0

I K 5 mA, UKB 5 V

KB const

I K 5 mA, UKB const

KB 10 V

KB = 10 V

10

2

6 b

Ra, k

1.59 pav. Is (1.137) paskaiciuota K u b priklausomyb nuo pastoviosios srovs I K (a) ir nuo Ra ( b), kai tranzistorius yra jungtas bendros bazs schemoje (1.57 pav.) Taigi parodme, jog tranzistorius bendros bazs (BB) schemoje (1.57 pav.) stiprina tamp ( K U b, u b 1) ir nestiprina srovs ( , o 1). Sioje jungimo grandinje tranzistoriaus jimo varza R EB b nuolatinei ir r EB b kintamajai srovms yra maza, o isjimo diferencialin varza r KB b - labai didel. Tuo tarpu isjimo varza R KB b nuolatinei srovei yra funkcija nuo emiterio tampos UEB (1.130) ir kinta nuo labai maz verci- 0,1 1 , iki labai dideli 70

verci- 10 100 M, t. y. tranzistorius elgiasi kaip pastovija jimo tampa Uin

arba

kintamja jimo tampa Uin elektriskai valdomas kintamasis rezistorius- R KB b (Uin , Uin ). Kadangi tranzistorius bendros bazs (BB) schemoje stiprina tamp ir nestiprina srovs, surasime galios stiprinimo koeficientus: K P b - nuolatinei srovei ir K p b - kintamajai srovei: K P b Pis /Pin, K p b Pis /Pin , (1.138)

kur: Pin I in·Uin , Pis I is·Uis , Pin I in ·Uin , Pis I is ·Uis . Kadangi I is I K ir I in I E, tai, pasinaudoj (1.109) ir (1.135), randame: K P b o·K U b, (1.139)

is kur seka, jog koeficientas K P b yra truputi mazesnis uz K U b, nes o 1, taciau islieka daug daugiau uz 1 ( K P b 1 ). Analogiskai, is (1.126) ir (1.136), gauname: K p b K u b, (1.140)

is kur taip pat seka, jog K p b yra truputi mazesnis uz K u b, nes 1, taciau vis tiek K p b >> 1. Bendro emiterio schemoje (BE) (1.53 pav. b) jimo srov yra bazs srov I B, o isjimo- kolektoriaus srov I K. Si grandin, pasinaudojus diodiniu ekvivalentu (1.52 pav.), yra modeliuojama Eberso-Molo ekvivalentine schema, parodyta 1.60 pav., kur vestas naujas parametras

o i

o i

/(1

o i

)- tranzistoriaus bazs pastoviosios srovs perdavimo

koeficientas inversinio jungimo atveju, kai kolektorius ir emiteris sukeisti vietomis, t. y. siuo atveju kolektoriaus p-n sandra jungta tiesiogine, o emiterio p-n sandra- atgaline kryptimis ir valdomi srovs saltiniai isreiksti per bazs srov I B. I DK e n IK B + UBE n 1.60 pav. Dvipolio n-p-n tranzistoriaus Eberso-Molo ekvivalentine schema bendro emiterio (BE) jungimo schemoje 71 I DE e IE E IB p K

o·I B o i·I B

+ UKE

Tranzistoriaus T veikai nusakyti bendro emiterio grandinje (1.53 pav. b) yra naudojamos: jimo VACh- I B (UBE ), esant uzduotai UKE const; isjimo VACh- I K (UKE ), esant uzduotai I B const; perdavimo charakteristika- I K (UBE), esant uzduotai UKE const. 1.61 pav. yra parodytos is (1.117) ir (1.118) paskaiciuotos tranzistoriaus jimo VACh (a), isjimo VACh (b) ir perdavimo charakteristika (c) BE jungimo schemoje. IB UKE = 0 UKE > 0 IK I K2 I K1 I K IB > 0

IB = 0 0 a IK UKE = 0 UKE > 0 UBE UE 0 UKE1 UKE UKE2 b UKE

0 c

UBE

1.61 pav. Bendro emiterio grandins (1.60 pav.) su n-p-n tranzistoriaus T jimo VACh (a), isjimo VACh su joje nubrzta apkrovos Ra tiese ( b) ir perdavimo charakteristika (c) Is jimo VACh (1.61 pav. a) ir perdavimo charakteristikos (1.61 pav. c) matome, jog jos turi eksponentins funkcijos pavidal. Todl, analogiskai diodo VACh (1.28), jos dideliu tikslumu aprasomos panasia aproksimacija: I B I B s (T, UKE )·exp (UBE / T), I K I K e s (T, UKE)·exp (UBE / T), kur priimta m 1, o atgalins soties srovs I B s ir I K e s yra funkcijos nuo UKE ir T. 72

(1.141)

Bazs atgalin soties srov I bazs soties srov I

B s

bendro emiterio schemoje yra matuojama esant

trumpajam jungimui tarp kolektoriaus ir emiterio (UKE 0 ). Todl israiskoje (1.141) atgalin

B s

per emiterio p-n sandr nra ta pati, kaip bendros bazs schemoje

(1.55 pav.): I B s I DE s (1.119). Akivaizdu, kad dalis atgalins srovs I DE s per emiterio p-n sandr teka kolektori- I DK s, ir todl, pasinaudojus (1.108) (1.110), galima uzrasyti: I B s I DE s I DK s I DE s o I DE s ( 1 o ) I DE s I DE s / o. Atgalin soties srov I

K e s

(1.142)

(1.141) tarp kolektoriaus ir emiterio BE schemoje, kai

bazs srov I B 0, taip pat skiriasi nuo I DK s (1.120), nes srov I K e s teka per du nuosekliai sujungtus diodus (1.60 pav.). Is (1.108) ir (1.109) randame: I B I E I K I E ( I DK s o I E ) I E (1 o ) I DK s, ir is cia, kai I B 0, gauname: I E I DK s /(1 o ), ir, pasinaudoj akivaizdzia tapatybe I E I K e s, randame galutin israisk: I K e s I DK s /(1 o ) o I DK s. (1.143)

Bendro emiterio schemoje is perdavimo charakteristikos I K (UBE ) kintamojo signalo atveju kolektoriaus kintamosios srovs I K priklausomyb nuo kintamosios tampos UBE yra nusakoma diferencialiniu statumu S e : S e [ I K (UBE )] |UBE I K /UBE , Is (1.141) ir (1.144) randame: S e I K e s (T, UKE )·exp (UBE / T )/ T, kur stat israisk (1.141), gauname: S e I K / T, (1.146) (1.145)

'

kai UKE const.

(1.144)

is kur seka svarbi isvada: S e S b S (1.123)- tranzistoriaus statumas S nepriklauso nuo jo jungimo schemos ir yra funkcija tik nuo pastoviosios kolektoriaus srovs I K ir temperatros T, nes T k·T /q. Bendro emiterio (BE) grandinje (1.53 pav. b), analogiskai BB schemai, aprasant tranzistoriaus jimo grandin, kaip jimo tampos saltinio UBE apkrov, yra vedama jimo varza R BE e pastoviajai srovei ir diferencialin jimo varza r BE e kintamajai srovei: 73

R BE e UBE /I B, r BE e UBE /I B UBE ~ /I B ~, Is (1.141) ir (1.144) (1.147) randame: R BE e UBE /[I B s exp (UBE / T)], r BE e (UBE ~ /I K ~ ) (I K ~ /I B ~) /S e T /I K, kai UKE const.

(1.147)

(1.148)

kur: - diferencialinis kintamosios bazs srovs I B ~ perdavimo koeficientas bendro emiterio schemoje:

IK /I B I K ~ /I B ~,

kai UKE const.

(1.149)

Is (1.148) randame: r BE e 1,25 k, kai 49 ( 0,98), T 25,5 mV ir I K 1 mA; R BE e 176 k, kai I B s 10 6 mA, I K e s 10 3 mA (1.143) ir UBE 176 mV, kuriai esant srov I

K

1 mA. Palygin siuos rezultatus su gautais rezultatais bendros bazs

schemoje (1.125), matome, jog bendro emiterio schemoje tranzistoriaus jimo varzos yra daug didesns: r BE e r EB b, o R BE e R EB b I DE s /I B s, nes I DE s >>I B s (1.142). Aprasant bendro emiterio schemoje tranzistoriaus isjimo grandin, kaip kintamosios tampos saltinio UKE ~ apkrov, yra vedama diferencialin isjimo varza r KE e : r KE e UKE /I K UKE ~ /I K ~, Is (1.117) ir (1.150) randame: I K /U a21 [exp (UBE / T)]/ T + a22 [exp (UBK / T)]/ T, I B /U a31 [exp (UBE / T)]/ T + a32 [exp (UBK / T)]/ T 0, ir is cia bei (1.118) gauname: I K /UKE I DK s (1 o o i ) [exp (UBK / T)]/[ T (1 o )], o si israisk stat (1.150), bei pakeit UBK UKB ir I DK s - jos moduliu, gauname: r KE e T (1 o ) exp (UKB / T)/[(1 o o i ) I DK s ]. (1.151) kai I B const. (1.150)

Akivaizdu, jog tampa UKB UKE UBE (1.60 pav.) ir, stat tai (1.151), bei pasinaudoj israiskomis (1.141) ir (1.143), randame: r KE e T·exp (UKE / T)/[(1 o o i ) I K ] UE /I K, (1.152)

74

kur apytiksl lygyb yra parasyta panaudojus tranzistoriaus Erlio tampos modulio vert (1.61 pav. b), esant slygai: UKB > 0. Is (1.152) paskaiciuojame: kai o 0,98, o i 0,5, T 25,5 mV, I K 1 mA ir UKE 0,3 V, diferencialin varza r KE e 129·10 3 129 k. Matome, jog bendro emiterio schemoje normaliai jungto tranzistoriaus varza r KE e r KB b (1.128). Be to r KE e priklauso ir nuo I K, t. y. diferencialin varza r KE e mazja, didjant pastoviajai srovei I K (1.61 pav. b). Si priklausomyb yra vadinama Erlio efektu ir yra nusakoma Erlio tampa UE. Sios tampos viet isjimo VACh tamp UKE asyje yra surandama taip, kaip yra parodyta 1.61 pav. b. Is ten parodyt pazymjim, Erlio tamp UE galima paskaiciuoti taip: UE ( I K 1 UKE 2 I K 2 UKE 1 )/( I K 2 I K 1 ). (1.153)

Bendro emiterio (BE) jungimo schemoje tranzistoriaus isjimo varza R KE e nuolatinei srovei yra: R KE e UKE /I K, ir is cia bei (1.154), randame: R KE e UKE /[ I K e s exp (UBE / T )]. (1.155) kai I B const, (1.154)

Esant fiksuotai tampai UKE const 0, isjimo varza R KE e yra funkcija nuo jimo tampos UBE ir kinta nuo santykinai didels verts- R KE e UKE /I K e s 1 100 M, kai UBE 0, iki labai maz verci- R KE e 10 10 2 , kai UBE 0. Is cia seka, jog bendro emiterio jungimo schemoje is esms tranzistorius T taip pat yra pastovija jimo tampa Uin arba kintamja jimo tampa Uin elektriskai valdomas rezistorius- R KE e (Uin , Uin ) ir si ekvivalentin grandin yra parodyta 1.62 pav.

IK IB T B K

Ra Uis R KE e E I E ­

UBE ­

KE

1.62 pav. Bendro emiterio (BE) grandin su n-p-n tranzistoriaus T elektriskai valdomu varziniu ekvivalentu R KE e 75

Isnagrinsime 1.62 pav. parodytos bendro emiterio grandins su tranzistoriaus T elektriskai valdomu varziniu ekvivalentu R KE e (Uin, Uin ) veik. Tuo tikslu pasinaudosime isjimo VACh (1.61 pav. b) bei joje nubrzta apkrovos R a tiese ( brksnin-taskin linija 1.63 pav. a ). IK I K max I K I B (s) UKB 0 s Ra c I K = const a IB = 0 e UKE I B = const I B IB > 0 60 20 0 2 6 b 10 Ra, k Kue 100

KE 10 V,

I K 5 mA, I B const

KE 10 V,

I K ~ 1/Ra, I B const

0

UKE Uis ~ a

KE

1.63 pav. BE schemoje (1.62 pav.) jungto n-p-n tranzistoriaus isjimo VACh su joje nubrzta apkrovos Ra tiese (a) bei is (1.162) paskaiciuotos priklausomybs K u e ( Ra ) ( b) Apkrovos Ra ties BE schemoje yra aprasoma sia lygtimi: I K I K max UKE /Ra, kur: I K max KE /Ra, ir is cia (1.156) galima uzrasyti taip: I K ( KE UKE )/Ra. (1.157) (1.156)

Isjimo pastoviajai tampai Uis tranzistoriaus T kolektoriaus K isvade (1.62 pav.) paskaiciuoti pasinaudosime Omo dsniu visai isjimo grandinei (1.17) ir akivaizdzia tamp suma- KE UR K Uis : Uis KE UR K KE ( I K Ra ) KE [ KE Ra /( Ra R KE e )] KE R KE e /( Ra R KE e ), kur is (1.155) stat R KE e ir pakeit UKE KE, randame: U is 2KE /{ I Ke s Ra exp (UBE / T)] KE }. (1.158)

(1.159) 76

Is (1.158) ir (1.159) seka: ir BE schemoje tranzistorius T su apkrovos rezistoriumi Ra yra is esms jimo tampa Uin UBE arba Uin dalinantis maitinimo tamp Uis

~

UBE

~

valdomas rezistorinis daliklis,

KE. Taigi, is (1.159) matome: kai UBE 0, isjimo tampa

0 ir apkrovos Ra tiess susikirtimo taske "a" -

KE, nes tampa I K e s·Ra KE. Siuo atveju tranzistorius T yra uzdarytas ir jo veikos

B

taskas randasi isjimo VACh kreivs I

atkirtos taske (1.63 pav. a). Kai jimo tampa UBE 0 ir didja, bazs srov I B 0 taip pat didja. Todl tranzistoriaus veikos taskas slenka apkrovos Ra tiese aukstyn, o isjimo tampa Uis mazja ir artja prie nulio (1.159). Taigi, isjimo tampos Uis pokytis Uis 0 ir savo zenklu yra priesingas jimo tampos Uin pokyciui Uin UBE 0. Is cia seka, jog bendro emiterio schemoje isjimo tampos Uis pokycio Uis faz

is

yra pasukta 180 o atzvilgiu

jimo tampos Uin pokycio Uin fazs in ( is in 180 o ). Kai I B I B (s), tranzistoriaus T veikos taskas randasi taske "s" - soties taske (1.63 pav. a), kur isjimo tampa Uis yra ribose:1 V > Uis > 0. Siame tranzistoriaus veikos taske tampa UKB 0, kai tuo tarpu tampa UKE > 0. Si tranzistoriaus soties slyga isjimo VACh (1.63 pav. a) yra parodyta brksniuota kreive "UKB 0". Toliau didinant bazs srov I B I B (s), tranzistoriaus veikos taskas slenka apkrovos Ra tiese aukstyn ir patenka uz soties tasko "s", t. y. patenka soties srit, kurioje tampa UKB 0, kai tuo tarpu UKE > 0, t. y. islieka teigiama. Todl kolektoriausbazs p-n sandra atsidaro, ko paskoje tranzistorius yra sotinamas, t. y. tranzistoriaus bazje ir kolektoriuje kaupiasi pertekliniai salutiniai krvininkai, kurie yra injektuojami is kolektoriaus baz ir atvirksciai. Taciau soties veikoje tranzistoriaus isjimo tampa Uis > 0, t. y. islieka teigiama, bet santykinai maz verci: 0,02 0,1 V. Normalioje veikoje bendro emiterio (BE) schemoje tranzistoriaus pastovioji jimo tampa UBE yra atidarytos emiterio-bazs p-n sandros tampa, kuri vairioms puslaidininkinms medziagoms tenkina slyg: UBE 1 V (1.19 pav.). Todl akivaizdu, jog tranzistorius BE schemoje tai pat stiprina pastovij tampa, nes kolektoriaus grandins maitinimo saltinio tampa

KE siekia desimtis ir simtus volt. Siai tranzistoriaus savybei BE

K U e Uis /Uin KE /1 V,

schemoje nusakyti yra vedamas pastoviosios tampos stiprinimo koeficientas K U e : (1.160)

kur: Uin UBE - pastovioji jimo tampa. Is (1.158) ir (1.159) seka: kai Uin const, BE schemoje koeficientas K didjant tampai

U e

didja,

U e

KE

ir mazjant apkrovos rezistoriaus Ra varzai. Si koeficiento K

77

priklausomyb nuo varzos Ra akivaizdziai seka is rezistorinio tampos daliklio veikos, nes mazjant varzai Ra, mazja dalinimo koeficientas ir isjimo pastovioji tampa Uis KB. Akivaizdu, jog tranzistorius bendro emiterio schemoje stiprina ir kintamj jimo tamp Uin . Todl yra vedamas diferencialinis tampos stiprinimo koeficientas K u e : K u e Uis /Uin Uis /Uin , kur: Uis

kai I B const,

B

(1.161)

- kintamoji tampa isjime ,,Uis" (1.62 pav.), o slyga I

const nurodo

tranzistoriaus veikos tasko viet jo apkrovos Ra tiesje, pvz. taske "c" (1.63 pav. a). Is (1.161) ir (1.159), zinodami, jog UBE ~ Uin , randame: K u e Ra 2KE I K e s exp (UBE / T)/{ T I K e s R a exp (UBE / T) KE 2 }, is kur, pasinaudoj israiska (1.141) ir (1.146), gauname: K u e 2KE I K Ra /[ T ( I K Ra KE ) 2 ] S e Ra 2KE /( I K Ra KE ) 2, (1.162) kur: I K - pastovioji kolektoriaus srov tranzistoriaus veikos taske, pvz. taske "c" (1.63 pav. a). Palygin (1.162) ir (1.137), matome, jog K u e K u b, nes S e |S b |. Cia pastebsime, jog israiska (1.162) yra apytiksl, nes BE schemoje I K const, kai I B const (1.63 pav. a). Is 1.63 pav. a matome: didinant KE ir Ra taip, jog bt islaikomos slygos: Uin const, o tuo paciu ir I B const bei I K const, apkrovos ties Ra sukasi pries laikrodzio rodykl apie tranzistoriaus veikos task "c". Dl to didja Uis Uis , o tuo paciu ir K u e. Akivaizdu, jog pastovioji srov I K israiskoje (1.162) turi tenkinti slyg: 0 I K I K max. Pvz., esant sioms vertms: T 25,5 mV,

KE 10 V ir Ra 1 k, gauname vert I K max 10 mA. Taigi,

u b

israisk (1.162) stat vert I K 5 mA, randame: K u e 87,1. Esant sioms slygoms, kaip ir bendros bazs (BB) schemoje, 1.59 pav., a ir b parodytos priklausomybs K atitinka is (1.162) paskaiciuot K tampa

u e

( I K, Ra )

priklausomyb nuo I

K

BE schemoje, kai maitinimo

KE I K·Ra UKE, t. y. KE vert yra perskaiciuojama taip, kad apkrovos ties Ra

sukasi pries laikrodzio rodykl apie tranzistoriaus veikos task "c", kuriame kolektoriaus srov I K 5 mA ir UKE 5 V, bei priklausomyb K u e ( Ra ), kai tampa KE 10 V ir srov I K const ( 1.63 pav. b- istisin kreiv ). Siuo atveju didjant R a, koeficientas K u e taip pat didja ir, pasieks maksimum, toliau mazja. Si koeficiento K u e priklausomyb nuo Ra yra paaiskinama tranzistoriaus isjimo VACh kreivi I B const seimoje nubrztos apkrovos Ra tiess (1.63 pav. a) elgesiu, kintant varzai Ra. Tegul tranzistoriaus veikos taskas yra taske "c". 78

Didjant varzai Ra 0 ir esant slygoms: Uin UBE const ir I B const bei KE const, apkrovos ties Ra sukasi pries laikrodzio rodykl apie tampos KB verts task "e" (1.63 pav. a). Dl to didja UKE Uis ir tuo paciu didja K u e (1.63 pav. b). Kita vertus, tuo paciu metu tranzistoriaus veikos taskas is pozicijos "c" apkrovos tiese Ra slenka veikos tasko "s" kryptimi, nes palaikome I kreivi, esant I |I

K

const. Taigi, tranzistoriaus veikos taskas patenka pradin | const, mazja. Todl toliau didjant Ra pokytis UKE

u e.

isjimo VACh kreivi I B const srit, kurioje atstumas tarp gretim I B1 (UKE ) ir I B2 (UKE )

B B1

I

B2

pradeda mazti ir tuo paciu mazja K

Kita vertus, rezistoriaus Ra varzai pasiekus

pakankamai dideles vertes, tranzistoriaus veikos taskas kerta soties linij UKB 0 ( 1.63 pav. a brksniuota kreiv ) ir tranzistorius sisotina, ko paskoje K u e 0. Kai Ra 0, apkrovos ties Ra sukasi pagal laikrodzio rodykl apie tampos

KB verts task "e" ir todl pokytis

UKE Uis ~ taip pat mazja ir K u e 0. Cia pastebsime, jog esant slygai I B const, srov I K const, kai Ra kinta. Todl israiskoje (1.162) reikia skaityti I K kitim, kintant varzai Ra ( I K ~ 1/Ra ) ir esant siai slygai paskaiciuota priklausomyb K u e ( Ra ) yra parodyta 1.63 pav. b- brksniuota kreiv. Taigi, parodme, jog tranzistorius BE schemoje (1.53 pav. b), kaip ir BB schemoje (1.53 pav. a), stiprina tamp ( K U e, u e 1 ) ir, skirtingai nuo BB schemos, stiprina srov ( , o 1 ). BE jungimo grandinje tranzistoriaus jimo varza R BE e nuolatinei ir r BE e kintamajai srovms yra didel, o isjimo diferencialin varza r KE e - taip pat didel. Tuo tarpu isjimo varza R KE e pastoviajai srovei yra funkcija nuo jimo tampos Uin, ~ UBE, ~ (1.155) ir kinta nuo labai maz verci- 0,01 1 , iki labai dideli verci- 10 100 M, t. y. tranzistorius elgiasi kaip tampa valdomas kintamasis rezistorius- R KE e (Uin , Uin ). Parodme, jog bendro emiterio (BE) schemoje tranzistorius stiprina ir tamp ir srov. Todl surasime tranzistoriaus galios stiprinimo koeficientus bendro emiterio jungimo schemoje- K P e - nuolatinei srovei ir K p e - kintamajai srovei: K P e Pis /Pin, K p e Pis /Pin , (1.163)

kur: Pin I in·Uin , Pis I is·Uis , Pin I in ·Uin , Pis I is ·Uis . Bendro emiterio schemoje I is I K ir I in I B, todl is (1.107), (1.150), (1.160) ir (1.161) randame: K P e o·K U e, (1.164)

is kur seka: K P e yra zymiai didesnis uz K P b (1.139), nes o o, ir tuo paciu yra daug daugiau uz 1 ( K P e 1), ir analogiskai kintamojo signalo atveju gauname: 79

K p e ·K u e >> 1 ir K p e K p b.

(1.165)

Bendro kolektoriaus schemoje (BK) (1.53 pav. c) jimo srov yra I B, o isjimo- I E. Si grandin, pasinaudojus diodiniu ekvivalentu (1.52 pav.), yra modeliuojama tokia pacia Eberso-Molo ekvivalentine schema, kaip ir bendro emiterio grandin, kuri yra parodyta 1.64 pav. a, tik siuo atveju bazin nulin tampa yra kolektoriuje ( K 0). Bendro kolektoriaus grandinje (1.53 pav. c) tranzistoriaus veikai nusakyti yra naudojamos: jimo VACh- I B (UBK ), esant uzduotai UEK const, kai UBK UEK ; isjimo VACh- I E (UEK ), esant uzduotai I B const; perdavimo charakteristika- I E (UBK ), esant uzduotai tampai UEK const, kai UBK UEK . 1.64 pav. yra parodytos is (1.117) ir (1.118) apskaiciuotos BK schemoje (1.53 pav. c) jungto tranzistoriaus jimo VACh (a), isjimo VACh (b) ir perdavimo charakteristika (c). I DE k p n IE B UBK IB I DK k E IB UEK = 0, UBK > 0 UEK < 0, UEK < UBK < 0

o·I B o i·I B

UEK

+ n

IK

+ K a 0 UEK b IE UBK +

IB

UEK = 0, UBK > 0

UEK < 0, UEK < UBK < 0

I E UE 0 UEK c UBK + 0 UEK d

IB > 0

IB = 0 UEK

1.64 pav. Bendro kolektoriaus grandins (1.60 pav.) ekvivalentin schema (a) su n-p-n tranzistoriaus T jimo VACh ( b), perdavimo charakteristika (c) ir isjimo VACh su joje nubrzta apkrovos Ra tiese ( b) 80

Palygin 1.64 pav. su 1.61 pav., matome, kad tranzistoriaus VACh bendro kolektoriaus schemoje praktiskai nesiskiria nuo jo VACh bendro emiterio grandinje. Is jimo VACh (1.64 pav. a) ir perdavimo charakteristikos (1.64 pav. c) matome: jos turi eksponentins funkcijos pavidal. Todl, analogiskai diodo VACh (1.28), jos dideliu tikslumu yra aprasomos panasia aproksimacija: I B I B s (T, UEK )·exp (UBE / T), kur UBE UBK UEK, I E I K e s (T, UEK )·exp (UBE / T), kur UBE UBK UEK, (1.166) (1.167)

kur priimta m 1 ir atgalins soties srovs I B s ir I K e s yra aprasytos israiskomis (1.142) bei (1.143), atitinkamai, o tampos UBE, UBK ir UEK yra rasomos su savo zenklu- "+" arba "". Bendro kolektoriaus schemoje is perdavimo charakteristikos I yra nusakoma diferencialiniu statumu S k : S k [I E (UBK)] |UBK I E /UBK , Is (1.167) ir (1.168) randame: S k I K e s (T, UEK ) exp (UBE / T)/ T, kur stat israisk (1.167), gauname: S k I E / T, (1.170) (1.169)

'

E

(UBK ) kintamojo

signalo atveju emiterio kintamosios srovs I E priklausomyb nuo kintamosios tampos UBK

kai UEK const.

(1.168)

is kur taip pat seka: S k S e S b S (1.123), nes I E I K, ir matome, jog tranzistoriaus statumas S nepriklauso nuo jo parametr bei jungimo schemos, ir yra funkcija tik nuo kolektoriaus pastoviosios srovs I K arba I E, bei temperatros T. Bendro kolektoriaus schemoje nagrinjant tranzistoriaus jimo grandin, kaip jimo tampos saltinio UBK apkrov, yra vedama jimo varza R diferencialin jimo varza r B k kintamajai srovei: R B k UBK /I B, r B k UBK /I B UBK ~ /I B ~, kai UEK const.

B k

nuolatinei srovei ir

(1.171)

Is (1.166) ir (1.168) (1.171), zinodami, jog UBE , ~ UBK , ~ UEK , ~ ir I B I E / o, bei I B ~ I E ~ /, randame:

81

R B k |UBE UEK |/I B |UBE |/[I B s exp (UBE / T)] + |UEK |/I B R B k R BE e + o |UEK |/I E, r B k (UBK ~ /I B ~ )·(I E ~ /I E ~ ) /S k T /I E. Is (1.172) randame: r B k 1,25 k, kai 49 ( 0,98), T 25,5 mV ir IE 1 mA; RB

k

(1.172)

176 k + 490 k 666 k, kai I

B s

10 6 mA ir UBE 176 mV, kuriai esant

I B 20 A, kai UEK 10 V. Palygin siuos rezultatus su gautais rezultatais bendro emiterio schemoje (1.149), matome, jog bendro kolektoriaus schemoje tranzistoriaus jimo diferencialin varza yra tokia pat- r

B k

r

BE e,

nes I

E

I

K

ir emiterio grandinje nra

apkrovos rezistoriaus Ra (1.53 pav. c). Taciau R B k R BE e. Bendro kolektoriaus schemoje nagrinjant tranzistoriaus isjimo grandin, kaip kintamosios tampos saltinio UEK ~ apkrov, yra vedama diferencialin isjimo varza r EK k: r EK k UEK /I E UEK ~ /I E ~, Is (1.117) randame: I E /U a11 [exp (UBE / T)]/ T + a12 [exp (UBK / T)]/ T, I B /U a31 [exp (UBE / T)]/ T + a32 [exp (UBK / T)]/ T 0, ir is cia bei (1.118), zinodami, kad UEK UBK UBE, gauname: I E /UEK I K s (1 o o i ) [exp (UBK / T)]/[ T (1 o)], ir si israisk stat (1.173), bei pakeit I K s jos moduliu, gauname: r EK k T (1 o )/[exp (UBK / T) (1 o o i ) I K s ]. (1.174) kai I B const. (1.173)

Gautoje israiskoje (1.174) padar pakeitim- UBK UEK UBE (1.60 pav.), bei pasinaudoj israiskomis (1.143) ir (1.167), randame: r EK k T /[exp (UEK / T)·(1 o o i )·I E ]. (1.175)

Is (1.175) randame: kai o 0,98, o i 0,5, T 25,5 mV, I E 1 mA ir UEK 0,3 V, diferencialin varza r tranzistoriaus varza r

EK k

129 10

3

129 k, kai I

B

const, kas atitinka srovs

saltinio slyg bazs grandinje. Is cia seka: bendro kolektoriaus schemoje normaliai jungto

EK k

r

KE e

(1.153), t. y. tokios pat verts, kaip ir bendro emiterio

jungimo schemoje, nes I E I K. Be to varza r EK k, kaip ir r KE e, priklauso nuo I E (arba I K )didjant pastoviajai srovei I E, varza r EK k mazja (1.64 pav. b), kas yra susij su Erlio efektu. BK jungimo schemoje tranzistoriaus isjimo varza R EK k pastoviajai srovei yra: 82

R EK k UEK /I E, ir is (1.167) bei (1.176), gauname:

kai I B const,

(1.176)

R EK k UEK /[I K e s exp (UBE / T)]. Palygin (1.177) ir (1.155), matome: R

EK k

(1.177) kai I

B

R

KE e,

const. Taigi, esant

fiksuotai I B ir tampai UEK const 0, BK grandinje tranzistoriaus isjimo varza R EK k taip pat yra funkcija nuo jimo tampos Uin UBK ir kinta nuo labai didels verts- 0,1 1 M, kai UBK UEK, kas atitinka UBE 0, iki labai maz verci- 10 10 3 , kai UBK UEK, kas atitinka UBE 0. Is cia seka, jog is esms tranzistorius BK jungimo schemoje taip pat yra jimo tampa Uin arba Uin valdomas rezistorius- R EK k (Uin , Uin ) (1.65 pav.). Isnagrinsime 1.65 pav. a parodytos BK grandins su n-p-n tranzistoriaus T elektriskai valdomu varziniu ekvivalentu R

EK k

(Uin, Uin ) veik. Tuo tikslu pasinaudosime isjimo

VACh (1.64 pav. b) bei joje nubrzta apkrovos Ra tiese (1.66 pav.). T B E Ra IE K IK R KE k Uis +

IE IB T B K E

Ra Uis ­ R EK k IK a + Uin

IB

­ Uin

EK

EK

b

1.65 pav. Bendro kolektoriaus (BK) grandin (a) bei emiterinio kartotuvo (EK) grandin ( b) su n-p-n tranzistoriaus T elektriskai valdomu varziniu ekvivalentu R EK k ir R KE k, atitinkamai (R EK k = R KE k ) IE I B (S) I E max UBK 0 s Ra c a UEK 0 UKE EK IB = 0 IB > 0

I E

1.66 pav. BK schemoje (1.65 pav.) jungto n-p-n tranzistoriaus T isjimo VACh su joje nubrzta apkrovos Ra tiese ( brksnin-taskin linija) Apkrovos R a ties yra aprasoma sia lygtimi: 83

I E I E max UEK /R a, kur: I E max EK /R a ir (1.178) galima uzrasyti taip: I E ( EK UEK )/R a.

(1.178)

(1.179)

Tranzistoriaus T emiterio E (1.65 pav. a) isvade isjimo pastoviajai tampai Uis paskaiciuoti pasinaudosime Omo dsniu visai isjimo grandinei (1.17) ir akivaizdzia tamp suma- EK UR EK k URa Uis URa : Uis EK URa EK I E Ra EK EK Ra /(Ra R EK k ) Uis EK R EK k /(Ra R EK k ), kur stat R EK k is (1.177), kai I B const, ir pakeit UEK EK, randame: Uis 2 EK /I K e s Ra exp (UBE / T) EK . (1.181) (1.180)

Is (1.180) seka, jog bendro kolektoriaus grandinje tranzistorius taip pat is esms yra tampa UBK Uin valdomas rezistorinis nuolatins maitinimo tampos EK daliklis. Is (1.181) matome: kai UBE 0, kas atitinka Uin UBK EK, nes UBE U in EK 0, isjimo tampa Uis EK, nes I K e s·Ra KE ir siuo atveju tranzistorius T yra uzdarytas. Todl jo veikos taskas randasi isjimo VACh kreivs I

B

0 ir apkrovos Ra tiess susikirtimo taske "a" -

atkirtos taske (1.66 pav.). Kai tampa UBE 0 ir didja ( tai atitinka Uin EK ), bazs srov I B 0 ir taip pat didja. Todl tranzistoriaus T veikos taskas slenka apkrovos Ra tiese aukstyn, o isjimo tampos modulis Uis tuo metu mazja ir artja prie 0 (1.181). Taigi, isjimo tampos Uis pokytis Uis 0 savo zenklu sutampa su jimo tampos Uin pokycio Uin 0 zenklu. Todl BK grandin nekeicia isjimo tampos Uis pokycio Uis fazs

is

atzvilgiu jimo tampos Uin pokycio Uin fazs in ( is in 0). Kai I B I B (s), tranzistoriaus veikos taskas randasi taske "s" - soties taske (1.66 pav.) ir isjimo tampa Uis 0, nes exp (UBE / T) (1.181). Siame veikos taske tampa UBK 0, nes tampos UBE 0 didjimas yra gaunamas mazinant jimo tampos modul Uin UBK 0. Si tranzistoriaus T soties slyga isjimo VACh taip pat yra parodyta brksniuota-taskine kreive"UBK 0" (1.66 pav.). Toliau didinant bazs srov I B I B (s), tranzistoriaus veikos taskas slenka apkrovos Ra tiese aukstyn ir patenka uz soties tasko "s", kur tampa UBK 0 ir 84

kolektoriaus-bazs p-n sandra atsidaro. Todl tranzistorius yra sotinamas- jame kaupiasi pertekliniai salutiniai krvininkai. Taciau tranzistoriui esant soties veikoje, BK schemoje, kaip ir BE grandinje, isjimo tampa Uis islieka nelygi nuliui- Uis 0 ( BE grandinje- Uis 0 (1.63 pav. a)). BK schemoje emiterio grandinje jungus apkrov Ra (1.65 pav. a), emiterio-bazs p-n sandros tamp UBE su jimo tampa Uin ir isjimo tampa Uis sieja akivaizdus srysis: UBE Uin Uis, kur tampos Uin ir Uis yra rasomos su savo zenklu, sio atveju su zenklu ,,". Nagrinjamu atveju, aprasant BK schemoje tranzistoriaus T jimo grandin, kaip tampos saltinio Uin apkrov, esant apkrovai Ra isjime, yra vedama jimo varza RB pastoviajai srovei ir diferencialin jimo varza rB k kintamajai srovei: RB k Uin /I B, rB k Uin /I B Uin ~ /I B ~, kai UEK const.

k

(1.182)

(1.183)

Pasinaudoj israiskomis (1.149), (1.167) ir (1.181), is (1.182) ir (1.183) randame: RB k R BE e 2 EK /I K e s Ra exp (UBE / T) EK I B R BE e 2 EK /(I E Ra EK ) I B RB k R BE e o 2 EK /(I E Ra EK ) I E, kur yra padarytas pakeitimas- I B I E / o (1.107), nes I E I K. Analogiskai randame: rB k UBE ~ /I B ~ Uis ~ /I B ~ rB k r BE e o Ra 2 EK /(I E Ra EK ) 2. (1.185) (1.184)

Palygin gautas israiskas (1.184) ir (1.185) su (1.172), matome, jog jungus apkrovos rezistori Ra, BK schemos jimo varza nuolatinei srovei RB k R B k, o kintamajai sroveirB k r B k, t. y. padidja. Is (1.184) ir (1.185) randame: rB

k

1,25 k 4,8 k 6,05 k, kai 49

( 0,98), T 25,5 mV, EK 10 V, I K 1 mA ir Ra 100 ; varza RB k 176 k + + 485 k 661 k, kai I B s 10 6 mA ir UBE 176 mV, kuriai esant I B 20 A. Palygin siuos rezultatus su gautais rezultatais BE schemoje (1.149), matome, jog BK grandins jimo 85

diferencialin varza rB k ir jimo varza RB k pastoviajai srovei yra kelis kartus didesns uz atitinkamas varzas BE grandinje (rB k r BE e ir R koeficientas K U k : K U k Uis /Uin, ir is cia, pasinaudoj israiska (1.182), randame: K U k (Uin UBE )/Uin 1 UBE /Uin 1. Is (1.187) seka: K U k 1, nes Uin UBE ir galioja nelygyb- 0 UBE /Uin 1. Bendro kolektoriaus schemoje (1.65 pav.) tranzistoriaus T diferencialinis tampos perdavimo koeficientas K u k : K u k Uis /Uin Uis /Uin , kai I B const, (1.188) (1.187) (1.186)

Bk

R BE e ).

BK schemoje (1.65 pav. a) tranzistoriaus T pastoviosios tampos perdavimo

kur slyga: I B const nurodo tranzistoriaus veikos task jo apkrovos Ra tiesje, pvz. taske "c" (1.66 pav.). Is (1.188), zinodami, jog Uis Uin UBE , ir pasinaudoj israiskomis (1.148) bei (1.183), randame: K u k (Uin UBE )/Uin 1 (UBE /Uin )·(I B /I B ) K u k 1 r BE e /rB k 1. Is (1.189) seka: K u k 1, nes r BE e rB k ir santykis r BE e /rB k 1. Taigi parodme, jog tranzistorius BK schemoje (1.53 pav. c), skirtingai nuo BB bei BE schem (1.53 pav. a, b), nestiprina tampos ( K

U k, u k

(1.189)

1). Taciau, skirtingai nuo BB

schemos, tranzistorius BK schemoje stiprina srov ( I E o IB, kur o 1). BK schemoje, esant apkrovos rezistoriui Ra emiterio grandinje, tranzistoriaus jimo varza pastoviajai RB k ir kintamajai rB

k

srovms yra labai didel, o isjimo diferencialin varza r

EK k

(1.173)-

didel, kai I B (UEK ) const, kas atitinka srovs saltinio slyg bazs grandinje. Kai jimo grandinje yra jungtas tampos saltinis Uin (1.65 pav. a), tai siuo atveju r EK k yra suntuojama atidarytos emiterins p-n sandros santykinai maza varza r EB ir todl BK schemos isjimo diferencialin varza yra maza. Tuo tarpu isjimo varza R EK k pastoviajai srovei visais atvejais yra funkcija nuo UBE (1.177) ir kinta nuo labai maz verci- 0,01 1 (UBE 0), iki labai dideli verci- 10 100 M (UBE 0), t. y. tranzistorius ir siuo atveju elgiasi kaip jimo tampa Uin bei Uin elektriskai valdomas kintamasis rezistorius. 86

Parodme, jog tranzistorius bendro kolektoriaus schemoje stiprina srov ir nestiprina tampos. Todl surasime galios stiprinimo koeficientus: K kintamajai srovei: K P k Pis /Pin, K p k Pis /Pin , (1.190)

P k

- pastoviajai srovei ir K

p k

-

kur: P in I in·Uin, Pis I is·Uis, Pin I in ·Uin , Pis I is ·Uis . Is (1.190), padar pakeitimus: I is I E, I in I B ir I E /I B o, bei pasinaudoj israiska (1.186), randame: K P k o K U k, (1.191)

is kur seka: K P k 1, nes o 1, nezirint fakto, jog K U k 1. Be to K P k K P b (1.139). Analogiskai gauname: K p k K u k, (1.192)

is kur taip pat seka: K p k 1, nes 1, nezirint fakto, jog K u k 1. Be to K p k K p b (1.140). Bendro kolektoriaus grandin (1.65 pav. a) yra retai naudojama, nes jimo grandinje btina uztikrinti pakankamai didel uztvarin tamp |UBK |: 1 5 V |UBK | | EK | bei BK schemos isjimo diferencialin varza labai stipriai priklauso nuo varzos jimo grandinje. Todl dazniausiai yra naudojama sios grandins modifikuotas variantas, kuriame apkrovos rezistorius Ra emiterio grandinje yra zemintas (1.65 pav. b), o pastovioji maitinimo tampa EK + KE yra prijungta prie kolektoriaus (analogiskai BB ir BE grandinms). Toks BK grandins jungimo variantas yra vadinamas emiteriniu kartotuvu ( EK ), kurio savybes pilnai atitinka isnagrintos bendro kolektoriaus ( BK ) grandins savybes, kai I B (UEK ) const, kas atitinka srovs saltinio slyg ( r i ) bazs grandinje. Kai I B (UEK ) const, tai isjimo parametrai priklauso nuo saltinio Uin parametr- vidaus varzos r varza r E ek - santykinai maza: 0,01 1 k. Taigi, parodme, jog visose jungimo schemose tranzistorius zymiai stiprina jimo signalo gali ir sis stiprinimas yra didziausias BE schemoje. Pagrindins dvipolio tranzistoriaus zemadazns ( 10 MHz ) elektrini savybi palyginamosios verts vairiose isnagrintuose jungimo bduose yra pateiktos 2-oje lentelje.

i

bazs grandinje bei

atidarytos emiterio-bazs p-n sandros savybi. Dl si priezasci EK isjimo diferencialin

87

2 lentel

Tranzistoriaus jungimo bdas Bendros bazs (BB) Bendro emiterio (BE) Bendro kolektoriaus (BK), emiterinio kartotuvo (EK) Tranzistoriaus jimo diferencialin varza labai maza: 10 300 didel: 10 100 k labai didel: 100 k 10 M Tranzistoriaus isjimo diferencialin varza labai didel: 100 k 10 M vidutin: 100 10 3 k vidutin: 100 10 3 k, kai I B const; maza: 0,01 1 k, kai I B const Stiprinimas: srovs/tampos galios 1 // 1 didelis 1 // 1 labai didelis 1 // 1 didelis Srov, tampa: jime//isjime I E, UEB //I K, UKB I B, UBE //IK, UKE I B, UBK //I E, UEK

1.3.1.1 Dvipolio tranzistoriaus fizikiniai veikos principai Analogiskai puslaidininkinio diodo atvejui, be pagrindini elektrini dvipolio tranzistoriaus savybi btina zinoti jo fizikinius veikos principus. Dvipolis tranzistorius yra sudarytas is trij, pvz. "n-", "p-" ir "n-" laidumo puslaidininkini kn, kurie, tarkime, pradiniu laiko momentu nra sujungti (1.67 pav. a). +Qd Qa n d pn 1 a b c p

E1 n p n n p n

E2 n d pn 2

1.67 pav. Dvipolio tranzistoriaus, sudaromo is trij skirtingo laidumo neutrali puslaidininkini kn (a), vientisas darinys ( b, c) Btina siminti, jog visi trys knai yra elektriskai neutrals, t. y. juos sudaranci elementarij daleli elektrini krvi ± q suma (± q ) = Q = 0. Sujungus knus (1.67 pav. b), elektronai () is n- puslaidininki difunduoja p- puslaidinink, o skyls () is p- puslaidininkio difunduoja n- puslaidininkius. Elektronai p- puslaidininkyje ir skyls n- puslaidininkiuose rekombinuoja su priesingo zenklo pagrindiniais laisvaisiais krvininkais ir to paskoje n- puslaidininkiai gauna teigiam krv + Q d, o p- puslaidininkis, atvirksciai, gauna neigiam krv Q a, ir visada galioja lygyb: |+ Q d | | Q a |. Todl naujai sudarytas n-p-n puslaidininkinis darinys islieka elektriskai neutrals. Btina siminti, jog krvius + Q d ir Q a sudaro n- ir p- puslaidininki medziagos gardeli jonizuoti nejudrus priemais atomai: donorai (d) ir akceptoriai (a), atitinkamai. Be to, jonizuoti donorai ir akceptoriai yra lokalizuoti arti p-n sandr metalurgins ribos, t. y. randasi nuskurdintoje laisvais 88

krvininkais srityse (1.67 pav. c), kuri storis- d pn ( bendru atveju skirtingas ). Krviai + Q d ir Q a nuskurdintose p-n sandr srityse sukuria vidinius elektrinius laukus E1 ir E2, nukreiptus is n- puslaidininkio p- puslaidinink. Sie elektriniai laukai slygoja Kulonines jgas FK1 ir FK2, atitinkami, kuri poveikyje yra stabdoma elektron ir skyli difuzij per p-n sandras. Vykstant difuzijos procesui, laukai E1 ir E2 didja, o tuo paciu didja ir atitinkamos Kulonins jgos FK1 ir FK2, ko paskoje nusistovi termodinamin pusiausvyra, kurios metu yra gaunamos didziausios lauk E1 ir E2 vidutins verts E

1 max

ir E

2 max,

atitinkami. Kitaip

tariant, tai vyksta tada, kai elektron ir skyli vidutins kinetins siluminio judjimo energijos

k pokytis k k

tampa lygus elektrini lauk E 1, 2 max slygot Kulonini

jg FK1, 2 max atliekamam stabdomajam darbui A (1.30). Taigi, aprasyto proceso isdavoje turime n-p-n puslaidininkin darin su dviem p-n sandromis, kurios gali bti atvaizduotos jau anksciau aprasyta dviej priespriesiais sujungt diod ekvivalentine schema (1.52 pav.). Laisv krvinink vidutin energija

atskiruose elektriskai neutraliuose n-, p- ir n-

puslaidininkiniuose knuose (1.67 pav. a) yra parodyta energetinmis diagramomis 1.68 pav. a, o j n-p-n darinyje (1.67 pav. c)- energetinmis diagramomis 1.68 pav. b, atitinkamai.

c Fn Fp v

n p n

n

d pn 1

p q k

d pn 2

n

c F v

1.68 pav. Laisvj krvinink vidutin energija neutraliuose n-, p- ir npuslaidininkiuose (a) (1.67 pav. a) bei t krvinink vidutin energija termodinamiskai nusistovjusiame n-p-n darinyje ( b) (1.67 pav. c) 1.68 pav. a pavaizduota situacija atitinka 1.67 pav. a. Sujungus n- , p- ir npuslaidininkius, anksciau aprasytos difuzijos isdavoje, Fermi lygmenys lygus-

a

x

b

F n ir F p tampa

F n = F p = F. Todl 1.68 pav. a pavaizduota situacija pakinta ir nusistovjusi

Kontaktinis p-n sandr potencialas

k

energetin dviej p-n sandr diagrama yra parodyta 1.68 pav. b. (1.36) sukuria barjer , neleidzianti

perteklin elektron n N d n n ir skyli p N a p p difuzij is n- p- sritys ir atvirksciai 89

(1.68 pav. b). Per kontaktin barjer is n- srici difunduoja tik dalis elektron n d n p, kuriuos kompensuoja dreifin dalis n p is p- srities, o is p- srities difunduoja tik dalis skyli p

a

p n, kurias kompensuoja dreifin dalis p

n

is n- srici. Kadangi n

p

p

n

n i, tai

difuzini ir dreifini srovi sumos per abejas p-n sandras lygios nuliui. Susidariusi p-n sandr storiai d pn 1, 2 ir barjerins talpos Cpn 1, 2 nusakomos israiskomis (1.38) (1.40), is kuri seka, jog bendru atveju dydzi d pn 1, 2 ir Cpn 1, 2 verts puslaidininkinio n-p-n darinio skirtingoms p-n sandroms gali bti skirtingos. 1.69 pav. a yra pateiktas ominiais emiterio E, baz B ir kolektoriaus K kontaktais papildytas n-p-n darinys (1.67 pav. c), atitinkantis dvipol n-p-n tranzistori, jungt bendros bazs grandinje (1.53 pav. a).

WB E IE IB B UEB n p

EK n

K IK

n

d pn E

p

d pn K

n q· k q( k UKB)

q( k UEB)

c F

WB B b K

UKB E a

v

x

1.69 pav. Ominiais emiterio E, baz B ir kolektoriaus K kontaktais papildytas n-p-n darinys (1.67 pav. c) (a) ir normali tranzistoriaus veik atitinkanti energetin diagrama ( b) Kai emiterio p-n sandra yra jungta tiesiogine kryptimi ( emiterio saltinio tampa UEB 0 ), o kolektoriaus p-n sandra yra jungta atgaline kryptimi ( kolektoriaus saltinio tampa UKB 0 ), t. y. si situacija atitinka normali tranzistoriaus veik. Esant siai situacijai, tranzistoriaus energetin diagrama gauna pavidal, parodyt 1.69 pav. b. Kai UEB 0 ir UKB 0, emiterio p-n sandra atsidaro, o kolektoriaus p-n sandra dar labiau uzsidaro. Todl emiterio p-n sandros nuskurdintos srities storis d pn E sumazja, o kolektoriaus p-n sandros nuskurdintos srities storis d pn K dar labiau padidja ( d pn K d pn E ). Tegul emiterio saltinio tampa UEB yra vienetinio suolio pavidalo- u EB (t ) Uo·1(t ) (1.70 pav. a). Siuo atveju jos poveikyje emiterio isvade E atsiranda emiterio srovs i

E

(t) 90

a)

0 Uo u EB 0 I o i E iB

t

b)

t

ef B

ef B

IrBo

c)

Io Ipo 0 iK tdB t

d)

Ino 0 tdB t

1.70 pav. Emiterio i E, bazs i B ir kolektoriaus i K srovi laikins diagramos ( b) (d), atitinkamai, kai poveikio tampa u EB n-p-n tranzistoriaus emiteryje yra vienetinio suolio pavidalo- u EB (t) Uo·1(t) (a) suolis (1.70 pav. b), kuris yra sudaryta is dviej srovs sand: i n - elektron (), injektuojam is emiterio srities bazs srit, bei i p - skyli (), injektuojam is bazs srities emiterio srit. Akivaizdu, jog: iE in ip I E I o I n o I p o. (1.193)

Skyls is bazs per atidaryt emiterio p-n sandr patenka emiter ir j krauna teigiamu krviu + Q p, nes skyli injekcijos procese per trukms vienet t is emiterio baz patekusi elektron kiek Q n kiekvienu laiko momentu t kompensuoja toks pats elektron kiekis, injektuojamas per t pat trukms vienet t is emiterio ominio kontakto E emiterio srit. Cia reikia pastebti, kad Q n Q p, nes emiteris legiruotas daug stipriau uz baz. Kadangi visais laiko momentais t visos tranzistoriaus sritys turi tenkinti elektrinio krvio neutralumo slyg, tai is emiterio ominio kontakto E emiter yra injektuojami papildomi elektronai, kuri krvis Q

n

kiekvienu laiko momentu t yra lygus injektuojam skyli

n

krviui + Q p, k ir parodo israiska (1.193) (Q

Q p ). Anksciau, aprasant difuzin p-n

sandros talp Cpn d (1.46), (1.47) (1.24 pav.), parodme, jog puslaidininkyje visada vyksta salutini krvinink rekombinacija su pagrindiniais krvininkais ir sis procesas yra nusakomas salutini krvinink efektyvija gyvavimo trukme emiteryje nevykt rekombinacinis procesas ( siuo atveju

ef E ef.

Jeigu tranzistoriaus

), tai skyls kauptsi 91

emiteryje ir sukeltu jas kompensuojancios elektronins srovs i konkretus didis, dazniausiai

n

komponents neribot

ef E

didjim, o tuo paciu neribotai didt ir emiterio srov i E. Taciau emiteryje

ef E

yra

1 s. Todl emiteryje nusistovi salutini krvinink

( skyli ) tankio p pasiskirstymas p (x) (1.24 pav.) ir to paskoje emiterio srov i E const (1.70 pav. b), t. y. stebime vienetinio suolio pavidalo emiterio srov: i E (t ) I o·1(t ). Is emiterio injektuoti elektronai baz krauna neigiamu krviu Q n, nes injekcijos procese per laiko trukms vienet t is bazs emiter injektuot skyli krv + Q p kiekvienu laiko momentu t kompensuoja toks pats skyli krvis + Q p per t pat trukms vienet t injektuojamas is bazs ominio kontakto B bazs srit. Cia reikia prisiminti omini kontakt puslaidininkyje fizik (1.25 pav. ), kur parodme, jog metalai turi elektronin laidum ir todl skyls injekcija is bazs ominio kontakto B reiskia elektrono ekstrakcij is bazs p- srities jos ominio kontakto B metal. Dl krvio neutralumo slygos islaikymo, is bazs ominio kontakto B baze yra injektuojamos papildomos skyls, kuri krvis + Q

p

kiekvienu laiko

momentu t yra lygus injektuojam is emiterio i baz elektron krviui Q n (Q n Q p ). Viso to paskoje bazs isvade B atsiranda bazs srovs i B suolis- i B (t) I o·1(t) (1.70 pav. c) ir pradiniu laiko momentu- |i B | |i E | I o. Is n- emiterio p- baz patek elektronai gali rekombinuoti su bazs skylmis arba difunduoti link kolektoriaus p-n sandros. Tarkime, kad rekombinacijos proceso bazje nra ( ef B ). Tokiu atveju pirmieji baz injektuoti elektronai difuzijos bdu juda kolektoriaus p-n sandros link ir, prajus lkio trukmei t

d B,

pasiekia kolektoriaus p-n sandros

nuskurdintos srities rib bazje (1.69 pav. a). Elektronai, patek nuskurdint kolektoriau p-n sandros srit, vidinio elektrinio lauko EK (1.67 pav. c atitinka E2 ) slygotos Kulono jgos veikiami dreifo bdu patenka kolektoriaus n- srit. Kolektoriaus n- sriciai taip pat galioja elektrinio krvio neutralumo slyga ir to isdavoje toks pat elektron krvis Q

n

per

kolektoriaus omin kontakt K ekstrakcijos bdu iseina ( isteka ) is kolektoriaus, sukurdami kolektoriaus isvade K kolektoriaus srovs i K ( t ) vienetin srovs suol- i K ( t ) I n o·1( t ), kai t t d B (1.70 pav. d ). Taigi, laiko momentu t t d B srov i K i E i B | I o | I p o I n o. Nuo sio momento t t d B elektron skaicius bazje islieka pastovus, nes per trukms vienet t is emiterio baz injektuojam elektron krvis Q

n

lygus j kiekiui, paliekanci baz

ekstrakcijos bdu per uzdaryt kolektoriaus p-n sandr. Todl bazs elektrinio krvio neutralumo slygai islaikyti nebereikia papildom skyli injekcijos is bazs ominio kontakto B ir laiko momentu t t

d B

bazs srov i

B

sumazja iki difuzins skyli srovs i

p

komponents modulio I p o (1.70 pav. c). Taigi nuo sio momento t t d B bazs srov i B I p o, islikdama tokia ir toliau, kai tuo tarpu i K I n o (1.70 pav. d ). Tokiu bdu parodme, jog 92

tranzistoriaus, kurio bazje nra rekombinacijos proceso ( ef B ), kolektoriaus srov i K pradeda tekti tik prajus lkio trukmei t d B ( salutini krvinink lkio trukm per baz ) nuo jimo tampos u EB suolio jungimo momento. Tuo tarpu bazs srov i B yra lkio trukms t d B impulso pavidalo ir i B i E I o, kai t t d B. Kai laikas t t d B, bazs srov i B I p o ir kolektoriaus srov i K I n o (1.108). Akivaizdu, jog i K 0 ir kai UKB 0, nes kolektoriaus p-n sandros vidinis elektrinis laukas EK neisnyksta, ir atlieka salutini krvinink ekstrakcij is bazs kolektori. Todl bendros bazs schemoje tranzistoriaus isjimo VACh yra tokio pavidalo, kaip yra parodyta 1.56 pav. b, t. y. tampai UKB 0, kolektoriaus pastovioji srov I K islieka daugiau uz nul: I K = I E I B > 0. Akivaizdu, jog bazje salutini krvinink ( p- laidumo atveju elektron ) efektyvioji gyvavimo trukm

ef B

turi konkreci vert, dazniausiai

ef B

1 s. Todl bazje vyksta

salutini ir pagrindini krvinink rekombinacijos procesas, kurio isdavoje nusistovi is emiterio injektuot salutini krvinink ( elektron ) tankio n pasiskirstymas n (x) (1.24 pav.), kuris yra vadinamas "difuziniu trikampiu". Per kiekvien laiko trukms vienet t bazje surekombinuoja dalis elektron ( salutini krvinink ), kuri skaicius N rek B 1/ ef B. Todl sekanciu laiko momentu t is emiterio baz injektuoti elektronai j krauna neigiamai ir, tenkinant elektrinio krvio neutralumo slyg, is bazs ominio kontakto B baz yra injektuojamas toks pat skaicius skyli- N inj B N rek B. Sio proceso isdavoje bazs srov i B padidja rekombinacins srovs I r B o komponents dalimi (1.70 pav. c): i B I p o I r B o. (1.194)

Akivaizdu, kai bazs storis WB (1.69 pav.) tarp emiterio p-n sandros nuskurdintos srities ribos bazje ir kolektoriaus p-n sandros nuskurdintos srities ribos bazje yra didesnis uz salutini krvinink difuzijos nuotol L

B

bazje ( WB L

B

), tai, esant siai slygai, is

emiterio baz injektuoti elektronai nepasieks kolektoriaus ir todl i K 0. Siuo atveju i B i E ir nebeturime pagrindini dvipolio tranzistoriaus veikos slyg: (1.107) ir (1.108). Todl viena is pagrindini dvipolio tranzistoriaus veikimo slyg yra: WB L B. Anksciau nagrindami tranzistori parodme, jog per atgalin kryptimi jungt kolektoriaus p-n sandr teka atgalin soties srov I DK s (1.113), kurios kryptis sutampa su srovs I K kryptimi ir yra priesinga bazs srovs I B krypciai. Todl bazs pastovioji srov I B (1.194) sumazja atgalins soties srovs I DK s komponents dalimi: I B I p o I r B o I DK s. (1.195)

93

Akivaizdu, kad jimo tampa UEB ( arba u EB ) valdom kolektoriaus srov I K ( arba i K ) sudaro emiterio difuzins srovs I E ( arba i E ) tik elektronin komponent I n ( arba i n ) (1.193). Todl yra vedamas pastoviosios emiterio srovs I E efektyvumo koeficientas E:

E I n /I E I n /( I n I p ),

(1.196)

is kur seka, jog tranzistoriaus emiteris tuo efektyvesnis ( geresnis ), kuo E maziau skiriasi nuo vieneto ( E 1 ). Israisk (1.196) uzrasysime taip:

E I n /( I n I p ) [1 ( I p /I n )] 1 1 ( I p /I n ),

kur galutin pavidal uzrasme pasinaudoj Teiloro eiluts- (1 x) + n (n 1) x2/2 ... sklaidinio pirmuoju kintamojo x nariu, nes I p /I n 1.

n

(1.197) 1 n x

Is puslaidininki fizikos zinome, kad salutini krvinink- skyli ir elektron difuzins srovs I dif p ir I dif n, atitinkamai, gali bti uzrasytos tokio pavidalo proporcingumo israiskomis: I dif p ~ ( D p p n )/L p, I dif n ~ ( D n n p )/L n, (1.198)

kur: D p ir D n - skyli ir elektron difuzijos koeficientai, atitinkamai; L p ir L n - skyli ir elektron difuzijos nuotoliai, atitinkamai. Is (1.197) ir (1.198) gauname:

E 1 ( D p p n L n )/( D n n p L p ),

is kur seka, jog siekiant E 1, reikia uztikrinti vien is pagrindini slyg: n p p n. Is (1.199) ir zinomos slygos: n p·p

p

(1.199)

n n·p

n

n

i

2

(1.34) seka, jog emiterio p-n

n

sandra turi bti nesimetrin ir tenkinti si- vien is pagrindini slyg: n

p p, t. y.

emiteris turi bti daug daugiau legiruotas priemaisomis uz baz ( N E d N B a ). Is n- emiterio p- baz injektuoti elektronai dl rekombinacijos ne visi pasiekia kolektoriaus p-n sandr. Todl yra vedamas salutini krvinink pernasos per baz pastoviosios srovs koeficientas B:

B I dif n (k) /I dif n (e),

(1.200)

kur: I dif n (e) ir I dif n (k) - elektron ( salutini krvinink p- bazje ) difuzins srovs sandai bazje prie emiterio ir kolektoriaus p-n sandr, atitinkamai. Is (1.200) seka, jog baz tuo geresn, kuo B maziau skiriasi nuo vieneto ( B 1). Akivaizdu, jog siekiant

B

1, reikia uztikrinti pagrindin dvipolio tranzistoriaus veikos 94

slyg: WB L B - salutini krvinink difuzijos nuotolis bazje ( n-p-n tranzistoriaus atvejuL B L n ). Anksciau, nagrindami p-n sandros difuzin talp (1.46), parodme, jog diode, tekant tiesioginei srovei I t, is n- srities p- srit difundav elektronai juda p- srities ominio kontakto ,,A" (anodo) link ir pakeliui rekombinuoja su pagrindiniais krvininkais- skylmis (1.24 pav.). To paskoje p- srityje nusistovi salutini krvinink (elektron ) tankio n pasiskirstymas n ( x ), o n- srityje, analogiskai, nusistovi salutini krvinink ( skyli ) tankio p pasiskirstymas p ( x ) (1.24 pav.). Is puslaidininki fizikos zinome, jog sie pasiskirstymai, pvz. n ( x ), yra aprasomi tolydumo lygtimi: n p ( x ) n p o / n D n 2n p ( x )/ x 2 0, kur: n

p o

(1.201)

n

- elektron tankis p- puslaidininkyje, esant termodinaminei pusiausvyrai;

-

elektron efektyvioji gyvavimo trukm p- puslaidininkyje. Esant sioms krastinms slygoms: n p ( x )| x 0 n p 0 ir n p ( x )| x n p o, is (1.201) paskaiciuotas pasiskirstymas n p ( x ) yra parodytas 1.71 pav. a ir yra isreiskiamas taip: n p ( x ) n p o ( n p 0 n p o )·exp ( x /L n ), kur: L n ( D n· n )1/2 - Einsteino srysis. Salutini krvinink difuzijos nuotolis Ln, p priklauso nuo puslaidininkins medziagos, pvz. elektronams Ge ir Si jis siekia 1 cm, o GaAs- iki 10 2 cm. Gautas salutini krvinink n I dif n (x) (1.71 pav. a): n p 0 n p o·exp (Upn / T), I dif n (x) q D n S pn n p ( x )/ x| x. (1.203) (1.204)

p

(1.202)

( x ) pasiskirstymas (1.202) leidzia taske x 0

paskaiciuoti tamp Upn p-n sandroje, bei bet kuriame kreivs n p (x) taske x difuzin srov

Nagrinjant procesus n-p-n tranzistoriaus bazje buvo parodyta, kad is emiterio baz injektuoti elektronai pasiekia kolektoriaus p-n sandr ir yra ekstrahuojami ( traukiami ) kolektoriaus srit, ko paskoje kolektoriaus isvade ,,K" teka kolektoriaus srov I K ( arba i K ). Todl elektron tankis n p prie kolektoriaus p-n sandros nuskurdintos srities ribos bazje yra lygus n

p o

(1.71 pav. b). Pasinaudoj sia krastine slyga: n p ( x )| x WB n

p o,

is (1.201)

randame elektron tankio n p ( x ) pasiskirstymo funkcij n-p-n tranzistoriaus bazje: n p ( x ) n p o (n p 0 n p o )·{sh (WB x )/L n )/sh (WB /L n )}, (1.205) 95

n

np np0

p I dif n (0) > I dif n (x 1)

a) n p 0 /e npo 0

Ln

x1

x

n b)

np np0

p

n

npo 0 E B WB K x

1.71 pav. Is (1.201), (1.202) paskaiciuotas tiesiogine kryptimi jungtoje p-n sandroje elektron pasiskirstymas n p (x) p- srityje (a) ir elektron tankio n p (x) pasiskirstymo funkcij n-p-n tranzistoriaus bazje ( b) kur: 0 x WB. Is (1.205), pasinaudoj israiska (1.204), randame elektron difuzins srovs I n k vert bazje prie kolektoriaus p-n sandros nuskurdintos srities ribos ( x WB ): I n k [q ( n p 0 n p o ) D n S p n ]/[ L n·sh ( WB /L n )]. (1.206)

Analogiskai is (1.204) ir (1.205) randame is emiterio injektuot elektron difuzin srov I n e bazje prie emiterio p-n sandros nuskurdintos srities ribos ( x 0 ): I n e [q ( n p 0 n p o ) D n S p n·ch (WB /L n )]/[ L n·sh (WB /L n )]. (1.207) israisk (1.200) stat (1.206) ir (1.207), gauname:

B ch (WB /L n ) 1,

(1.208)

ir is cia, pasinaudoj Teiloro eiluts- (ch x) 1 sech x 1 x 2/2 5x 4/4 ... sklaidinio pirmuoju kintamojo x nariu, randame:

B 1 W 2B /( 2 L2n ).

(1.209) 96

Is (1.209) seka: siekiant B 1, reikia uztikrinti slyg: WB L n, t. y. si nelygyb nusako pagrindin dvipolio tranzistoriaus veikos slyg. Anksciau, nagrindami stabilitrono veikim, parodme, jog pramusimo metu atgalin p-n sandros srov I a gali staigiai didti. Normalioje veikoje tranzistoriaus kolektorin p-n sandra yra jungta atgaline kryptimi ir todl yra vedamas kolektoriaus srovs I K dauginimo ( didinimo ) koeficientas K :

K I K /I n k.

(1.210)

Dazniausiai dauginimo koeficientas K yra nusakomas empirine israiska (1.62):

K 1 (UKB /UKB max ) n 1,

(1.211)

kur: UKB max - kolektorins p-n sandros pramusimo tampa; n - laipsnio rodiklis, priklausantis nuo puslaidininkio medziagos ir p-n sandros darinio technologini ypatybi. Kai tranzistorius yra jungtas bendro emiterio (BE) schemoje, kolektorins p-n sandros pramusimo tampa UKE

max

tarp kolektoriaus ir emiterio skirsis nuo pramusimo

tampos UKB max - tarp kolektoriaus ir bazs. Tarkime, jog bazs isvadas ,,B" yra atjungtas ( I B 0 ). Todl, esant siai slygai, srov I E I K ir per kolektoriaus p-n sandr tekanti atgalin soties srov I K e s (1.143), o tuo paciu ir o·I E, padidja K kart:

K ( I K e s o·I E ) I K,

ir is cia: I K = ( K I K e s )/( 1 o K ). Is (1.211) ir slygos: o K = 1, gauname pramusimo tampos UKE max israisk: UKE max = UKB max (1 o ) 1/n, (1.213) (1.212)

is kur seka: kai o 1, pramusimo tampa UKE max UKB max ir gautas rezultatas yra vienas is pagrindini priestaravim dvipolio tranzistoriaus elektrini savybi atveju: kai tampa UKE max 0. 1.72 pav. yra parodytos tipins tranzistoriaus isjimo VACh bendros bazs (a) bei bendro emiterio ( b) jungimo schemose, esant kolektoriaus p-n sandros pramusimui, kur taip pat galima atidti kreiv PK max const- kolektoriaus maksimalios galios ,,hiperbol". Remiantis aprasyta tranzistoriaus veikimo fizika, pastoviosios emiterio srovs I perdavimo koeficientas o (1.109) bendros bazs schemoje yra nusakomas taip: 97

E o

1,

IK

UKB max IE > 0

a) IE = 0 0 IK UKE max IB > 0 b) IB = 0 UE 0 UKE UKB

1.72 pav. Tipins n-p-n tranzistoriaus isjimo VACh bendros bazs (a) bei bendro emiterio ( b) jungimo schemose, esant kolektoriaus p-n sandros pramusimui

o = E· B· K,

(1.214)

is kur seka: kai tampa UKB kolektoriaus p-n sandroje nevirsija pramusimo tampos, t. y. UKB UKB max, koeficientai E 1 ir B 1, o koeficientas K 1 ir todl o 1. Esant pramusimui, kai UKB UKB

max

, koeficientas

o

1, nes

K

1 ir sis reiskinys yra

taikomas specialiuose gritinuose ( lavininiuose) tranzistoriuose, kurie yra placiai taikomi isimtinai impulsins elektronikos schemose. Gritinis tranzistorius yra daromas taip, jog gritinio pramusimo metu nebt siluminio pramusimo- turi labai efektyv ausinim. Pastoviosios emiterio srovs I kolektoriaus srovs I

K E

perdavimo koeficientas

o

(1.214) priklauso nuo

o

ir tampos UKB. 1.73 pav. yra parodyta tipin koeficiento

priklausomyb nuo I K, kai UKB const. Is 1.73 pav. matome: esant mazoms I K vertms ( I K 1 mA ), koeficientas o taip pat mazas ( o 1), ir, didjant srovei I

K

iki 1 10 mA, didja artdamas prie vieneto. Sis

kitimas aiskinamas tuo, jog prie maz I K verci ( tiksliau, maz srovs tanki ), kas atitinka maz tamp UEB 0,1 V (1.120), emiterio p-n sandros nuskurdintos srities storis d pn E (1.69 pav. b) dar yra santykinai didelis ir todl jame vyksta intensyvus difuzini srovi I n ir I p, t. y. elektron ir skyli, atitinkamai, rekombinacija. To paskoje emiterio srovs I

E

elektronin

98

o

1 0,5

0

IK

1.73 pav. Tipin dvipolio tranzistoriaus koeficiento o priklausomyb nuo I K. komponent I

n

mazja ir dl to sumazja

E

(1.197), o tuo paciu ir

o

(1.214). Didinant

tamp UEB tiesiogine kryptimi, didja srov I E, nes storis d pn E sparciai mazja (1.41), ko paskoje sumazja rekombinuojanci elektron ( I n ) ir skyli ( I p ) skaicius per laiko trukms vienet. Todl koeficientas E 1, o tuo paciu ir o 1. Kita priezastis, issaukianti o didjim maz srovi srityje, yra ta, jog is emiterio injektuot salutini krvinink- elektron tankio n

p

pasiskirstym n p (x) (1.205) bazje atkartoja juos kompensuojanci pagrindini

p

krvinink- skyli tankio p pasiskirstymas p

p

pasiskirstymas p

p

(x) bazje. Sis skyli tankio isilgai bazs

(x) sukuria papildom vidin elektrin lauk EB bazje, nukreipta nuo

emiterio link kolektoriaus kryptimi. Todl salutiniai krvininkai ( elektronai n p ), be difuzins judjimo komponents, gauna papildom dreifin judjimo komponent ir per baz pralekia greiciau, t. y. su mazesne lkio trukme t

d B.

Skaiciavimai rodo, kad tai atitinka elektron (1.209) ir tuo paciu

d B

difuzijos koeficiento D n dvigub padidjim, o tuo paciu ir difuzijos nuotolio L n ( D n· n )1/2 padidjim. Sio reiskinio isdavoje padidja

B o

(1.214), nes dl

sumazjusios salutini krvinink lkio trukms t

per baz, sumazja rekombinavusi

elektron kiekis bazje, ko paskoje padidja srov I K (1.206). Srovs I K vidutini verci diapazone ( 1 mA I K 100 300 mA ), vert o 1 ir islieka beveik pastovi. Taciau toliau didinant srov I

K

100 300 mA, koeficientas

o

pradeda mazti. Sis kitimas aiskinamas tuo, jog prie dideli I K verci, salutinius krvininkus ( elektronus n p ) kompensuojanci pagrindini krvinink ( skyli p p ) kiekis bazje zymiai isauga ir to paskoje sumazja E (1.199), nes p p B n n E ir nebevykdoma slyga: n p p n. Kita priezastis, issaukianti o mazjim prie dideli I K verci, yra ta, jog is emiterio baz injektuot elektron tankis n p (x)| x WB bazje prie kolektoriaus p-n sandros nuskurdintos srities ribos tampa lygus ir didesnis uz pagrindini pusiausvyrini krvinink ( skyli ) tank p p o bazje ( n p (WB ) p p o ). Tai issaukia p p (WB ) didjim ir tai atitinka Na (WB ) didjim bazje bei d pn mazjim joje (1.38). Todl minta riba slenka link kolektoriaus srities (1.74 pav.), dl ko padidja neutralios bazs storis WB ( WB 2 WB 1, cia WB 1 prie I K 1 ir WB 2 prie I K 2 I K 1 ) ir todl sumazja B (1.209), o tuo paciu ir koeficientas o (1.214)- Kirko efektas. 99

WB2 WB1 E IE IB B UEB UKB n+ p n+ K IK

1.74 pav. Dvipolio n-p-n tranzistoriaus neutralios bazs srities storio WB priklausomyb nuo kolektoriaus srovs I K: WB 2 WB 1, kai I K 2 I K 1 Esant kolektoriaus srovei I

K

const, 1.75 pav. yra parodyta tipin koeficiento

o

priklausomyb nuo tampos UKB 0- atgaline kryptimi.

o

1 0,9 0,8 0 UKB

1.75 pav. Tipin dvipolio tranzistoriaus koeficiento o priklausomyb nuo tampos UKB 0- atgaline kryptimi Is 1.75 pav. matome: didjant tampai UKB 0, koeficientas

o

taip pat didja. Si

priklausomyb yra paaiskinama tuo, jog didjant atgalinei tampai UKB 0, didja kolektoriaus p-n sandros storis d pn K (1.69 pav. b, bei zirk (1.41)) ir tuo paciu mazja WB, ko paskoje didja B (1.209) ir tuo paciu didja o (1.214)- Erlio efektas. Dl jau isnagrint priezasci, analogiskai bendro emiterio schemoje nuo parametr I tranzistoriaus koeficientas o (1.110). Dvipolio tranzistoriaus parametr priklausomybs nuo daznio yra aprasomos vedus atitinkamus diferencialinius koeficientus, kurie yra nagrinjami sekanciose pastraipose. Bendros bazs schemoje (BB) kintamosios emiterio srovs I koeficientus e, b ir k taip: 100

E K

ir UKE priklauso ir

diferencialinis

perdavimo koeficientas (1.126), analogiskai (1.214), yra uzrasomas per diferencialinius

= e b k,

kur:

(1.215)

e = I n /I E I n /(I n I p ) 1 (I p /I n ), b I n k /I n e , k I K /I n k .

Akivaizdu, jog diferencialinis emiterio efektyvumo koeficientas

e

(1.216) (1.217) (1.218) (1.216) yra

mazesnis uz E (1.196) ( e E ), nes kintamoji srov I E emiteryje yra sudaryta is dviej komponenci: I E c - slinkties srovs, tekancios per emiterio p-n sandros barjerin talp C EB ir I E dif - difuzins komponents, atsakingos uz kintamj srov I K kolektoriuje. Cia reikia pastebti, kad dl kintamosios jimo tampos UEB poveikio, kintamj slinkties srov I E c sudaro pagrindini krvinink- elektron n- emiteryje ir skyli p- bazje, kintamasis svyruojantis judjimas, atkartojantis emiterio p-n sandros nuskurdintos srities atitinkam rib emiteryje ir bazje judjim. Todl srov I E c nra srovs I K sandas. Akivaizdu, jog didjant jimo signalo UEB dazniui , slinkties srov I E c didja, mazindama e vert. Siai

e

priklausomybei nuo nustatyti, pasinaudosime bendros bazs grandinje jungto

tranzistoriaus ekvivalentine schema, kuri yra parodyta 1.76 pav. p n I E dif IE E RE Uin r EB b C EB r KB b I K dif C KB IK K RK R B ·I E dif B

IKc n

EB

+

IEc I B

KB

+

Ra

1.76 pav. Bendros bazs ( BB) grandinje jungto n-p-n tranzistoriaus ekvivalentine schema 1.76 pav. pastovij tamp maitinimo saltini

EB ir KB poliaringumai atitinka

EB b

normalij n-p-n tranzistori veik. Cia, be jau anksciau aprasyt parametr r

(1.124),

r KB b (1.127) ir C EB, papildomai yra vesti: R E - emiterio srities ir jos ominio kontakto ,,E" varza; R B - bazs srities ir jos ominio kontakto ,,B" varza; R K - kolektoriaus srities ir jos 101

ominio kontakto ,,K" varza; Ra - apkrovos varza; C KB - kolektorins p-n sandros barjerin talpa. Is 1.76 pav. matome, jog e priklausomyb nuo daznio galime uzrasyti taip:

e ( j ) E Z C e /( Z C e r EB b ) E /(1 r EB b /Z C e ), (1.219)

kur: Z C e j /( C EB ) (1.15) ir, stat tai (1.219), gauname:

e ( j ) E /(1 j r EB b C EB) E /(1 j e ),

kur: e r EB bC EB - emiterio trukms konstanta. Israisk (1.220) uzrasome atskirdami Re padaugindami ir vardikl padalindami is (1 j e ):

e

(1.220)

ir Im

e

dalis, tuo tikslu skaitikl

e ( j ) E /[1 ( e ) 2 ] j {( E e )/[1 ( e ) 2 ]},

ir is cia randame priklausomyb e ():

e () ( Re e ) 2 ( Im e ) 2 1/2 E /[1 ( e ) 2 ]1/2.

(1.221)

Is (1.221) ir (1.125) seka: koeficientas e() didja, didjant pastoviajai srovei I K, nes mazja varza r EB b ir tuo paciu konstanta e (1.73 pav.). Diferencialinis salutini krvinink pernasos per baz koeficientas b (1.217) taip pat yra mazesnis uz koeficient atveju gautose

B

(

b

B

). Taip yra todl, jog elektron tankio n

p

pasiskirstymas n p ( x ) (1.205) bazje nusistovi tik per tam tikr laiko trukm t b. Stacionariu

B

israiskose (1.208) ir (1.209) nuo daznio gali priklausyti tik elektron

difuzijos nuotolis L n. Todl galima uzrasyti:

b ( ) ch (WB /L n ( )) 1 1 W 2B /[ 2·L2n ( )].

(1.222)

Teoriskai daznin priklausomyb L n ( ) paskaiciuoti yra gana sudtinga. Todl yra taikomos vairios aproksimacijos, pvz., analogiskai gautai israiskai (1.221), galima uzrasyti: L n ( j ) L n o /(1 j b )1/2, (1.223)

kur: L n o - elektron difuzijos nuotolis p- bazje, kai 0, t. y. tekant pastoviajai srovei; b bazs trukms konstanta, nusakanti laiko trukm t b. Is (1.223), atskirdami Re L

n

ir Im L

n

dalis, tuo tikslu israiskos (1.223) skaitikl

padaugindami ir vardikl padalindami is (1 j b ) 1/2 bei pasinaudodami skleidinio formule( x j y)1/2 ( r x)/2 1/2 j ( r x)/2 1/2, kur r ( x 2 y 2 ) 1/2, gauname: 102

L n ( j ) L n o {[1 ( b ) 2 ] 1/2 [1 ( b ) 2]1 }1/2 j {1 ( b ) 2 ] 1/2 [1 ( b ) 2 1 }1/2/ 2 , ir is cia randame daznin priklausomyb L n (): L n () ( Re L n ) 2 ( Im L n ) 21/2 L n o /[1 ( b ) 2 ]1/4. (1.225) (1.222) stat israisk (1.225), gauname: (1.224)

b () 1 {{W 2B [1 ( b ) 2 ]1/2 }/( 2 L2n o )}.

(1.226)

Dvipolio n-p-n tranzistoriaus bazje salutini krvinink ( elektron ) tankio pasiskirstymo n

p

(x) (1.205) funkcijos nusistovjimo proces laike t gerai aproksimuoja

eksponentin priklausomyb: n p ( t ) n p o { n p 0 (x)·[1 exp ( t / b )]}, kur: n p 0 (x) - stacionari n p (x) vert bazs taske x ( 0 x WB ). Anksciau parodme, jog elektron tankio n p (x) pasiskirstymo funkcijos nusistovjimo trukm t

b

(1.227)

bazje gali bti apsprsta dviej dinamini vyksm: elektron-skyli

rekombinacijos su trukms konstanta ef B ir elektron lkio trukms t d B per baz. Bendros bazs jungimo schemoje rekombinacinio proceso taka trukmei t b yra nezymi, nes krvio neutralumo slyga zemintoje bazje yra atstatoma per labai maz laiko trukm su trukms konstanta

M

- Maksvelo trukms konstanta, kuri tranzistori gamybai naudojamuose

puslaidininkinse medziagose yra 1 ps, kai tuo tarpu t d B ef B, kurios trukm 1 s. Todl israiskose (1.226) ir (1.227) bazs trukms konstanta b yra:

b t d B /2.

(1.228)

Is puslaidininki fizikos zinome, jog salutini krvinink, judanci tik dl difuzijos, pvz. elektron p- bazje, lkio trukm t d B yra: t d B W 2B /D n. Akivaizdu, jog diferencialinis kintamosios kolektoriaus srovs I koeficientas

k K

(1.229) dauginimo

K

(1.218) taip pat yra mazesnis uz

K

(1.210) (

k

K

), nes I

vert

kolektoriuje (1.76 pav.) yra mazesn uz ekstrakcijos srov ·I E dif (1.76 pav.). Is 1.76 pav. matome, jog tik dalis srovs ·I E dif patenka tranzistoriaus kolektoriaus isorin grandin ir sudaro kintamj srov I K apkrovoje Ra. Kita ekstrakcijos srovs ·I E dif dalis, kuri yra sudaryta is dviej komponenci: I

K c

- slinkties srovs, tekancios per kolektoriaus p-n 103

sandros barjerin talp CKB ir I sandas I

DK s,

K dif

- difuzins komponents, kuri eina ir pastovusis

nepatenka apkrov Ra. Kadangi tranzistoriaus kolektorins p-n sandros galima nepaisyti ir is 1.76 pav. diferencialinio koeficiento

diferencialin varza r KB b (1.128) dazniausiai tenkina slyg: r KB b R B R K, tai difuzins komponents I

K dif k

priklausomyb nuo daznio galime uzrasyti taip:

k ( j ) K Z C k /( Z C k R B R K ) K /1 ( R B R K )/Z C k , (1.230)

kur: Z C k j /( C KB ) (1.15) ir, stat tai israisk (1.230), gauname:

k ( j ) K /1 j ( R B R K ) C KB K /(1 j k ), (1.231)

kur: k ( R B R K )·C KB - kolektoriaus trukms konstanta. Israisk (1.231) uzrasome atskirdami Re

k

ir Im

k

dalis, tuo tikslu jos skaitikl

padaugindami ir vardikl padalindami is (1 j k ) :

k ( j ) K /[1( k ) 2 ] j {( K k )/[1 ( k ) 2 ]},

ir is cia randame daznin priklausomyb k ():

k () ( Re k ) 2 ( Im k ) 2 1/2 K /[1 ( k ) 2 ]1/2.

(1.232)

Is (1.232) seka: koeficientas k () didja, didjant pastoviajai srovei I K, nes mazja varzos R B bei R K ir tuo paciu konstanta k. (1.215) stat gautas israiskas (1.221), (1.226) ir (1.232), randame daznin priklausomyb (). Taciau tokiu bdu gaunamos daznins priklausomybs () israiska yra pernelyg griozdiska ir sudtinga, todl dazniausiai yra naudojamos vairios aproksimacijos, pvz. tokio pavidalo:

( j ) o·exp { j [( / ) ( 2 d K )}/[1 j ( / )], (1.233)

kur:

d K

- kintamojo signalo vlinimo trukms konstanta nuskurdintoje kolektorins p-n

sandros srityje d pn K (1.69 pav. b); - kolektoriaus srovs I K fazs atzvilgiu emiterio srovs I E patikslinimo koeficientas; - ribinis daznis. Kintamojo signalo vlinimo trukms konstanta

d K

yra lygi salutini krvinink

( elektron p- bazje ) lkio per kolektoriaus p-n sandr pusei laiko trukms t d K :

d K t d K /2 d pn K /( 2 vs ),

kur: vs - elektron (vs sandros srityje.

n

(1.234)

) arba skyli (vs

p

) soties greitis nuskurdintoje kolektoriaus p-n

104

Israiskoje (1.233) daznis - ribinis daznis, kuriam esant diferencialinis koeficientas

()| o / 2 0,71· o, ir yra isreiskiamas per b (1.228) taip:

1/ b 2 /t d B 2·D n /W 2B.

(1.235)

Israiskoje (1.233) dydis - kolektoriaus srovs I K fazs atzvilgiu emiterio srovs I E patikslinimo koeficientas, priklausantis nuo tranzistoriaus bazs technologinio ispildymo budo ir yra aproksimuojamas tokio pavidalo israiska:

0,22·(1 B ),

(1.236)

kur: B 0,5·ln ( N B e /N B k )- legiruojanci priemais tankio gradiento bazje koeficientas, isreikstas per legiruojanci priemais tank: N B e - bazje prie emiterio ir N B k - bazje prie kolektoriaus p-n sandr, atitinkamai. Is (1.233) jau zinomu bdu randame koeficiento ( j ) daznin priklausomyb ():

() [( Re ) 2 ( Im ) 2 ]1/2 o /[1 ( / ) 2 ]1/2,

bei fazin priklausomyb ():

(1.237)

() arctg [( Im )/( Re )]

arctg sin A ( / )·cos A /cos A ( / )·sin A , (1.238) kur: A [( / ) ( 2 d K )]. Is (1.237) paskaiciuota daznin priklausomyb (), o is (1.238)- fazin priklausomyb () yra parodytos 1.77 pav. a ir b, atitinkami. Nagrindami diferencialin pernasos koeficient

b

(1.222) parodme, jog

tranzistoriaus daznins charakteristikos () parametrai gerja, mazjant salutini krvinink ( pvz. elektron p- bazje ) lkio trukmei t d B (1.229) per baz. Kai tranzistoriaus baz yra tolygiai legiruota atitinkamomis priemaisomis N B (x) const N B (x)/ x 0 ( akceptoriais N

a B

(x) ar donorais N

d B

(x)), tai tokiu atveju salutiniai krvininkai per baz juda tik dl

difuzijos ir toks tranzistorius yra vadinamas difuziniu tranzistoriumi (1.69 pav. b). Difuziniame tranzistoriuje salutini krvinink lkio trukm t d B per baz yra paskaiciuojama is (1.229). Akivaizdu, jog siekiant sumazinti trukm t d B, reikia padaryti tranzistoriaus baz su salutinius krvininkus greitinanciu statytu elektriniu lauku EB. Vienas is bd realizuoti si slyg yra tranzistoriaus bazs gradientinis legiravimas atitinkamomis priemaisomis, kuri tankis N B e bazje prie emiterio p-n sandros tenkina si slyg: N B e N B k - tankis bazje prie kolektoriaus. Toks tranzistorius yra vadinamas dreifiniu tranzistoriumi. Dreifinio tranzistoriaus n-p-n srici energetin diagrama, atitinkanti pridt tamp poliaringum normalios veikos atveju bendros bazs grandinje (1.69 pav. a), yra parodyta 1.78 pav. 105

/ o

1 0,71 0,6 a) 0,2 0 0,1 1 10

/ /

, o

0 40 57 80 0 0,1 1 10

b)

1.77 pav. Is (1.237) paskaiciuota dvipolio tranzistoriaus koeficiento ( j ) daznin priklausomyb () (a) ir is (1.238)- fazin priklausomyb () ( b)

n

p d pn E E d pn K B q k

n

q( k UKB )

q·( k UEB )

c F

WB B K

E

v

x

1.78 pav. Dreifinio n-p-n tranzistoriaus atitinkam srici energetin diagrama, atitinkanti pridt pastovij tamp poliaringum normalios veikos atveju bendros bazs grandinje (1.69 pav. a) Is 1.78 pav. matome: kai baz yra legiruota akceptorinmis priemaisomis N a B (x) su akceptorinmis gradientu- N

a B

(x) / x 0- legiruojanci priemais tankis bazje mazja koordinats x 106

kryptimi, energetins laidumo zonos dugnas

c ir energetins valentins zonos lubos v

issikreipia taip, jog bazs srityje atsiranda vidinis elektrinis laukas EB, nukreiptas emiterio p-n sandros link. Sio reiskinio esm galima issiaiskinti taip. Dvipolio tranzistoriaus technologinio proceso gamybos metu pradiniu bazs sudarymo momentu pagrindini krvinink ( p- bazje skyli ) tankis p p B e bazje prie emiterio p-n sandros dl netolygaus legiruojanci priemais tankio N a B (x) pasiskirstymo yra didesnis uz skyli tank p p B k bazje prie kolektoriaus p-n sandros. To paskoje bazje vyksta skyli difuzija nuo emiterio link kolektoriaus ir prie emiterio atsiranda jonizuoti neigiamo krvio akceptorini priemais N a atomai, o prie kolektorins p-n sandros kaupiasi teigiamo krvio skyls p p. Todl bazje atsiranda vidinis elektrinis laukas EB (1.78 pav.), kuris nusistovi tokio didzio, kad kompensuotu skyli difuzijos proces bazje, t. y. skyli difuzin srov I p dif B tampa lygi j kompensuojanciai skyli dreifinei srovei I p drf B I p dif B. Si situacija atitinka termodinamins pusiausvyros slyg bazje. Is puslaidininki fizikos zinome, kad dl netolygaus legiruojanci priemais tankio N a B (x) pasiskirstymo atsirandantis statytas elektrinis laukas EB bazje yra paskaiciuojamas is lygties: EB (x) {[( k T )/q ]·[d N a (x)/d x]}/N a (x), kur 0 x WB. (1.239) statyto elektrinio lauko EB bazje taka dreifinio tranzistoriaus parametrams yra vertinama sumazjusia salutini krvinink (n-p-n tranzistoriuje- elektron ) lkio per baz trukme t d B (1.229), kurios modifikuota israiska yra: t d B W 2B /( ·D n ), (1.240)

kur: - greitinancio statyto elektrinio lauko EB bazje takos koeficientas, kuris, esant eksponentiniam N a B (x) pasiskirstymui, yra paskaiciuojamas taip:

m 2/{ 2·m 1 exp ( m)} 1,

kur: m ln (N B e /N B k ) 10 6.

(1.241)

Daznin ( j ) (1.233) priklausomyb gerai iliustruoja tranzistoriaus kintamj srovi sumos: I E I K I B - vektorin diagrama, kuri yra parodyta 1.79 pav. Is 1.79 pav. matome: didjant signalo dazniui , srovs I K modulis I K mazja ir jos faz vis labiau atsilieka nuo srovs I E const, kai tuo tarpu bazs srovs I B modulis I B didja. Kai signalo daznis , faz 57 o (1.79 pav. c). Taigi, parodme, kad tranzistoriaus daznins savybs bendros bazs jungimo schemoje yra apsprstos salutini krvinink lkio trukms t

d B

(1.240) per baz ir laiko 107

Im

Im

Im 0 IE IB Re 0

0

IK 0 IE IB Re 0

IE

IK

57

IK

o

Re

IB c

a

b

1.79 pav. Dvipolio tranzistoriaus kintamj srovi sumos: I E I K I B - vektorin diagrama, esant vairiems signalo dazniams trukms konstant: :

e

(1.220),

k

(1.231) ir

d K

(1.234). Cia btina pazymti, jog

tranzistoriaus daznins savybs bendros bazs jungimo schemoje praktiskai nepriklauso nuo emiterio valdymo bdo- srovs saltiniu I E const, ar tampos saltiniu UEB const. Valdant tranzistoriaus emiter srovs I

E

saltiniu, emiterio p-n sandroje nusistovi tampa UEB, o

b

valdant emiter tampos UEB saltiniu, beveik ta pacia laiko trukms konstanta nusistovi tekanti per emiterio p-n sandr srov I E.

(1.228)

1.80 pav. a yra parodytas difuzinio tranzistoriaus lydimo bdu padarytos konstrukcijos pjvis, o pozicijoje b- dreifinio tranzistoriaus dvigubos difuzijos bdu padarytos planariosios konstrukcijos pjvis. p n E B n

E

n

K

p

p

p+

p

EB p

n

B a b

K

1.80 pav. Difuzinio tranzistoriaus lydimo bdu padarytos konstrukcijos pjvis (a) bei dreifinio tranzistoriaus dvigubos difuzijos bdu padarytos planariosios konstrukcijos pjvis ( b) Difuzinio tranzistoriaus gamybos metu priesingose puslaidininkins plokstels, pvz. p- laidumo, pusse prie aukstos temperatros yra lydomos atitinkamo metalo tablets. Sio temperatros proceso isdavoje tarp lydyt metalo kontakt ir puslaidininkins p- laidumo plokstels susiformuoja ploni priesingo, siuo atveju n- laidumo, puslaidininkiniai sluoksniai. Tokiu bdu yra gaunamas n-p-n darinys, prie kurio atitinkam srici yra suformuojami tranzistoriaus 108

isvadai: emiterio E, bazs B ir kolektoriaus K (1.80 pav. a). Lydimo bdu padaryto difuzinio tranzistoriaus ribiniai dazniai siekia tik desimtys MHz, nes jo bazs storis WB negali bti padarytas pakankamai mazas. Geriausiu atveju difuzinio tranzistoriaus WB 1 3 m ir dl sios priezasties difuziniai tranzistoriai nebegaminami. Dreifinis planarinis tranzistorius (1.80 pav. b) yra gaminamas dvigubos arba trigubos atitinkam legiruojanci priemais terpimo (difuzijos arba (ir) jonins implantacijos) puslaidinink bdu. Legiruojancios priemaisos puslaidinink terpiamos prie aukstos temperatros difuzijos bdu, arba implantacijos bdu su atkaitinimo procedra. Tokiu bdu pagaminto dreifinio tranzistoriaus bazje sukuriamas salutinius krvininkus greitinantis statytas elektrinis laukas EB (1.239) (1.80 pav. b), kai bazs storis WB 1 m. Todl dreifini planarini tranzistori ribiniai dazniai siekia desimtis GHz ir daugiau. Akivaizdu, kad dl si priezasci dreifiniai planariniai dvipoliai tranzistoriai yra labai placiai taikomi vairiausios paskirties elektroniniuose renginiuose. Bendro emiterio schemoje (BE) tranzistoriaus daznins savybs taip pat yra apsprstos salutini krvinink tankio n

p

(x) arba p

n

(x) pasiskirstymo funkcijos (1.205)

tranzistoriaus bazje nusistovjimo proceso trukms t b, kur pakankamai gerai apraso eksponentin priklausomyb (1.227). Sioje priklausomybje laiko trukms konstantos saltiniu I B const, ar tampos saltiniu UBE const. Kai tranzistoriaus baz bendro emiterio jungimo schemoje (1.53 pav. b) yra valdoma tampos saltiniu UBE, laiko trukms konstantos b vert yra tokia pat, kaip ir bendros bazs schemoje: (1.228), (1.229) ir (1.240). Taip yra todl, jog tampos saltinio UBE vidaus varza yra lygi nuliui (arba realiuose schemose daug kart mazesn uz tranzistoriaus jimo varzas: R BE e ir r BE e ) ir to paskoje bazs krvio neutralumo slygos islaikymui nra joki klici. Todl baz padavus tampos UBE suol- UBE (t ) Uo·1(t ), bazs srov I B nusistovi per trukm t d B (1.240). Cia reikia prisiminti, jog bendro emiterio schemoje tranzistoriaus stiprinimo ir daznines savybes nusako bazs srovs i

B b

vert priklauso nuo tranzistoriaus bazs bendro emiterio schemoje valdymo bdo: srovs

diferencialinis stiprinimo koeficientas (1.150),

kuris, analogiskai (1.110), yra uzrasomas taip:

I K /I B /(1 ).

Analogiskai aproksimuojama taip: israiskai (1.233), koeficiento

(1.242)

daznin

priklausomyb

yra

( j ) o·exp { j [( / ) (2 d K )}/[1 j ( / )], (1.243)

kur: - ribinis daznis, kuriam esant ()| o / 2 0,71· o. 109

Ribinis daznis yra isreiskiamas per laiko trukms konstant b taip:

1/ b,

(1.244)

kur b vert priklauso nuo tranzistoriaus bazs bendro emiterio schemoje valdymo bdo: kai tranzistoriaus baz yra valdoma tampos saltiniu UBE const, laiko trukms konstantos

b

vert yra tokia pat, kaip ir bendros bazs schemoje ( israiskos const, laiko trukms atveju,

(1.228), (1.229) ir (1.240)); kai tranzistoriaus baz yra valdoma srovs saltiniu I konstanta b ef B, k parodysime toliau. Bendro emiterio jungimo grandinje tranzistoriaus bazs valdymo srove I

B B

salutini krvinink tankio n p (x) arba p n (x) pasiskirstymo funkcijos (1.205) tranzistoriaus bazje nusistovjimo proceso trukm t b, kur apraso eksponentin priklausomyb (1.227), yra apsprsta bazs krvio neutralumo slygos islaikymo proceso, kai bazs srit is bazs ominio kontakto patenkanci pagrindini krvinink skaicius per trukms vienet t yra pastovus, t. y. esant slygai: I B const. Siuo atveju baz patekusi skyli ( p-bazs atveju) arba elektron (n-bazs atveju) elektrinio krvio neutralumo slyga yra atstatoma per tiesiogine kryptimi jungt emiterio p-n sandr injektuojamais tokio pat kiekio elektronais arba skylmis, atitinkamai, kurie ir sukuria kolektoriaus srov I K. Akivaizdu, kad nesant krvinink rekombinacijos bazje ( ef B ), srovs I K modulis I K , nes skyli arba elektron skaicius bazje neapibrztai didt laike t. Vykstant krvinink rekombinacijai bazje ( ef B ), sio proceso metu prajus trukmei t b 2,2· ef B nusistovi termodinamin pusiausvyra, kurios metu rekombinavusi bazje skyli arba elektron skaicius per trukms vienet t tampa lygus injektuot elektron arba skyli skaiciui per t trukm t. Taigi parodme, kad bendro emiterio jungimo grandinje tranzistoriaus bazs valdymo srovs I B saltiniu atveju, sios schemos dinamins savybs apsprstos laiko trukms konstantos (1.235) bei (1.244) seka: . Is (1.243) jau zinomu bdu gauname:

ef B,

kuri dazniausiai yra daug didesn uz lkio trukm t d B (1.240) ( ef B t d B ). Todl is cia ir

() {[ Re ( j )] 2 [ Im ( j )] 2}1/2 o /[1 ( / ) 2 ]1/2, () arctg [ Im ( j )/Re ( j )]

arctg {[sin A ( / )·cos A]/[cos A ( / )·sin A]} . (1.245)

110

Is (1.245) paskaiciuotos amplituds ( ) bei fazs ( ) daznins priklausomybs yra analogiskos dazninms priklausomybms ( ) bei ( ), atitinkamai, pateiktoms 1.77 pav. a ir b, atitinkamai, kur ( ) verts yra atidedamos nuo verts. Be jau vest tranzistoriaus ribini dazni ir , daznai yra vartojamas ribinis daznis T, kuris yra prilyginamas dazniui , kai ()| (1.245) randame:

T

1. Taikydami si slyg is

()| o /[1 ( T / ) 2 ]1/2 1,

T

ir is cia gauname bendro emiterio schemoje tranzistoriaus bazs srovs I B stiprinimo ribinio daznio israisk:

T ( o2 1)1/2 o .

Kita vertus, is (1.245), esant 3 , galima uzrasyti:

(1.246)

() o /( / ) T /,

ir is cia randame:

T (),

kai T 3 .

(1.247)

Gauta israiska (1.247) leidzia lengvai ismatuoti bendro emiterio schemoje tranzistoriaus bazs srovs I

B

stiprinimo ribin dazn T. Ribinio daznio

T

matavimo

grandinje be matavimo daznio slygos (1.247) btina tenkinti srovs saltinio slyg bazs grandinje ir labai mazos aktyviosios varzos R K kolektoriaus grandinje slyg: R K 5 . Kita vertus, srovs I B stiprinimo ribin dazn T galima nusakyti per signalo vlinimo laiko t EK trukms konstant EK t EK /2 tarp tranzistoriaus kolektoriau ir emiterio tokiu bdu:

T 1/ EK,

kur

EK e b k d K.

(1.248)

Bendro emiterio arba bendro kolektoriaus grandinse normalioje veikoje jungto tranzistoriaus ekvivalentin schema yra parodyt 1.81 pav., kur pastovij tamp maitinimo saltini EB ir KB poliaringumai atitinka n-p-n tranzistoriaus normalij veik. Anksciau nagrindami vairi pagrindini radiotechnini element savybes parodme, jog rezistoriuje R kintamosios srovs I R ir tampos UR fazs sutampa (1.3). Todl si savyb patogu taikyti nustatant vairi tranzistoriaus jungimo grandini fazines charakteristikas, nes zemuose dazniuose (

,

) tranzistoriaus jimo ir isjimo varzos yra aktyvinio

111

p B RB IB Uin I E dif + C EB r BE e

IKc I K dif CKB

n

r KE e

IK K RK Ra +

IEc

I B

EB

IE RE E n

KB

1.81 pav. Bendro emiterio arba bendro kolektoriaus grandinse normalioje veikoje jungto dvipolio tranzistoriaus ekvivalentin schema pobdzio. Palygin tranzistoriaus ekvivalentines schemas 1.76 pav. ir 1.81 pav., matome, jog apeinant bendru kontru jimo ir isjimo grandins jimo srovs kryptimi, kolektoriaus srovs I K kryptis bendros bazs schemoje (1.76 pav.) sutampa su jimo srovs I E emiteryje kryptimi, o bendro emiterio schemoje (1.81 pav.)- yra priesinga jimo srovs I

B

bazje

krypciai. Todl bendros bazs schemoje isjimo signalo faz is sutampa su jimo signalo faze in ( is in 0), o bendro emiterio schemoje- yra priesing fazi ( 180 o arba rad ). Bendro kolektoriaus schemoje (1.81 pav.) jimo grandins atzvilgiu isjimo srovs I E kryptis sutampa su jimo srovs I B kryptimi. Todl si schema isjimo signalo fazs nesuka ( 0). Cia btina priminti, kad ekvivalentinse tranzistoriaus schemose (1.76 pav. ir 1.81 pav.) kintamj srovi I B, I E ir I K kryptys turi sutapti su atitinkamomis pastovij srovi I B, I E ir I K kryptimis, t. y. visais atvejais turi bti tenkinama srovi balanso slyga (1.108). Anksciau, nagrindami fizikinius procesus dvipolio tranzistoriaus bazje, parodme, kad bendros bazs grandinje normalioje veikoje dvipolio tranzistoriaus kolektoriaus srov I K I E I B 0 net ir tada, kai UKB 0, nes ir siuo atveju kolektoriaus p-n sandra atlieka salutini krvinink ekstrakcij is bazs kolektori. Si situacija pasikeicia is esms, kai tranzistorius yra jungtas bendro emiterio schemoje (1.53 pav., b). Taigi, kai tampa UKE 0 ir tampa UBE 0, abejos tranzistoriaus p-n sandros yra jungtos tiesiogine kryptimi, nes tampa UBK UBE UKE 0. Todl tranzistorius praranda bazs srovs stiprinimo savyb ir per kolektori bei emiter teka beveik vienodos tiesiogins srovs- | I

K

| |I

E

| I

B

/2.

Akivaizdu, jog siuo atveju kolektoriaus srov I K, t. y. teka priesinga kryptimi, atzvilgiu 112

srovs I K krypties, kai UKE 0 (1.53 pav. b). Si situacija yra pavaizduota 1.82 pav., kur yra parodyta tranzistoriaus isjimo VACh pradin sritis bendro emiterio jungimo schemoje, kai tampa UKE 0. IK

I B1 0 I B2 I B1 IB 0 U KE UKE

I K s I B1/2 I B2/2 0

1.82 pav. Dvipolio tranzistoriaus isjimo VACh pradin sritis bendro emiterio jungimo schemoje, kai tampa UKE 0 Is 1.82 pav. matome, jog kolektoriaus tampai UKE didjant nuo nulio uztvarine kryptimi (UKE 0), srovs I K modulis mazja ir tampa lygus nuliui tik pasiekus tam tikr uztvarins tampos UKE vert- U KE 0,1 0,2 V (Si). Kai tampa UKE U KE, tranzistoriaus kolektorin p-n sandra yra uzdaryta (UKB 0) ir pradeda veikti salutini krvinink ekstrakcijos is bazs kolektori reiskinys- turime bazs srovs I Dvipolio tranzistoriaus pagrindiniai parametrai yra sie: I K max - didziausioji (maksimali) pastovioji kolektoriaus srov; I B max - maksimali pastovioji bazs srov; I

E s B

stiprinimo efekt ir

stebime isjimo VACh eig bendro emiterio jungimo schemoje (1.61 pav. b).

- emiterio p-n sandros atgalin soties srov, esant trumpajam jungimui kolektoriaus p-n sandroje (UKB 0);

I

K s

- kolektoriaus p-n sandros atgalin soties srov, esant trumpajam jungimui emiterio p-n sandroje (UEB 0);

I K e s - kolektoriaus-emiterio atgalin soties srov, kai I B 0; UKB max - pramusimo tampa tarp kolektoriaus ir bazs, kai I E 0; UEB max - pramusimo tampa tarp emiterio ir bazs, kai I K 0; UKE max - pramusimo tampa tarp kolektoriaus ir emiterio, kai I B 0; P K max - maksimali kolektoriuje isspinduliuojama pastovioji galia; Tmax - maksimali korpuso ( puslaidininkinio kristalo ) temperatra;

o max,

o min

- maksimali, minimali pastoviosios bazs srovs I

B

stiprinimo

koeficiento vert, atitinkamai;

T max

2··fT

max

- bendro emiterio schemoje tranzistoriaus bazs srovs I

B

stiprinimo ribinio daznio maksimali vert; 113

CEB o - emiterio p-n sandros barjerin talpa, kai UEB 0; CKB o - kolektoriaus p-n sandros barjerin talpa, kai UKB 0;

k o ( R B R K )·CKB o R BCKB o - kolektoriaus trukms konstanta, kai UKB 0 ir

I B 0. Be jau anksciau aprasyt tranzistoriaus ribini dazni: , ir T yra vedamas tranzistoriaus kokybs koeficientas K : K ( max /) 2, kur: max 2 f max - maksimalus generacijos daznis, kai max ir K p ( max ) 1: (1.249)

max [( o T )/(8 k )]1/2.

(1.250)

Kokybs koeficientas K savo verte yra lygus galios stiprinimo koeficientui K p, kai grztamasis rysis tranzistoriuje duotam dazniui yra pilnai kompensuotas isorine grztamojo rysio grandine. Aprasyt tranzistoriaus ribini dazni ,

ir

T

palyginimui, 1.83 pav. yra

parodytos koeficient () ir () daznins priklausomybs, kai tranzistoriaus emiteris ( bendros bazs schemoje ) arba baz ( bendro emiterio schemoje ) yra valdomi atitinkamu jimo srovs saltiniu.

,

103 102 10 1 0,5 0

o o /1,4

() ( T) 1 ()

10

o

0,71

T 102

103

, MHz

1.83 pav. Koeficient () ir () daznins priklausomybs, kai dvipolio tranzistoriaus emiteris ( bendros bazs schemoje ) arba baz ( bendro emiterio schemoje ) yra valdomi atitinkamu jimo srovs saltiniu Is 1.83 pav. Is pateikt grafik matome, jog galioja nelygybs:

T .

(1.251)

Kita vertus is (1.251) seka, jog visais atvejais dvipolio tranzistoriaus daznins savybs yra geresns bendros bazs jungimo schemoje. Taciau cia pastebsime, jog sios grandins 114

atveju tranzistoriaus jimo varza yra labai maza ( zirti 2 lentel ) ir tai sudaro tam tikrus keblumus konstruojant vairius elektroninius renginius su dvipoliais tranzistoriaus. 1.3.2. Vienpolis ( unipoliarinis, lauko ) tranzistorius Vienpolis ( lauko, unipoliarinis ) tranzistorius- puslaidininkinis taisas, kurio pagrindin paskirtis stiprinti kintamj elektrini signal gali: p u·i 1. Kita esmin paskirtis- pastoviosios tampos arba ( ir ) srovs keitimas kintamj tamp arba ( ir ) srov, atitinkamai. Vienpolio tranzistoriaus ( toliau tekste- tranzistorius ) grafiniai simboliai yra parodyti 1.84 pav., kur: a f atitinka Europin standart, o a f - Amerikietiskj standart. Tranzistoriaus isvadai yra pazymti taip: G- uztra, S- istakas ir D- santakas. D G S a D G S g D G S a D G S g h G S i b G S c h D G S d G S i D G S e D G S f D G S D b D G S G S c D D G S d D G S e D G S f D G S D

D G

D

S

1.84 pav. Vienpolio ( lauko) tranzistoriaus grafiniai simboliai 115

1.84 pav. a ir b (a ir b ) yra pavaizduoti atidarytieji n- ir p- kanalo tranzistoriai su p-n sandros uztra ( n- arba p- kanalo atidarytasis sandrinis lauko tranzistorius ); c ir d (c ir d )uzdarytieji n- ir p- kanalo tranzistoriai su p-n sandros uztra ( n- arba p- kanalo uzdarytasis sandrinis lauko tranzistorius ); e ir f (e ir f )- terpto n- ir p- kanalo tranzistoriai su izoliuota uztra; g ir h (g ir h )- indukuoto n- ir p- kanalo tranzistoriai su izoliuota uztra; i ir in- kanalo tranzistorius su Sotkio sandros uztra ( n- kanalo sandrinis Sotkio lauko tranzistorius ). Dazniausiai izoliuota uztra yra padaryta metalo (M)- oksido (O)- arba dielektriko (D)- puslaidininkio (P) darinio pavidalu, todl tokie lauko tranzistoriai yra vadinami MOP arba MDP tranzistoriais. Taigi, matome, kad didel lauko tranzistori vairov galima apibendrinti tris grupes pagal uztros konstrukcij: sandriniai lauko tranzistoriai, MOP (MDP) tranzistoriai ir sandriniai Sotkio lauko tranzistoriai. MOP (MDP) tranzistoriai, savo ruoztu, yra skirstomi du pogrupius: indukuoto ir terpto kanalo lauko tranzistorius. Lauko tranzistoriaus pagrindinms elektrinms savybms issiaiskinti nagrinsime nkanalo tranzistori, nes p- kanalo tranzistoriaus atveju skirsis tik pastovij tamp poliaringumai ir srovi kryptys jo atitinkamuose isvaduose ( kontaktuose ). 1.85 pav. yra parodytos n- kanalo atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus trys jungimo grandins: a- bendros uztros (BU), b- bendros istakos (BI) ir c- bendro santakos (BS). T IS USG a IG UGD c 1.85 pav. Trys jungimo grandins su n- kanalo atidarytuoju sandriniu lauko tranzistoriumi: a- bendros uztros (BU), b- bendros istakos (BI) ir c- bendro santakos (BS) 116 G D ID T S USD S IG G T D ID UDG UGS IS b IG G IS D S UDS ID

1.85 pav. taip pat yra parodyti atitinkam pastovij tamp saltini U ( arba U ) jungimo poliaringumai ir tekanci srovi I kryptys tranzistoriaus T atitinkamuose isvaduose. tamp saltini ir srovi indeksai atitinka tranzistoriaus T isvad pavadinimus. 1.85 pav. parodytose n- kanalo atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus jungimo grandinse atitinkam pastovij tamp saltini poliaringumai atitinka normali tranzistoriaus T veik. Matome, jog visose tranzistoriaus jungimo schemose pastoviosios tampos saltini poliaringumai parinkti taip, kad uztros G p-n sandra btu jungta atgaline kryptimi. Pagrindin lauko tranzistoriaus savyb yra jo santakos D srovs I D priklausomyb nuo uztros G tampos UGS. Si pastoviosios srovs I D priklausomyb nuo UGS yra nusakoma taip: I D S o UGS, (1.252)

kur: S o I D /UGS - tranzistoriaus statumas pastoviajai srovei veikos taske UGS o ir esant slygai UDS = const, o pokyciai I D ir UGS bendru atveju gali bti skirting zenkl. Visose lauko tranzistoriaus jungimo schemose (1.85 pav.) pastoviosioms srovms I D ir I S galioja srovi balanso lygtis: I D I S, ir uztros G srovei I G : I G I s 0, (1.254) (1.253)

kur: I s - uztros G ( p-n sandros ) atgalin soties srov ((1.74), (1.75)), kurios vert priimame beveik lygi nuliui. Bendros uztros schemoje (BU) (1.85 pav. a) jimo srov yra I S, o isjimo- I D. Todl sios grandins pastoviosios ir kintamosios srovi perdavimo koeficientai K I g ir K i g, atitinkamai, yra: K I g I D /I S 1, K i g I D /I S 1, (1.255)

kur apytiksl lygyb parasyta primus slyg (1.254) bei kintamojo signalo atveju esant maziems dazniams, kai galima nepaisyti uztros talpos slinkties srovs. Bendros uztros grandinje (1.85 pav. a) tranzistoriaus veikai nusakyti yra naudojamos: perdavimo charakteristika- I D (USG ), esant uzduotai UDG const; isjimo VACh- I D (UDG ), esant uzduotai USG const.

117

1.86 pav. a ir b yra parodytos bendros uztros schemoje n- kanalo atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristika I I D (UDG ), atitinkamai.

D

(USG ) bei jo isjimo VACh

ID I D max UDG Us 0 UDG Us UDG 0 0,1·I D max 0 Us USG

ID Uk I D max ID USG = 0 USG > 0 USG = Us 0 Us UDG UDG

I D max a

I D max b

1.86 pav. Bendros uztros schemoje n- kanalo atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristika I D (USG ) (a) bei jo isjimo VACh I D (UDG ) ( b) Perdavimo charakteristika I aprasoma sia aproksimacija: I D I D max {[1 (USG /Us )] 2 1 + (UDG /Us )}, (1.256)

D

(USG ), kai yra tenkinama slyga: 0 USG Us, yra

kur: 0 USG Us ir 0 UDG Us ; Us - slenkstin uztros tampa, kuriai esant santakos srov I D 0,1I D max, kai UDG Us; I D max - santakos srov, kai USG 0 ir UDG Us. Akivaizdu, jog bendros uztros schemoje Us UDG. Kita vertus, tranzistoriaus normalios veikos metu uztra negali bti atidaryta (USG 0), todl srov I uztros schemoje tuo paciu yra didziausia santakos srov. Is perdavimo charakteristikos (1.256) bendros uztros schemoje randame tranzistoriaus diferencialin statum Sg kintamajai srovei, kai UDG const ( cia ir toliau priimame, kad kintamojo signalo daznis yra pakankamai mazas, kai galima nepaisyti uztros talpos slinkties srovs ): Sg [ I D (USG )] |USG I D ~ /USG ~ 2 I D max (USG Us )/Us2 118

'

D max

bendros

Sg 2 ( I D max I D )1/2/U s ,

kai UDG const.

(1.257)

Is cia matome, jog statumas Sg didja, didjant santakos pastoviajai srovei I D. Todl yra vedamas Sg max, kai I D I D max, ir is (1.257) randame: Sg max 2 I D max /Us . (1.258)

max

Gauta israiska (1.258) yra labai patogi tampai Us nustatyti, nes parametrai Sg I D max yra lengvai ismatuojami prie USG 0.

ir

Is isjimo VACh (1.86 pav. b) matyti, jog esant mazoms UDG vertms (UDG Uk isjimo VACh kreivs USG const lzio vietos tampa ) santakos srov I D didja proporcingai tampai UDG, t. y. tranzistorius elgiasi kaip kintamasis rezistorius, kurio varza R pastoviajai srovei I

D DG g

yra keiciama jimo tampos USG verte. Si isjimo VACh dalis, kai

UDG Uk Us, yra aprasoma taip: I D I D max |UDG |(2|Us |UDG |) USG Us /Us2, kur: 0 UDG Us ir 0 USG Us . Lygtimi (1.259) aprasoma isjimo VACh dalis yra vadinama pradine sritimi, kurioje santakos srov I D beveik vienodai priklauso ir nuo tampos UDG, ir nuo tampos USG. Isjimo VACh sritis uz tampa Uk nusakom lzio viet- UDG Uk , yra vadinama ssmaukos sritimi, kurioje santakos srov I D priklauso tik nuo tampos USG ir labai mazai priklauso nuo tampos UDG. Bendros uztros schemoje nagrinjant tranzistoriaus jim, kaip jimo tampos saltinio USG apkrov, yra vedama jimo varza R SG g pastoviai srovei ir diferencialin jimo varza r SG g kintamajai srovei: R SG g USG /I S, r SG g USG ~ /I S ~, Is (1.254) (1.258) ir (1.260), randame: R SG g USG /{ I D max {(1 (USG /Us )] 2 [1 (U DG /U s )]}}, r SG g USG ~ /I S ~ 1/| Sg | Us /[ 2 I D max (Us USG )]. 1.87 pav. a ir b yra parodytos is (1.261) paskaiciuotos varz R priklausomybs nuo tampos USG, atitinkamai, kur: R SG g o |Us |/I D max. Is 1.87 pav. pateikt grafik matome, jog priklausomybs R SG g (USG) kitimo pobdis

SG g 2

(1.259)

(1.260) kai UDG const.

(1.261) ir r

SG g

119

R SG g UDG Us UDG 0,5·Us UDG 0 0,5·R SG g o 0 0,4 a 0,8

r SG g

2·R SG g o R SG g o USG /Us 0

r SG g min 0,4 b 0,8

USG /Us

1.87 pav. Bendros uztros schemoje n- kanalo atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus is (1.261) paskaiciuotos varz R SG g (a) ir r SG g ( b) priklausomybs nuo tampos USG labai priklauso nuo tampos UDG, o tranzistoriaus varza R SG g (USG ) kinta intervale- 0 . Tuo tarpu tranzistoriaus diferencialin varza r SG g (USG ) kinta intervale- r SG g min , kur: r SG g min |Us |/( 2I D max ). (1.262)

Kita vertus is 1.87 pav. a pateikt grafik matome, jog priklausomybs R SG g (USG ) kitimo pobdis turi labai ryski smail, kai UDG Us. Si tranzistoriaus jimo varzos R SG g savyb gali bti panaudota parametriniuose renginiuose, kaip rezistorinis varistorius su dvigubo daznio kitimo varza. Bendros uztros schemoje nagrinjant tranzistoriaus isjim, kaip kintamosios tampos saltinio UDG apkrov, yra vedama diferencialin isjimo varza r DG g: r DG g UDG ~ /I D ~, kai U SG const. (1.263)

Is (1.259) ir (1.263) randame varzos r DG g vert isjimo VACh pradinje srityje: r DG g Us2/[ 2 I D max (|Us | |UDG |)] |Us |/{ 2 I D max [1 (|UDG |/|Us |)]}, (1.264) kur: 0 UDG Us . Palygin (1.264) ir (1.261) matome, kad priklausomyb r DG g (UDG ) yra analogiska priklausomybei r SG g (USG ) (1.87 pav., b) ir r DG g min r SG g min (1.262). Kai UDG Us , diferencialin isjimo varza r DG g visoje isjimo VACh ssmaukos srityje (1.86 pav. b). Bendros uztros jungimo schemoje (1.85 pav. a) tranzistoriaus isjimo varza R DG g pastoviai srovei isjimo VACh pradinje srityje (UDG Us ) yra uzrasoma taip: R DG g UDG /I D, ir is (1.259) bei (1.265) randame: 120 kai 0 UDG Uk Us , (1.265)

R DG g (Us2 UDG )/{ I D max |UDG | (2|Us |UDG |) USG Us }, (1.266) kur: 0 UDG Uk Us . Riboje tarp pradins bei ssmaukos isjimo VACh srici ( brksnin-taskin linija Uk 1.86 pav. b), kur UDG Us , gaut israisk (1.266) galima uzrasyti taip: R DG g k Us2/[ I D max (Us USG )] |Us |/{ I D max [1 (USG /Us )]}, (1.267) o isjimo VACh ssmaukos srityje, kai UDG Us , isjimo varza R DG g yra uzrasoma taip: R DG g R DG g k + UDG /I D k, (1.268)

kur: I D k I D max [1 (USG /Us )]- santakos srov riboje tarp pradins bei ssmaukos isjimo VACh srici, kai UDG Us (1.259). Is (1.268) matome: kintant tampai USG (0 USG Us ), tranzistoriaus isjimo varza R

DG g

isjimo VACh ssmaukos srityje (UDG Us ) kinta nuo maziausios verts

R DG g min |Us |/I D max, kai USG 0 ir UDG |Us |, iki , kai |USG | |Us | ( t. y. analogiskai varzos r SG g kitimui, parodytam 1.87 pav. b). Is cia seka, jog is esms ir lauko tranzistorius yra jimo tampa USG valdomas rezistorius- R DG g (USG ). 1.88 pav. yra parodytos is (1.264) ir (1.266) paskaiciuotos varz r

DG g

ir R

DG g

priklausomybs nuo tampos UDG Us , kai tranzistorius BU schemoje veikia isjimo VACh pradinje srityje. Is 1.88 pav. a pateikt grafik matome, jog funkcijos R DG g (UDG ) kitimo pobdis taip pat turi labai ryski smail, kai USG Us. Si tranzistoriaus isjimo varzos funkcijos R DG g (Umod ) bendros uztros schemoje savyb gali bti panaudota parametriniuose renginiuose, kaip rezistorinis varistorius, kurio varzos R (Umod ) kitimo daznis dvigubai didesnis uz moduliuojancios poveikio tampos Umod dazn m ( R 2· m ). R DG g USG Us USG 0,5Us USG 0

2R DG g min 0,5R DG g min R DG g min

R

yra

r DG g

r DG g min 0 0,8 b

0

0,4 a

0,8

UDG /Us

0,4

UDG /Us

1.88 pav. Is (1.264) ir (1.266) paskaiciuotos n- kanalo atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus BU schemoje varz r DG g ir R DG g priklausomybs nuo tampos UDG Us , kai tranzistorius veikia isjimo VACh pradinje srityje 121

Isnagrinsime 1.89 pav. parodytos bendros uztros grandins su tranzistoriaus T varziniu ekvivalentu R

DG g

veik. Tuo tikslu pasinaudosime tranzistoriaus isjimo VACh

(1.86 pav. b) bei joje nubrzta apkrovos Ra tiese (1.90 pav.).

ID IS T S G ­ D

Ra Uis R DG g ­

USG

DG

1.89 pav. Bendros uztros grandin su tranzistoriaus T varziniu ekvivalentu R DG g ID I D max I D max ID

Uk Ra s c USG USG > 0 USG = 0

0

Us

UDG

DG

a U =U SG s UDG

I D max 1.90 pav. BU schemoje n- kanalo atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus isjimo VACh su joje nubrzta apkrovos Ra tiese ( brksniuota ties ) Is Omo dsnio visai isjimo Uis grandinei (1.89 pav.) apkrovos Ra ties yra aprasoma taip: I D I D max UDG /Ra, kur: I D max DG /Ra. Pastovij isjimo tamp Uis tranzistoriaus santakos isvade D, kai tranzistoriaus veikos taskas randasi isjimo VACh ssmaukos srityje, apskaiciuosime pasinaudodami Omo dsniu visai isjimo grandinei (1.17) bei akivaizdzia tamp suma- DG URa Uis : 122 arba I D ( DG UDG )/Ra, (1.269)

Uis DG URa DG I D Ra DG DG Ra /( Ra R DG g ) Uis DG R DG g /( Ra R DG g ), (1.270)

kur is (1.267) ir (1.268) stat R DG g ir padar pakeitim- UDG Uis, gauname kvadratin lygt ieskomos tampos Uis atzvilgiu. Vengdami per daug sudting israisk, gautos lygties (1.270) sprendim supaprastinsime. Tuo tikslu formul (1.270) vietoje R (1.267) ir, atlik sprendim, randame: Uis

DG / DG g

statome R

DG g k

is

{1 +{Ra I D max [1 (USG /Us )]}/Us }.

(1.271)

Is (1.270) seka, jog lauko tranzistorius is esms taip pat yra jimo tampa USG valdomas rezistorinis pastoviosios maitinimo tampos

DG daliklis. Is (1.271) matome: kai

USG 0, tampa Uis DG /( 1 +Ra I D max /Us ) DG , t. y. siuo atveju tranzistorius T yra atidarytas ir jo veikos taskas randasi isjimo VACh kreivs USG 0 ir apkrovos Ra tiess susikirtimo taske "s" - soties taske (1.90 pav.). Kai jimo tampa USG 0 ir didja, santakos srov I D 0, bet mazja, ko paskoje tranzistoriaus veikos taskas slenka apkrovos Ra tiese zemyn. Dl to isjimo tampa Uis didja ir artja prie

DG verts (1.271). Taigi, isjimo

tampos pokytis Uis 0 ir savo zenklu sutampa su jimo tampos pokyciu USG 0, o tai reiskia, jog bendros uztros schemoje isjimo tampos Uis pokycio Uis faz is sutampa su jimo tampos Uin pokycio Uin USG faze in. Todl bendros uztros schema fazs nesuka: is in 0. Kai tampa USG Us, tranzistoriaus veikos taskas randasi taske "a"- atkirtos taske (1.90 pav.) ir isjimo tampa Uis DG, t. y. tranzistorius uzdarytas. Dazniausiai Us UDG max - didziausia galima tampos UDG vert. Todl akivaizdu, jog tranzistorius bendros uztros schemoje gali stiprinti tamp, nes santakos grandins pastovioji maitinimo tampa

DG

gali siekti desimtis ir simtus volt. Siai tranzistoriaus

savybei nusakyti yra vedamas pastoviosios tampos stiprinimo koeficientas K U g : K U g Uis /Uin, kur: Uin USG - pastovioji jimo tampa. Is (1.271) seka: kai Uin const, pastoviosios jimo tampos stiprinimo koeficientas K U g didja, didjant tampai DG ir mazjant apkrovos rezistoriaus Ra vertei. (1.272)

123

Akivaizdu, kad bendros uztros schemoje tranzistorius stiprina ir kintamj jimo tamp Uin , kurios dazn laikysime pakankamai mazu, kol galioja apytiksl lygyb: I S I D . Todl yra vedamas diferencialinis tampos stiprinimo koeficientas K u g : K u g Uis /Uin Uis /Uin , kur: Uis

kai USG const,

(1.273)

- kintamoji tampa isjime Uis (1.89 pav.), o slyga USG const nurodo

tranzistoriaus veikos task jo apkrovos Ra tiesje, pvz. taske "c" (1.90 pav.). Is (1.271) ir (1.273) bei akivaizdzios tapatybs USG Uin randame: K u g Ra I D max

DG /{Us

+ Ra I D max [1 (USG /Us )]} 2. (1.274)

Is (1.274) paskaiciuotos grafins priklausomybs K u g (USG /Us ) ir K u g (Ra ), esant sioms vertms: Ra 0,1; 1 k; I D max 10 mA; pateiktos 1.91 pav. a ir b, atitinkamai. Kug 100 60 20 0 Ra = 1 k Ra = 100 0,2 0,6 a 1 USG /Us Kug 2,5 USG >0 1,5 0,5 0 Ra m 1 b 2 Ra, k USG = 0

DG

10 V; Us 1 V; USG /Us 0; 0, yra

1.91 pav. BU schemoje n- kanalo atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus koeficiento K u g priklausomybs K u g (USG /Us ) (a) ir K u g (Ra ) ( b) paskaiciuotos is (1.274), esant sioms vertms: Ra 0,1; 1 k; I D max 10 mA;

u g DG

10 V; Us 1 V; USG /Us 0; 0,

u g

Priklausomybje K

(USG /Us ) (1.91 pav. a) matome zym K

padidjim, kai

apkrovos varza Ra 1 k ir USG Us. Tai paaiskinama tuo, jog tranzistoriaus varzos R DG g pokytis R DG g (1.88 pav. a) santykinai padidja daugiau uz mazjancios srovs I D pokyt I D, esant USG const ir zinant, kad Uis I D·R DG g. Taciau akivaizdu: kai USG Us, isjimo signalo Uis amplitud Uis o 0 ir todl K u g 0 ( brksnin-taskin linija 1.91 pav.

124

a yra gauta padauginus K u g (1.274) is [ 1 (USG /Us ) ½ ]). Todl dazniausiai pastovioji tampa USG parenkama is slygos: USG 0,8·Us , kuriai esant K u g 20. Is 1.91 pav. b matome, jog priklausomyb K u g (Ra ) turi aiskiai isreikst maksimumo vert ( rezonansins kreivs pavidal ), kuri, didjant tampai USG > 0, didja ir slenka desin ( prie didesni Ra verci ). Koeficiento K u g (Ra ) maksimumo vert K u g max atitinkanci Ra vert Ra m surasime is israiskos (1.274) isvestins, prilygin j nuliui: K u g /Ra Ra m I D max ir is cia gauname: Ra m Us /{ I D max [1 (U SG /U s )]}. Is (1.274) ir (1.275) randame: K u g max Gauta koeficiento K

u g DG /{4Us [ 1 DG /{Us

+Ra m I D max [ 1 (USG /Us )]} 2 0,

'

(1.275)

(USG /Us )]}.

(1.276)

(Ra ) priklausomyb (1.274) yra paaiskinama tranzistoriaus

isjimo VACh kreivi USG const seimoje nubrzta apkrovos Ra tiese (1.90 pav.) ir jos elgesiu, kintant apkrovos varzai Ra. Tarkime, jog parenkant tamp USG 0 tranzistoriaus veikos taskas randasi taske "c". Didinant varz Ra, kai yra islaikomos sios slygos: Uin USG const ir

DG const, apkrovos ties Ra sukasi pries laikrodzio rodykl apie

tranzistoriaus veikos task "a" ir to paskoje pokytis UDG Uis ssmaukos srityje iki linijos Uk didja, o tuo paciu didja ir K u g. Tranzistoriaus veikos taskui kirtus linij Uk ir patekus pradin srit, pokytis Uis mazja, o tuo paciu mazja ir K u g. Mazinant varz Ra, apkrovos ties Ra sukasi pagal laikrodzio rodykl apie tranzistoriaus veikos task "a" ir to paskoje pokytis UDG Uis ssmaukos srityje mazja, o tuo paciu mazja ir K u g. Taigi parodme, jog K u g K u g max, kai tranzistoriaus veikos taskas parenkamas arti linijos Uk, t. y. riboje tarp isjimo VACh pradins ir ssmaukos srici (1.90 pav.). Parodme, kad tranzistorius bendros uztros schemoje (1.85 pav. a) stiprina tamp (K

U g, u g

1) ir nestiprina srovs ( K

I g

K

i g

1). jimo diferencialin varza r

g

SG g

kintamajai srovei (1.261) yra atvirksciai proporcinga tranzistoriaus statumui S varzos R pastoviajai srovei priklausomybs R

(1.257) ir

priklauso nuo tampos USG (1.87 pav. b), o varzos r SG g kitimo intervalas: r SG g min . jimo

SG g SG g

(USG ) pobdis labai priklauso nuo

DG g

pastoviosios tampos UDG (1.87 pav. a) ir kinta intervale: 0 . Isjimo varza R

pastoviajai srovei taip pat yra funkcija nuo USG ir UDG (1.266). Isjimo VACh ssmaukos srityje varza R DG g kinta nuo maziausios verts R DG g min |Us |/I D max, kai USG 0 ir UDG Us, 125

iki , kai USG Us ir UDG Us, t. y. tranzistorius elgiasi kaip tampa Uin USG valdomas kintamasis rezistorius. Bendros uztros schemoje tranzistoriaus diferencialins isjimo varzos r

DG g

priklausomyb nuo tampos UDG (1.264) yra analogiska priklausomybei r

SG g

(USG )

(1.87 pav., b), taciau siuo atveju varzos r DG g minimali vert- r DG g min |Us |/( 2I D max ) (1.88 pav.). Kadangi bendros uztros schemoje tranzistorius stiprina tamp ir nestiprina srovs, surasime galios stiprinimo koeficientus: K P g - pastoviajai srovei ir K p g - kintamajai srovei ( cia, kaip ir anksciau, priimame pakankamai zem dazni diapazon, kuriame I D I S ): K P g Pis /Pin, K p g Pis /Pin , (1.277)

kur: Pin I inUin , Pis I isUis , Pin I in Uin , Pis I is Uis . Is (1.277) ir slyg: I is I D ir I in I S bei pasinaudoj (1.255), (1.272) ir (1.273), randame: K P g K I g·K U g 1, is kur seka: K P g yra beveik lygus K U g, nes K I g 1 (1.255), ir K P g yra daugiau uz 1. Analogiskai, gauname: K p g K i g·K u g 1, is kur taip pat seka: K p g K u g, nes K i g 1 (I is I in ) (1.255), ir taip pat K p g > 1. Bendros istakos schemoje (BI) (1.85 pav. b) jimo srov yra I G, o isjimo- I D. Todl sios grandins pastoviosios ir kintamosios ( kai galima nepaisyti uztros talpos slinkties srovs ) srovi perdavimo koeficientai K I s ir K i s, atitinkamai, yra: K I s I D /I G , nes priimame I G 0, o tuo paciu ir I G 0 (1.254). Bendros istakos grandinje (1.85 pav. b) tranzistoriaus veikai nusakyti yra naudojamos: perdavimo charakteristika- I D (UGS ), esant uzduotai UDS const; isjimo VACh- I D (UDS ), esant uzduotai UGS const. 1.92 pav. a ir b yra parodytos bendros istakos schemoje n- kanalo atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristika I I D (UDS ), atitinkamai. Bendros istakos schemoje tranzistoriaus perdavimo charakteristika I 0 UGS Us , yra aprasoma sia aproksimacija: 126

D D

(1.278)

(1.279)

K i s I D /I G ,

(1.280)

(UGS ) bei isjimo VACh (UGS ), kai

ID I D max UDS2 > UDS1 > 0

ID Uk ID IDs 0,1I Dmax UGS < 0 UGS Us 0 UDS b UDS UGS = 0

Us a

0

UGS

1.92 pav. Bendros istakos schemoje n- kanalo atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristika I D (UGS ) (a) bei isjimo VACh I D (UDS ) ( b) I D I D max [ 1 (UGS /Us )] 2, (1.281)

kur: Us - slenkstin uztros tampa, kuriai esant I D 0,1·I D max; I D max - santakos srov, kai UGS 0 ir UDS 0 ( srov I D max tuo paciu yra didziausia leistina santakos srov ). Bendros istakos schemoje is perdavimo charakteristikos (1.281) randame tranzistoriaus diferencialin statum S s kintamajai srovei, kai UDS const: S s [ I D (UGS )] |UGS I D ~ /UGS ~ 2 I D max (UGS Us )/Us2 S s 2 ( I D max I D ) 1/2/Us , Is cia matome, jog S

s

'

kai UDS const.

(1.282)

didja, didjant santakos pastoviajai srovei I D. Todl yra

vedamas S s max, kai I D I D max, ir is (1.282) randame: S s max 2 I D max /Us . (1.283)

Gauta israiska (1.283) yra labai patogi slenkstinei tampai Us nustatyti, nes parametrai S s max ir I D max yra lengvai ismatuojami prie UGS 0. Palygin israiskas (1.257) (1.258) ir (1.282) (1.283), matome, jog tranzistoriaus statumas S s S g ir S s max S g max, t. y. nepriklauso nuo tranzistoriaus jungimo schemos. Is isjimo VACh (1.92 pav. b) bendros istakos schemoje matyti, kad jos yra panasios isjimo VACh (1.86 pav. b) bendros uztros schemoje. Todl, esant mazoms UDS vertms ( UDS Uk - isjimo VACh kreivs UGS const lzio vietos tampa ), santakos srov I D didja proporcingai tampai UDS, t. y. tranzistorius yra ekvivalentiskas kintamajam rezistoriui, kurio

127

varza yra keiciama jimo tampa UGS. Si tranzistoriaus isjimo VACh pradin dalis, kai tampa UDS Uk |Us | |UGS | 0, bendros istakos schemoje yra aprasoma sia aproksimacine israiska: I D I D max 2·(|Us | |UGS |)·|UDS | UDS2 /Us2 I D max ( 2·|Uk |·|UDS | UDS2 )/Us2, kur: 0 Uk Us . Nagrinjant bendros istakos schemoje tranzistoriaus jim, kaip jimo tampos saltinio UGS apkrov, yra vedama jimo varza R jimo varza r GS s kintamajai srovei: R GS s UGS /I G , r GS s UGS ~ /I G ~ , nes I

G GS s

(1.284)

pastoviajai srovei ir diferencialin

(1.285) kai UDS const,

0 ir todl I

G ~

0 (cia taip pat priimta, kad kintamosios srovs daznis yra

pakankamai mazas, kai galioja slyga (1.254)). Nagrinjant bendros istakos schemoje tranzistoriaus isjim, kaip kintamosios tampos saltinio UDS ~ apkrov, yra vedama diferencialin isjimo varza r DS s : r DS s UDS ~ /I D ~, kai UGS const. (1.286)

Is (1.284) ir (1.286) randame varzos r DS s vert isjimo VACh pradinje srityje: r DS s Us2/[ 2 I D max (Us UGS UDS )] Us2/[ 2 I D max (Uk UDS )] Us2/{ 2 Uk I D max [1 (UDS /Uk )]}, kur: 0 UDS Uk . Palygin israiskas (1.264) ir (1.287), matome: r

DS s

(1.287)

r

DG g

ir varzos r

DS s

priklausomyb nuo tampos UDS yra analogiska priklausomybei r DG g (USG ) (1.88 pav., b). Bendros istakos jungimo schemoje (1.85 pav. b) isjimo VACh pradinje srityje tranzistoriaus isjimo varza R DS s pastoviajai srovei yra uzrasoma taip: R DS s UDS /I D, ir is (1.284) bei (1.288) randame: R DS s Us2/{ I D max [ 2·(Us UGS ) UDS ]} 128 kai UGS const ir 0 UDS Uk , (1.288)

R DS s Us2/[ I D max (2·Uk UDS ), kur: 0 UDS Uk .

(1.289)

Israisk (1.289) riboje tarp pradins bei ssmaukos isjimo VACh srici ( tamp Uk linija- 1.92 pav. b), kur UDS Uk , galima uzrasyti taip: R DS s k Us2/[ I D max 2·Uk Uk ] Us2/(Uk I D max ), (1.290)

o isjimo varz R DS s pastoviajai srovei isjimo VACh ssmaukos srityje uzrasome taip: R DS s R DS s k + UDS /I D k, kai UDS Uk , (1.291)

kur: I D k I D max [1 (U GS /U s )] 2 - santakos srov riboje tarp pradins bei ssmaukos isjimo VACh srici, kai UDS Uk (1.284). Is (1.291) matome: kintant tampai UGS (0 UGS Us ir 0 Uk Us ), tranzistoriaus varza R DS s kinta nuo maziausios verts R DS s min Us /I D max, kai UGS 0 ir UDS Us , iki , kai UGS Us ( analogiskai 1.88 pav. b). Is cia seka, jog is esms lauko tranzistorius yra jimo tampa UGS valdomas kintamasis rezistorius- R

DS s

(UGS ). Si

tranzistoriaus savyb yra parodyta 1.93 pav., kuriame yra pateiktos is (1.287) ir (1.289) paskaiciuotos varz r DS s (1.93 pav. b) ir R DS s (1.93 pav. a) priklausomybs nuo tampos UDS Uk , atitinkamai.

R DS s R DS s k UGS 0 UGS 0 R DS s min 0 0,4 a 0,8

r DS s

r DS s min UDS /Uk 0 0,4 b 0,8 UDS /Uk

1.93 pav. Is (1.287) ir (1.289) paskaiciuotos BI schemoje n- kanalo atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus varz R DS s (a) ir r DS s ( b) priklausomybs nuo tampos UDS , kai UDS Uk Isnagrinsime 1.94 pav. parodytos bendros istakos grandins su tranzistoriaus T varziniu ekvivalentu R DS s veik. Tuo tikslu pasinaudosime isjimo VACh (1.92 pav. b) bei joje nubrzta apkrovos Ra tiese (1.95 pav.).

129

ID T G S D

Ra Uis R DS s ­

UGS

IG

DS

1.94 pav. Bendros istakos (BI) grandin su lauko tranzistoriaus T varziniu ekvivalentu R DS s ID I D max I D max ID

Ra Uk s c UGS a 0 UDS UGS < 0 UGS = 0

DS

UGS = Us UDS

1.95 pav. Bendros istakos (BI) grandinje jungto n- kanalo atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus isjimo VACh su joje nubrzta apkrovos Ra tiese ( brksniuota ties ) Is Omo dsnio visai isjimo Uis grandinei (1.94 pav.) apkrovos Ra ties yra aprasoma sia lygtimi: I D I D max UDS /Ra kur: I D max DS /Ra. Pastoviajai isjimo tampai Uis tranzistoriaus santakos isvade D paskaiciuoti, kai tranzistoriaus veikos taskas randasi isjimo VACh ssmaukos srityje, pasinaudosime Omo dsniu visai isjimo Uis grandinei (1.17) ir akivaizdzia tamp suma- DS UR a Uis : Uis DS UR a DS I D Ra DS DS Ra /( Ra R DS s ) DS R DS s /( Ra R DS s ), (1.293) arba I D ( DS UDS )/Ra, (1.292)

kur, vengdami kvadratins lygties ieskomos tampos Uis atzvilgiu, statome R DS s k is (1.290) ir, padar pakeitim Uk Us UGS, randame: 130

Uis

DS /

{1 + { Ra I D max [ 1 (UGS /Us )]}/Us }.

(1.294)

Is (1.294) seka, jog lauko tranzistorius T is esms yra jimo tampa Uin UGS valdomas rezistorinis pastoviosios maitinimo tampos

DS

daliklis. Taip pat is (1.294)

matome: kai UGS 0, tampa Uis DS /(1 + Ra I D max /Us ) DS - t. y. siuo atveju tranzistorius T yra atidarytas ir jo veikos taskas randasi isjimo VACh kreivs UGS 0 ir apkrovos Ra tiess susikirtimo taske "s"- soties taske (1.95 pav.). Kai jimo tampa UGS 0 ir savo moduliu didja, santakos srov I D 0 ir mazja, ko paskoje tranzistoriaus veikos taskas slenka apkrovos Ra tiese zemyn, o isjimo tampa Uis didja ir artja prie

DS verts(1.294).

Taigi, isjimo tampos Uis pokytis Uis 0 ir savo zenklu yra priesingas jimo tampos Uin pokyciui Uin 0, o tai reiskia, kad bendros istakos schemoje isjimo tampos Uis pokycio Uis faz

is

yra priesinga jimo tampos Uin pokycio Uin UGS fazei in. Todl

tranzistorius bendros istakos schemoje isjimo signalo faz pasuka 180o ( rad ) kampu ( is in 180o rad ). Kai UGS Us, tranzistoriaus veikos taskas randasi taske "a"- atkirtos taske (1.95 pav.) ir Uis DS, t. y. tranzistorius uzdarytas. Dazniausiai tranzistoriaus tampa Us UDS

max

- didziausia galima tampos UDS

vert. Todl akivaizdu, kad tranzistorius bendros istakos schemoje gali stiprinti tamp, nes santakos grandins pastovioji maitinimo tampa

DS gali siekti desimtis ir simtus volt. Siai

tranzistoriaus savybei bendros istakos schemoje nusakyti yra vedamas pastoviosios tampos stiprinimo koeficientas K U s : K U s Uis /Uin | DS /Us | > 1, kur: Uin UGS - pastovioji jimo tampa. Is (1.294) seka: kai Uin const, pastoviosios tampos stiprinimo koeficientas K didja, didjant maitinimo tampai DS ir mazjant apkrovos rezistoriaus Ra varzai. Akivaizdu, jog bendros istakos schemoje tranzistorius stiprina ir kintamj jimo tamp Uin . Todl yra vedamas diferencialinis tampos stiprinimo koeficientas K u s : K u s Uis /Uin Uis /Uin , kur: Uis

U s

(1.295)

kai UGS const,

(1.296)

- kintamoji tampa isjime ,,Uis" (1.94 pav.), o slyga UGS const nurodo

tranzistoriaus veikos task jo apkrovos Ra tiesje, pvz. taske "c" (1.95 pav.). 131

Is (1.294) ir (1.296) bei tapatybs UGS Uin randame: K u s Ra I D max

DS /{Us

+ Ra I D max [ 1 (UGS /Us )]} 2. (1.297)

Is (1.297) paskaiciuotos grafins priklausomybs K u s (UGS /Us ) ir K u s ( Ra ), esant sioms vertms: Ra 0,1; 1 k; I D max 10 mA; pateiktos 1.96 pav. a ir b, atitinkamai. Kus 100 60 20 0 Ra = 1 k Ra = 100 0,2 0,6 a K u s ( Ra ) ( b), kai: Ra 0,1; 1 k; I D max 10 mA; UGS /Us 0; < 0 1 UGS /Us Kus 2,5 UGS < 0 1,5 0,5 0 Ra m 1 b 2 Ra, k UGS = 0

DS

10 V; Us 1 V; UGS /Us 0; < 0, yra

1.96 pav. Is (1.297) paskaiciuotos BI schemoje priklausomybs K u s (UGS /Us ) (a) ir

DS

10 V; Us 1 V;

Priklausomybje K u s (UGS /Us) (1.96 pav. a) matome zym K u s padidjim, kai varza Ra 1 k ir UGS Us. Tai paaiskinama tuo, jog tranzistoriaus varzos R DS s pokytis R DS s (1.93 pav. a) santykinai padidja daugiau uz mazjancios srovs I D pokyt I D, kai pokytis UGS const, ir zinant, kad Uis I D R DS s. Taciau akivaizdu: kai UGS Us, isjimo signalo Uis amplitud Uis o 0 ir todl K u s 0 ( brksnin-taskin linija 1.96 pav. a yra gauta, padauginus K K u s 20. Is 1.96 pav. b matome, jog priklausomyb K u s ( R a ) turi aiskiai isreikst maksimumo vert, t. y. turi rezonansins kreivs pavidal. Didjant tampos UGS moduliui (UGS > 0), koeficiento K

u s u s

(1.297) is [ 1 (UGS /U s )]

1/2

). Todl, kaip ir bendros uztros

schemoje, tranzistoriaus tampa UGS dazniausiai yra parenkama taip: UGS ·0,8 Us ir todl

( Ra ) maksimumo verts didis didja ir slenka desin ( prie didesni Ra

verci ). Koeficiento K u s ( Ra ) maksimumo vert K u s max atitinkanci varzos Ra vert Ra m, surasime is israiskos (1.297) isvestins, prilygin j nuliui: K u s /Ra Ra m I D max

DG /{Us

+ Ra m I D max [ 1 (UGS /Us )} 2 0, 132

'

ir is cia gauname: Ra m Us /{ I D max [1 (UGS /Us )]}. Is (1.297) ir (1.298) randame: K u s max Gauta koeficiento K

u s DS /{4·Us ·[ 1

(1.298)

(UGS /Us )]}.

(1.299)

( Ra ) priklausomyb (1.297) yra paaiskinama tranzistoriaus

isjimo VACh kreivi UGS const seimoje nubrzta apkrovos Ra tiese (1.95 pav.) ir jos elgesiu, kintant apkrovos varzai Ra. Tarkime, jog tranzistoriaus veikos taskas, parenkant uztros tamp UGS 0, randasi taske "c". Didinant rezistoriaus Ra varz, kai yra islaikomos slygos: Uin UGS const ir DS const, apkrovos ties Ra sukasi pries laikrodzio rodykl apie tranzistoriaus veikos task "a" ir to paskoje pokytis UDS Uis isjimo VACh ssmaukos srityje iki linijos Uk didja, o tuo paciu didja ir K u s. Tranzistoriaus veikos taskui kirtus linij Uk ir patekus VACh pradin srit, pokytis Uis mazja ir artja prie nulio, o tuo paciu mazja ir K u s 0. Mazinant Ra, apkrovos ties Ra sukasi pagal laikrodzio rodykl apie tranzistoriaus veikos task "a" ir to paskoje pokytis UDG Uis ssmaukos srityje mazja ir artja prie nulio, o tuo paciu mazja ir K u g 0. Taigi parodme, jog K u s K u s max, kai tranzistoriaus veikos taskas parenkamas arti linijos Uk, t. y. riboje tarp isjimo VACh pradins ir ssmaukos srici. Parodme, jog bendros istakos schemoje (1.85 pav. b) tranzistorius stiprina tamp ( K U s, u s 1) ir srov ( K I s, i s ). Sioje jungimo grandinje tranzistoriaus jimo varzos yra: R GS s ir r GS s , kai yra tenkinama slyga (1.254). Tuo tarpu isjimo varza R DS s pastoviajai srovei yra funkcija nuo uztros tampos UGS (1.289) ir kinta nuo maziausios verts R DS s min Us /I D max, kai UGS 0 ir UDS Us , iki , kai UGS Us, t. y. tranzistorius elgiasi kaip tampa Uin UGS valdomas kintamasis rezistorius ( potenciometras ). Bendros istakos schemoje tranzistoriaus diferencialins isjimo varzos r DS s priklausomyb nuo tampos UDS (1.93 pav. b) yra analogiska bendros uztros schemoje stebimai priklausomybei r DG g (UDG ) (1.88 pav., b). Parodme, jog bendros istakos schemoje tranzistorius stiprina tamp ir srov, todl surasime galios stiprinimo koeficientus: K P s - pastoviajai srovei ir K p s - kintamajai srovei ( cia kai ir anksciau yra priimta, kad kintamojo signalo atveju daznis yra pakankamai mazas, kai galima nepaisyti uztros talpos slinkties srovs ): K P s Pis /Pin, K p s Pis /Pin , (1.300) 133

kur: Pin I in·Uin , Pis I is·Uis , Pin I in ·Uin , Pis I is ·Uis . Is (1.300) ir tapatybi: I is I D ir I in I G, bei pasinaudoj (1.280), (1.295) ir (1.296), randame: K P s K I s·K U s , nes K I s . Analogiskai, gauname: K p s K i s·K u s , nes K i s . Bendros santakos schemoje (BS) (1.85 pav. c) jimo srov yra I G, o isjimo- I S. Todl sios grandins pastoviosios ir kintamosios ( tenkina slyg (1.254)) srovi perdavimo koeficientai K I d ir K i d, atitinkamai, yra uzrasomi taip : K I d I S /I G , nes priimame I G 0 ir tuo paciu I G 0 (1.254). Bendros santakos grandinje (1.85 pav. c) tranzistoriaus veikai nusakyti taip pat yra naudojamos: perdavimo charakteristika- I S (UGD ), esant uzduotai USD const; isjimo VACh- I S (USD ), esant uzduotai UGD const. Lauko tranzistoriaus kanalas dazniausiai yra simetrinis santakos D ir istakos S atzvilgiu, o istakos ir santakos pastoviosioms ir kintamosioms srovms, esant slygai (1.254), galioja lygyb: I S I D (1.253). Todl akivaizdu, jog visos gautos formuls (1.280) (1.302) ir tranzistoriaus veikos aprasymas bendros istakos schemoje tinka bendros santakos grandinei su apkrovos rezistoriumi Ra istakos grandinje, pakeitus atitinkam dydzi raidin indeksacij. Taciau situacija pasikeicia is esms, jungus zemint apkrovos rezistori Ra istakos grandinje, o santakos grandinje jungus pastoviosios maitinimo tampos saltin K i d I S /I G , (1.303) (1.302) (1.301)

D

(1.97 pav.)- istakinis kartotuvas (IK). Siuo atveju, kaip ir dvipolio tranzistoriaus bendro kolektoriaus schemoje (1.65 pav.) su jungtu nezemintu apkrovos rezistoriumi Ra emiterio grandinje, tampa UGS, analogiskai tampai UBE (1.182), yra funkcija nuo jimo ir isjimo tamp UG ir Uis, atitinkamai: UGS UG Uis. (1.304)

Akivaizdu, kad siuo atveju bendros santakos schemoje su zemintu apkrovos 134

IG UG

T G

D R DS s S

D

­

Uis Ra

IS

1.97 pav. Istakinio kartotuvo (IK) grandin su n- kanalo atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus T varziniu ekvivalentu R DS s rezistoriumi Ra ( istakinis kartotuvas ) istakos grandinje tranzistoriaus jimo varza R

GD d

pastoviajai srovei ir diferencialin jimo varza r GD d kintamajai srovei islieka nepakitusios: R GD d UG/I G , r GD d UG ~ /I G ~ , nes priimame I G 0 ir I G ~ 0. Skirtingai nuo anksciau isnagrint grandini, bendros santakos schemoje su zemintu apkrovos rezistoriumi Ra istakos grandinje (IK) (1.97 pav.), isjimo tampa Uis nra lygi tampai UDS tarp tranzistoriaus santakos ir istakos. Siuo atveju isjimo tampa yra: Uis I S·R S. (1.306) kai UDS const,

(1.305)

Istakos srov I S isjimo VACh pradinje dalyje, kai UDS Uk |Us | |UGS | 0, analogiskai (1.284), yra isreiskiama taip: I S I S max 2·(|Us | |UGS |)·|UDS | UDS 2 /Us2 I S max ( 2·|Uk |·UDS | UDS 2 )/Us2, kur: 0 Uk Us . Akivaizdu, jog analogiskai bendros istakos grandinei (1.94 pav.), bendros santakos schemoje su zemintu apkrovos rezistoriumi Ra istakos grandinje (IK) tamp ir srovi vertes tranzistoriuje galima isreiksti pasinaudojus isjimo VACh (1.95 pav.) su joje nubrzta apkrovos Ra tiese (1.98 pav.). Is 1.98 pav. matome, jog siuo atveju yra pakeistas pastoviosios tampos Uis atskaitos taskas, nes tai leidzia grafiskai nustatyti tranzistoriaus T santakos D tamp UDS atzvilgiu 135 (1.307)

IS I S max I S max IS Ra Uk s c b UG a 0 Uis Uis UGS = 0 UG = 0 (UGS < 0) UG < 0 UG = Us UDS

D

1.98 pav. Istakinio kartotuvo (IK) grandinje jungto n- kanalo atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus isjimo VACh su joje nubrzta apkrovos Ra tiese ( brksniuota linija ) istakos S, kai nei vienas is tranzistoriaus isvad ( kontakt ) nra zemintas. Tegul tranzistoriaus T uztra G (1.97 pav.) yra atjungta nuo tampos saltinio UG ir yra sujungta su istaku S, t. y. sudarytas trumpasis jungimas tarp uztros ir istakos. Todl, esant siai slygai, prie bet koki tampai

D ir Ra verci uztros tampa UGS 0. Siuo atveju, kintant

DS ir varzai Ra, tranzistoriaus veikos taskas juds tik isjimo VACh kreive UGS 0

(1.98 pav.). Sios kreivs ir apkrovos Ra tiess susikirtimo taskas vienareiksmiskai nusako tamp UDS ir srov I S, o tuo paciu ir pastovij isjimo tamp Uis (1.306). Is (1.306) bei (1.307), kai UGS 0, galima uzrasyti: Uis Ra I S max |UDS | ( 2·|Us | |UDS |)/Us2, kur: |UDS | |Uk | |Us |. israisk (1.308) stat akivaizdzi tapatyb- UDS (1.308)

D Uis, gauname kvadratin

lygt ieskomos pastoviosios tampos Uis atzvilgiu, kuri issprend randame: Uis D Us2/( I S max·Ra ) |Us | + + {[ D Us2/( I S max Ra ) |Us |] 2 2·|Us |·| D | D2 1/2. (1.309) Sioje lygtyje maitinimo saltinio tampos D ir varzos Ra verts turi tenkinti si slyg: |Uis | D |Us |, t. y. tranzistoriaus veikos taskas neturi patekti isjimo VACh ssmaukos srit. 136

Normalioje veikoje tranzistoriaus T uztra G yra prijungta prie tampos saltinio UG (1.97 pav.). Esant siam jungimui prie bet koki jimo tampos UG verci (1.304) uztros tampa UGS 0 (UGS 0). Kai UG 0, per tranzistori teka srov I S 0 ir uztros tampa UGS Uis (1.304). Matome, jog isjimo tampa Uis pridaro tranzistori ir jo veikos taskas pasislenka apkrovos tiese Ra zemyn, pvz. task "b" (1.98 pav.). Nusistovjusi tamp Uis surasime issprend si lygci sistem: I S I *S max UDS /Ra, I S I S max 2·(|Us | |Uis |)·|UDS | UDS2 /Us2 (1.310) (1.311) (1.312)

D UDS Uis,

kur: I *S max D /Ra ( sios lygtys atitinka: apkrovos Ra ties (1.292); tranzistoriaus isjimo VACh kreiv (1.307) taske "b", pakeitus tamp UGS Uis; bei akivaizdzi tamp tapatyb; atitinkamai). Parasytoje lygci sistemoje (1.310) (1.312) antroji lygtis (1.311) yra uzrasyta apitiksliai, nes tranzistoriaus veikos taskas nusistovi arti linijos Uk (1.98 pav.) isjimo VACh ssmaukos srityje. Issprend (1.310) ÷ (1.312), randame: Uis |Us2/( 2·I S max·Ra ) |Us | {[Us2/(2·I S max·Ra ) |Us |] 2 2·|Us |· D D2 }1/2|, (1.313) nes Uis 0 ir turi bti tenkinama slyga: Uis 0, kai D 0. Kai |UG | 0, tampa UGS yra tamp UG ir Uis suma (1.304), nes UG 0, o Uis 0. Todl didjant |UG |, tranzistorius vis labiau pridaromas, ko paskoje isjimo tampa Uis 0, nes I S 0. Akivaizdu, kad Uis 0, kai UGS UG Uis Us ir is cia: UG Us (1.98 pav.). Isjimo tampos Uis priklausomyb nuo UG surasime is sios lygci sistemos: I S I *S max UDS /Ra, I S I S max 2·|Us | (|UG | Uis )·|UDS | UDS2/Us2, ir akivaizdzios tapatybs (1.312), kurias issprend randame: Uis |Us2/( 2·I S max·Ra ) (|Us | |UG |) Us2/( 2·I S max·R a ) (|Us | |UG |) 2 2· D ·(|Us | |UG |) D21/2|, (1.316) (1.314) (1.315)

137

nes Uis 0 ir turi bti tenkinama slyga: Uis 0, kai D 0. Gautose israiskose (1.313) ir (1.316) tamp UG ir D bei varzos Ra verts turi tenkinti si slyg: |Uis | |Uk | |Us |, nes tranzistoriaus veikos taskas neturi patekti isjimo VACh ssmaukos srit. Norint gauti isjimo tampos Uis priklausomyb nuo UG visose tranzistoriaus isjimo VACh srityse, btina turti piln analizin isjimo VACh israisk. Dvipolio tranzistoriaus atveju jimo-isjimo VACh bei perdavimo charakteristik apraso Eberso-Molo lygci sistema (1.117). Tuo tarpu vienpolio tranzistorius atveju tokios bendros analizins israiskos nra. Siuo atveju turime dvejas atskiras israiskas, aprasancias lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristik ((1.256), (1.281)) bei isjimo VACh pradin srit ((1.259), (1.284)) vairiuose tranzistoriaus jungimo schemose. Taciau daznai si lygci pakanka nagrinjant pagrindines lauko tranzistoriaus charakteristikas ir savybes vairiuose jungimo grandinse. Bendros santakos schemoje su zemintu apkrovos rezistoriumi Ra istakos grandinje (IK) (1.97 pav.) surasime vienpolio tranzistoriaus kintamosios jimo tampos Uin diferencialin tampos stiprinimo koeficient K *u d, kai yra tenkinama slyga- I G ~ I s 0: K *u d Uis /Uin Uis /Uin , kai UG const, (1.317)

kur: Uis - kintamoji tampa schemos isjime "Uis" (1.97 pav.), o slyga UG const nurodo tranzistoriaus veikos task jo apkrovos Ra tiesje, pvz. taske "c" (1.98 pav.), kuris, parenkant pvz. maitinimo saltinio tamp D, nustatomas isjimo VACh pradinje srityje arti linijos Uk. Is (1.316) ir (1.317) bei tapatybs UG Uin randame: K *u d 1 [Us2/( 2·I S max·R a ) (|Us | |UG|) | D ]/ /[Us2/( 2·I S max·R a ) (|Us | |UG|)] 2 2· D ·(|Us | |UG|) D2 1/2. (1.318) Is gautos K *u d israiskos (1.318) matome, jog antroji formuls funkcin dalis visada mazesn arba lygi vienetui. Todl | K *u d | 1. Taigi, parodme, kad bendros santakos schema su zemintu apkrovos rezistoriumi Ra istakos grandinje (IK) (1.97 pav.), kaip ir dvipolis tranzistorius bendro kolektoriaus grandinje (1.65 pav.), tampos nestiprina. Kita vertus si isvada akivaizdziai seka ir is formuli (1.304) ir (1.317), nes UG uzrasyti: K *u d Uis /(Uis + UGS ) 1. (1.319)

Uin

ir todl galima

138

Tegul UG 0. Siuo atveju UGS Uis (1.304) ir tranzistoriaus veikos taskas randasi isjimo VACh ssmaukos srityje arti linijos Uk Us, pvz. taske "b" (1.98 pav.). Kai pastovioji jimo tampa UG 0 ir savo moduliu didja ( UG 0 ), pastovioji istakos srov I S 0 ir jos modulis mazja ( I S 0 ). Todl tranzistoriaus veikos taskas slenka apkrovos Ra tiese zemyn, o pastovioji isjimo tampa Uis taip pat mazja ir artja prie nulio (1.316). Taigi, isjimo tampos pokytis Uis 0 ir savo zenklu sutampa su jimo tampos pokyciu UG 0. Is cia seka, jog IK schemoje tranzistoriaus kintamosios isjimo tampos Uis

pokycio Uis

faz is sutampa su kintamosios jimo tampos Uin pokycio Uin UG faze in. Todl lauko tranzistorius IK schemoje (1.97 pav.), kaip ir dvipolis tranzistorius bendro kolektoriaus (BK) grandinje (1.65 pav. a) bei emiterinio kartotuvo (EK) schemoje (1.65 pav. b), jimo signalo fazs nesuka- is in 0. Uzdarytieji n- ir p- kanalo tranzistoriai su p-n sandros uztra ( n- arba p- kanalo uzdarytasis sandrinis lauko tranzistorius (1.84 pav. c ir d (c ir d )) savo savybmis atitinka indukuoto n- ir p- kanalo MOP tranzistori (1.84 pav. g ir h (g ir h )) elektrins savybes ir charakteristikas, kurie yra isnagrinti toliau siame skyriuje. Cia pastebsime, jog uzdarytojo sandrinis lauko tranzistorius kanalas, kai uztros tampa UG = 0, yra uzdarytas, o atidarytojo sandrinis lauko tranzistorius kanalas- atidarytas, kas ir slygoja j pavadinimus. terpto n- ir p- kanalo MOP tranzistori (1.84 pav. e ir f (e ir f

)) elektrins

savybs ir charakteristikos atitinka anksciau aprasyt n- ir p- kanalo sandrini lauko tranzistori elektrines charakteristikas ir savybes, atitinkamai. Pagrindinis skirtumas yra tai, jog terpto kanalo MOP tranzistori uztros tampa UG bei kanalo tampa UDS tarp santakos ir istakos isvad gali bti abiej poliaringum: " " arba " ", kai tuo tarpu sandrini lauko tranzistori tik tokio poliaringumo, kuriam esant atzvilgiu bendrojo ( zeminto ) tranzistoriaus isvado yra sudaroma atgalin tampos kryptis uztros p-n sandroje. Todl bendros istakos schemoje terpto n- arba p- kanalo MOP tranzistoriaus perdavimo charakteristika I D (UGS ), kai UGS Us , analogiskai (1.281), yra aprasoma sia aproksimacija: I D I D max·[ 1 (UGS /Us )] 2, (1.320)

kur zenklas "" arba "" yra rasomas priklausomai nuo tampos UDS poliaringumo, atitinkamai. Jau minjome, jog terpto kanalo MOP tranzistori uztros tampa UG taip pat gali bti abiej poliaringum- "" arba "". Taciau israiskos (1.320) skliaustuose yra parasytas tik zenklas "", nes tai atitinka normali tranzistoriaus veik, nepriklausomai nuo kanalo tipo: n- arba p- kanalui. Normalioje tranzistoriaus veikoje, esant tampai UGS 0, tranzistorius yra atidarytas, o kai UGS Us, tranzistorius yra uzdarytas. Kai UGS 0, esant n- kanalui, arba 139

UGS 0, esant p- kanalui, santakos srov I

D

I

D max

. Taciau si veika nra placiai

naudojama, nes sioje perdavimo charakteristikos srityje tranzistoriaus statumas S yra mazas ir didjant tampai UG statumo S vert sparciai artja nul. Indukuoto n- ir p- kanalo MOP tranzistori (1.84 pav. g ir h (g ir h )) elektrins savybs ir charakteristikos skiriasi nuo anksciau aprasyt atidarytj n- ir p- kanalo sandrini lauko tranzistori elektrini charakteristik ir savybi. Pagrindinis skirtumas yra tame, jog indukuoto kanalo MOP tranzistorius pradeda veikti tik tada, kai pastovioji uztros tampa UG virsija slenkstin tamp Us (UG Us ). Todl si tranzistori uztros tampa UG, kaip ir sandrini lauko tranzistori, gali bti tik vieno poliaringumo. Tuo tarpu indukuoto kanalo MOP tranzistori tampa UDS tarp santakos ir istakos isvad, kaip ir terpto kanalo MOP tranzistori, gali bti abiej poliaringum: " " arba " ". 1.99 pav. a ir b yra parodytos bendros istakos (BI) schemoje indukuoto n- kanalo MOP tranzistoriaus perdavimo charakteristika I

D

(UGS ) bei isjimo VACh, atitinkamai, o

1.100 pav.- indukuoto p- kanalo MOP tranzistoriaus bendros istakos (BI) schemoje perdavimo charakteristika I D (UGS ) bei isjimo VACh, atitinkamai. ID I D max UDS2 > UDS1 > 0 0,1·I D max 0 Us a 2·Us UGS 0 UDS ID ID Uk

UGS > 2·Us UGS = 2·Us UGS < 2·Us UGS = Us UDS b

1.99 pav. Bendros istakos (BI) schemoje jungto indukuoto n- kanalo MOP tranzistoriaus perdavimo charakteristika I D (UGS ) (a) bei isjimo VACh ( b) 1.99 pav. a ir 1.100 pav. a parodytas bendros istakos schemoje indukuoto n- ir pkanalo MOP tranzistoriaus perdavimo charakteristik galima aproksimuoti taip: I D I D max·[ 1 ( 2·Us UGS )/Us )] 2, (1.321)

kur: UGS Us , o zenklas "" arba "" yra rasomas priklausomai nuo tampos UDS poliaringumo, atitinkamai. Kai tampa UGS 2·Us , israiskos (1.321) paprastuose skliaustuose esantis narys tampa neigiamas ir srov I D I D max . Todl santakos srov I D max, kuri atitinka uztros

140

ID UDS2 > UDS1 > 0

ID I D max I D

Uk

UGS < 2·Us UGS = 2·Us UGS > 2·U s UGS = Us

0,1·I D max 2·Us Us a 0 UGS 0 UDS b

UDS

1.100 pav. Bendros istakos (BI) schemoje jungto indukuoto p- kanalo MOP tranzistoriaus perdavimo charakteristika I D (UGS ) (a) bei isjimo VACh ( b) tamp UGS 2·Us , nra didziausia leistina terpto kanalo MOP tranzistoriaus santakos srov ir israiskoje (1.321) vietoje I

D max

tikslinga rasyti I

D o,

o did I I

D o.

D max

vartoti kaip

maksimalios santakos srovs parametr, nes dazniausiai I

D max

Kita vertus terpto

kanalo MOP tranzistoriaus veika, kai UGS 2·Us , nra placiai naudojama, nes sioje perdavimo charakteristikos srityje tranzistoriaus statumas S yra santykinai mazas ir uztros tampai UGS virsijus 2·Us ir toliau didjant, statumo S vert sparciai artja nul. Akivaizdu, jog uztros tamp srityje: 2·Us UGS Us , indukuoto n- ir p- kanalo MOP tranzistori (1.84 pav. g ir h (g ir h )) elektrins savybs ir charakteristikos ( jimo bei isjimo varzos, tampos, srovs bei galios stiprinimo-perdavimo koeficientai ) vairiuose jungimo schemose atitinka anksciau aprasyt atidarytj n- ir p- kanalo sandrini lauko tranzistori elektrines charakteristikas ir savybes ( jimo bei isjimo varzos, tampos, srovs bei galios stiprinimo-perdavimo koeficientai ) atitinkamose jungimo grandinse. Cia pastebsime, jog uzdarytj n- ir p- kanalo sandrini lauko tranzistori VACh sutampa su atitinkamomis indukuoto n- ir p- kanalo MOP tranzistori VACh. 1.3.2.1 Vienpolio tranzistoriaus fizikiniai veikos principai Analogiskai anksciau isnagrint puslaidininkinio diodo bei dvipolio tranzistoriaus atvejais, be pagrindini elektrini vienpolio tranzistoriaus charakteristik ir savybi, btina zinoti vienpolio tranzistoriaus fizikinius veikos principus. Vienpolis tranzistorius yra sudarytas is kanalo ir j valdancios uztros. Priklausomai nuo lauko tranzistoriaus uztros bei kanalo konstrukcijos, 1.84 pav. yra parodytos tranzistori

141

klasifikacijos atskiras grupes. Todl pirmiausia isnagrinsime atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus, pvz. n- kanalo (1.84 pav. a ir b (a ir b )), veikos fizik. Tipinis atidarytojo sandrinio n- kanalo lauko tranzistoriaus planariosios ( pavirsins) konstrukcijos pjvis yra parodytas 1.101 pav. a. S

n+

G

p+ n Padklas

D

n+

S

n+ n

G

p+

D

n+

Padklas

a

b

1.101 pav. Atidarytojo (a) ir uzdarytojo ( b) sandrinio n- kanalo lauko tranzistoriaus planariosios ( pavirsins) konstrukcijos pjvis Is 1.101 pav. a matome, jog ant elektrai nelaidaus padklo, pvz. dielektriko, yra suformuotas n- puslaidininkio sluoksnis, kuriame vienu is zinom bd yra suformuotos dvi n+- sritys ir tarp j terpta p+- sritis, bei ominiai kontaktai prie j. Viena is n+- srici yra istakas S, o kita- santakas D. Cia p+-n sandra yra tranzistoriaus uztra G. Betarpiskai po uztros p+- sritimi esanti n- puslaidininkio sritis yra vadinama kanalu. Padklas yra padarytas is elektrai nelaidzios medziagos, pvz. dielektriko arba p- puslaidininkio. Antruoju atveju tarp uztros G ir p- puslaidininkinio padklo susidaro parazitinis p+-n-p dvipolis tranzistorius, kuris gali slygoti neigiam tak sandrinio tranzistoriaus veikai. Uztros p-sritis yra daroma stipriai legiruota, t. y. p+ >> n. Todl nuskurdinta p+-n sandros sritis (1.101 pav. brksniuota linija) randasi maziau priemaisomis legiruotame puslaidininkyje (1.38), siuo atveju n- srityje, t. y. tranzistoriaus kanale. Kanal legiruojanci priemais tankis N d, a ir jo storis W k (atstumas tarp uztros p+- srities ir padklo) yra parenkami taip, jog esant neutraliai situacijai (nra prijungta isorini tamp ) nuskurdintos p+-n sandros srities storis d slyg (1.39): d k o [ o k /(q N a, d )] 1/2 0,1·W k, (1.322)

k

kanale tenkint si

kur: d k o - nuskurdintos p+-n sandros srities storio d k vert kanale, kai UGS 0 ir UDS 0. Kita atidarytojo sandrinio tranzistoriaus efektyvios veikos slyga yra si: d k max [ o ( k + Us )/(q N a, d )] 1/2 W k, kur: d

k max

(1.323) vert kanale, kai yra

- maksimali nuskurdintos p+-n sandros srities storio d

max

k

tenkinama si slyga: Us Upn pramusimo tampa.

- atgalin kryptimi jungtos uztros p+-n sandros 142

Anksciau parodme, jog pagrindin vienpolio tranzistoriaus savyb yra jo santakos D srovs I D priklausomyb nuo uztros G tampos UGS (1.252). Si priklausomyb apsprendzia tranzistoriaus kanalo varzos R k tarp santakos D ir istakos S kaita nuo tampos UGS (1.289). Todl is pradzi surasime priklausomyb R k (UGS ), kai tampa UDS 0. Tuo tikslu 1.102 pav. a yra parodytos uztros nuskurdintos p+-n sandros srities bsenos atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus kanale, kai: UGS 0 (A* ), Us UGS 0 ( B* ) ir UGS Us (C* ). UDS 0

0 UGS Us S

n+

A

*

G

p+ n

B C

*

*

D

n+

dk

Wk

Padklas

Lk a S

n+

UDS 0 ID D

n+

UGS 0 A* G

p+ n

B*

dk

Wk

Padklas

C*

Lk b

1.102 pav. Uztros G nuskurdintos p+-n sandros srities bsenos atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus kanale, kai: UGS 0 (A* ), Us UGS 0 ( B* ) ir UGS Us (C* ) Is 1.102 pav. a matome: didjant UGS moduliui UGS , nuskurdinta p+-n sandros sritis kanale pleciasi. Todl kanalas siaurja ir uztros tampai UGS pasiekus slyg: UGS Us, nuskurdinta p+-n sandros sritis kanale pilnai j uzdaro. Kanalo storis h k tarp nuskurdintos p+-n sandros srities ir padklo yra: 143

h k W k d k, kur nuskurdintos srities stor d k, analogiskai (1.42), galima uzrasyti taip:

(1.324)

d k [ 2 o ( k + UGS )/(q N d )] 1/2 [ 2 o UGS /(q N d )] 1/2. (1.325) Is slygos h

k

0 ir israisk (1.324) bei (1.325) randame tamp Us, kuriai esant

uztros nuskurdinta p+-n sandros sritis susiliecia su padklu (1.102 pav. a (C ), b (B )): 0 W k [ 2 o |Us /(q N d )] 1/2, ir is cia gauname: Us q N d W k2 /( 2 o ). Israisk (1.324), panaudoj (1.325) ir (1.326), galima uzrasyti taip: h k W k [ 1 (UGS /Us ) 1/2 ], kai 0 UGS Us . (1.327) (1.326)

Pasinaudoj (1.327), kai UDS 0, atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus kanalo varz R k isreiskiame taip: R k k L k /( h k L G ) R k o /[ 1 (UGS /Us ) 1/2 ], kai 0 UGS Us , (1.328) kur: R k o k L k /(W k L G )- minimali atidaryto kanalo varza, kai UGS 0 ir UDS 0; k, L k ir L G - kanalo savitoji varza, ilgis ir plotis, atitinkamai. Is (1.328) paskaiciuota priklausomyb R k (UGS ) yra parodyta 1.103 pav. Matome, jog atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus kanalo varza R k , kai UGS Us. Rk

Rko 0 0,4 0,8 UGS /Us

1.103 pav. Is (1.328) paskaiciuota atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus kanalo varzos R k priklausomyb R k (UGS ), kur uztros tampa UGS yra pateikta normuotame mastelyje UGS /Us Kai tampa UDS 0 ir 0 UGS Us, uztros nuskurdintos p+-n sandros srities storis d

k

kanale didja santakos D kryptimi, t. y. gauna pleisto pavidal (1.102 pav. b). Tai 144

paaiskinama tuo, jog dl tekancios per kanal santakos srovs I D, tampa UDS pasiskirsto

isilgai kanalo. Cia kanalo varz R

k

patogu atvaizduoti nuosekliai sujungt N vienodo

nominalo rezistori R k i grandine: R k

R k i. Akivaizdu, kad tampos UDS dalis U1S, kuri

i 1

N

yra tarp istakos S ir kanalo pradzios ( nuskurdintos p+-n sandros srities pradzios ), yra mazesn uz tampos UDS dal U2S, kuri yra tarp istakos S ir kanalo pabaigos ( nuskurdintos p+-n sandros srities pabaigos ), esancios salia santakos D (U2S U1S ). To paskoje atgalin tampa UG ( x ) uztros p+-n sandroje didja santakos D kryptimi ( x kryptimi ) ir todl nuskurdinta p+-n sandros sritis kanale gauna pleisto pavidal (1.102 pav. b). Cia tampos UG vert UG ( x )- tampa tarp uztros metalinio kontakto G ir kanalo tasko x, kuriame yra sujungti ekvivalentiniai kanalo varzos R k rezistoriai R k i ir R k (i + 1), kur x kinta intervale: 0 x L k. Kai UDS 0, formul (1.328) negali bti taikoma. Taciau ji gali bti taikoma labai mazam kanalo ilgiui L k d x- kanalo dalies elementarusis ilgis taske x i, kuriame galima laikyti, jog jo nuskurdintos p+-n sandros srities storis d

k

( x

i

) const. Siuo atveju,

pasinaudoj israiska (1.328), kanalo taske x kanalo dalies d x varz d R k galima isreiksti taip: d R k k d x /(h k ( x )·L G ) {R k o /{L k 1 [(UGS Ux S ( x ))/Us ] 1/2}}·d x, (1.329) kur: Ux S ( x )- tampa kanalo taske x atzvilgiu istakos S, slygota tekancios kanalu santakos D srovs I D. Skirtingai nuo formuls (1.328), israiskoje (1.329) atgalin tampa UG x uztros p+-n sandroje yra isreiksta tamp UGS ir Ux S ( x ) sumos pavidalu. Akivaizdu, kad santakos srov I D visuose kanalo taskuose x yra vienoda. Todl tampa d Ux S ( x ) kanalo elementariajame ilgyje d x yra: d Ux S ( x ) I D·d R k I D R k o /{L k 1 [(UGS Ux S ( x ))/Us ] 1/2}·d x, ir is cia, atskyr kintamuosius, turime: 1 [(UGS Ux S ( x ))/Us ] 1/2·d Ux S ( x ) ( I D R k o /L k )·d x, bei esant sioms krastinms slygoms: kai x 0, Ux S 0 ir kai x L k, Ux S UDS, atlik integravim randame:

U DS

0

1 [(UGS Ux S ( x ))/Us ]

1/2

·d Ux S ( x ) ( I D R k o /L k )·d x,

0

LK

UDS 2·[(UGS UDS ) 3/2 UGS3/2 ]/( 3·U s 1/2 ) I D R k o, ir is cia: 145

I D UDS 2·[UGS 3/2 (UGS UDS ) 3/2 ]/( 3·Us 1/2 )/R k o. (1.330) Gauta israiska (1.330), kaip ir jos aproksimacijos (1.259) ir (1.284), apraso atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus tik isjimo VACh pradin dal (1.92 pav. b), t. y. kai: 0 UDS Uk ir |UGS | |UDS | |Us |. Is cia seka: didjant tampai |UDS |, kai UGS const, tampa Uk nusako situacija, kuomet vyksta nuskurdintos p+-n sandros srities slytis su padklu. Tai yra parodyta 1.102 pav. b, kur situacija A* atitinka slyga: UGS 0 ir 0 |UDS | |Uk |, o situacija B - kai UGS 0 ir UDS Uk. Taigi matome lyg ir paradoksali situacij- didjant tampai |UDS |, srov I D taip pat didja (1.330) (1.92 pav. b), kai tuo tarpu kanalas yra uzdaromas. Tai paaiskinama tuo, jog kanal uzdaranti atgalin tampa UG ( x ) uztros p+-n sandroje yra sukuriama didjancios srovs I D. Todl vyksta savireguliacijos procesas, kurio metu yra apribojamas srovs I D prieaugis I D. Sis prieaugis, didjant tampai |UDS |, mazja ir prie UDS Uk isnyksta ( I D 0). Is cia seka: kai UDS Uk, santakos srov I

D

*

pasiekia maksimali- soties vert I

D s

(1.92 pav. b), kuri randame is (1.330) ir sios

slygos- |UGS | |UDS | |Us | : I D s [Us UGS 2·(UGS 3/2 Us 3/2 )/( 3·Us 1/2 )]/R k o I D s Us /3 UGS ·[ 1 2·(UGS /Us ) 1/2/3]/R k o. (1.331)

Toliau didinant UDS Uk , santakos srov I D I D s const ir turime atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus isjimo VACh ssmaukos srit (1.92 pav. b). Sioje srityje santakos srov I

D

islieka beveik pastovi todl, jog didinant UDS Uk , pleciasi uztros

nuskurdintos p+-n sandros srities slycio su padklu plotas (1.102 pav. b, situacija C* ). To paskoje visas tampos UDS prieaugis UDS yra padidjusioje siauro slycio sluoksnelio varzoje, nes si sritis tarp padklo ir issipltusios nuskurdintos p+-n sandros srities yra kanalo dalis. Kita vertus, akivaizdu, jog siame didels varzos kanalo sektoriuje yra beveik visa tampa UDS. Todl elektrinio lauko stipris E jame yra didziausias. Tuo tarpu is puslaidininki fizikos zinome, kad krvinink judrumas laukuose pradeda mazti:

n, p n, p

priklauso nuo lauko stiprio E ir stipriuose

~ 1/E. Taigi, toliau didinant santako-istako tamp |UDS |,

srovs tankis j D q n n, p E susiaurjusioje kanalo srityje, kurioje uztros nuskurdintos p+-n sandros sritis beveik lieciasi su padklu, islieka pastovus, o tuo paciu ir srov I D const, nes

n, p E const. Is cia seka, jog krvinink dreifinis greitis v n, p n, p E taip pat pasiekia savo

didziausi vert v s - soties greit ir toliau nuo E nebepriklauso (v s const ). Gauta (1.330) israiska yra gana sudtinga ir retai taikoma. Todl dazniausiai yra taikomos israiskos (1.330) aproksimacijos (1.259) ir (1.284), kur I priimame, jog kanalo varza R

k o D max

UDS /R

k o.

Cia

yra daug didesn uz pasyvij kanalo srici varzas. 146

Pasyviosios kanalo sritys randasi tarp kanalo ir istakos bei santakos omini kontakt S ir D, atitinkamai (1.102 pav.). Anksciau vairiose jungimo grandinse radome atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus statumo S israiskas- (1.257) ir (1.282), kai tranzistoriaus veikos taskas yra isjimo VACh pradinje dalyje (UDS Uk ). Todl is gautos priklausomybs I D s (UGS ) (1.331) surandame statumo S VACh ssmaukos srityje: S * [ I D s (UGS )] |UGS I D s /UGS 1 (UGS /Us ) 1/2 /R k o S * 1 (UGS /Us ) 1/2 /R k o . (1.332)

'

*

israisk atidarytojo sandrinio lauko tranzistoriaus isjimo

Is cia matome: S * didziausias prie maz UGS 0. Taciau siuo atveju per atidarytj sandrin lauko tranzistori teka santykinai didel santakos srov I tranzistoriuje issiskiria gana didelis pastovusis galingumas Po I

D D

(1.281). Todl

UDS, o tai energetiniu

poziriu yra nepageidautina. Is cia seka, jog uztros tampa UGS turi bti parenkama is slygos: 0,5 UGS /Us 0,75,·t. y. taip, kad tranzistorius bt pridarytas. Uzdarytojo sandrinio n- kanalo lauko tranzistoriaus planariosios ( pavirsins ) konstrukcijos pjvis yra parodytas 1.101 pav. b, is kur matome jo esmin skirtum nuo atidarytojo sandrinio n- kanalo lauko tranzistoriaus- uzdarytojo sandrinio n- arba p- kanalo lauko tranzistoriaus kanalas yra pilnai uzdarytas, kai UG = 0. Is cia seka, jog kanal legiruojanci priemais tankis N d, a ir jo storis W k ( atstumas tarp uztros p+- arba n+- srities ir padklo ) yra parenkami taip, kad esant neutraliai situacijai ( nra prijungta isorini tamp ) nuskurdintos p+-n arba n+-p sandros srities storis d

k

kanale tenkint priesing nelygybei

(1.322) slyg: d k o [ o k /(q N a, d )] 1/2 W k. Taigi, uztros G tampos UG poliaringumas turi bti toks, kad jos moduliui |UG | didjant, bt atidaroma uztros p+- n arba n+-p sandra: UG 0- n- kanalo atveju ir UG 0- p- kanalo atveju. Uzdarytojo sandrinio n- arba p- kanalo lauko tranzistoriaus VACh atitinka indukuoto n- arba p- kanalo MOP tranzistoriaus VACh (1.99 pav., 1.100 pav.). terpto bei indukuoto n- arba p- kanalo MOP tranzistori planariosios konstrukcijos pjviai, n- kanalo atveju, yra parodyti 1.104 pav. a ir b, atitinkamai. Is 1.104 pav. matome, jog ant pamatins puslaidininkio plokstels ( padklo ) pavirsiaus, pvz. plaidumo, yra vienu is zinom bd suformuotos dvi n+- sritys ir tarp j jas jungianti n- sritis, kai gaminamas terpto kanalo MOP tranzistorius (1.104 pav. a), arba tarpas tarp n+- srici paliekamas nepakits, kai yra gaminamas indukuoto kanalo MOP tranzistorius (1.104 pav. b). Prie n+- srici suformuojami ominiai kontaktai, is kuri vienas yra istakas S, o kitas- santakas 147

S

n+

G

SiO2

D

n+

p a S

n+

n

Si

G

ni

SiO2

D

n+

p

Si

b 1.104 pav. terpto (a) bei indukuoto ( b) n- kanalo MOP tranzistori planariosios konstrukcijos pjviai D. Pamatins puslaidininkio plokstels pavirsius tarp n+- srici yra padengiamas plonu dielektriko sluoksniu, pvz. silicio (Si) technologijoje silicio oksidu (SiO2). Dielektriko pavirsius tarp n+- srici yra padengiamas plonu metalo sluoksniu, prie kurio suformuojamas ominis kontaktas G- tranzistoriaus uztra. Kaip ir sandriniame tranzistoriuje, betarpiskai po uztra G esanti sritis yra vadinama kanalu. Tarp n- (arba n-) ir p- srici susidaro nuskurdinta p-n sritis (1.104 pav. parodyta brksniuota linija). Akivaizdu, jog terpto kanalo MOP tranzistorius (1.104 pav. a) gali veikti prie bet kokio uztros UGS bei santakos UDS tamp poliaringumo. Kai UGS 0, n- kanalo srityje elektronu tankis n n padidja ir todl sumazja kanalo savitoji varza k ir tuo paciu sumazja kanalo varza R k. Ir atvirksciai, kai UGS 0, n- kanalo srityje elektronu tankis n n sumazja ir todl padidja kanalo savitoji varza k ir tuo paciu padidja kanalo varza R k. Taigi, bendros istakos (BI) grandinje terpto n- kanalo MOP tranzistoriaus perdavimo ir isjimo VACh nra tapacios atidarytojo n- kanalo sandrinio tranzistoriaus atitinkamoms charakteristikoms ir yra parodytos 1.105 pav. a ir b, atitinkamai. Is 1.105 pav. a matome: bendros istakos (BI) schemoje terpto n- arba p- kanalo MOP tranzistoriaus perdavimo charakteristika I D (UGS ), kai: 0 |UGS | |Us |, analogiskai (1.281), yra aprasoma sia aproksimacija: I D I D max [ 1 (UGS /Us )] 2, (1.333)

kur: 0 UGS Us, esant n- kanalui ir 0 UGS Us, esant p- kanalui, bei israiskos (1.333) skliaustuose zenklas "" arba "" yra rasomas n- arba p- kanalui, atitinkamai, o zenklas "" arba "" pries skliaustus rasomas priklausomai nuo tampos UDS poliaringumo, atitinkamai. 148

ID IDs UDS2 > U DS1 > 0

ID

Uk

UGS > 0 UGS = 0

I D max I D max Us < UGS < 0 UGS = Us 0 b UDS

Us a

0,1·I D max 0 UGS

1.105 pav. Bendros istakos (BI) grandinje jungto terpto n- kanalo MOP tranzistoriaus perdavimo (a) ir isjimo ( b) VACh Is israiskos (1.333) seka: pasikeitus uztros tampos UGS zenklui (UGS 0 n- kanalo atveju ir UGS 0 p- kanalo atveju), santakos srov | I D | | I D max | (1.105 pav.). Taciau terpto kanalo MOP tranzistoriaus santakos srovs I

D

priklausomyb I

D

(UGS ) sioje perdavimo

charakteristikos srityje skiriasi nuo aproksimacine israiska (1.333) nusakomo dsningumo. Sis skirtumas 1.105 pav. a yra parodytas brksniuota kreive is kur seka: didjant tampos UGS moduliui |UGS |, kai | I D | | I D max |, srov | I D | diddama pasiekia didziausi vert ir toliau nuo uztros tampos UGS nebepriklauso, nes elektron arba skyli tankis n n arba p p, atitinkamai, kanale pasiekia didziausi galim vert. Todl aptartoje perdavimo charakteristikos srityje tranzistoriaus statumas S

s

(1.282) mazja ir jo vert sparciai artja nul. Is cia seka:

normalioje terpto kanalo MOP tranzistoriaus veikoje si perdavimo charakteristikos sritis nenaudojama ir vietoje israiskos (1.333) dazniausiai yra taikoma israiska (1.320). Indukuoto n- arba p- kanalo MOP tranzistori elektrins savybs ir charakteristikos skiriasi nuo anksciau aprasyt atidarytj n- ir p- kanalo sandrini bei terpto kanalo MOP tranzistori elektrini charakteristik ir savybi. Anksciau buvo parodyta, jog pagrindinis skirtumas yra tame, kad indukuoto kanalo MOP tranzistorius pradeda veikti tik uztros tampai |UGS | virsijus slenkstin tamp |Us | (|UGS | |Us |) (1.99 pav. ir 1.100 pav.). Todl si tranzistori uztros tampa UG, kaip ir sandrini lauko tranzistori, gali bti tik vieno poliaringumo. Tuo tarpu indukuoto kanalo MOP tranzistori kanalo tampa tarp santakos ir istakos isvad, kaip ir terpto kanalo MOP tranzistori, gali bti abiej poliaringum- " " arba " ". Tai matyti is indukuoto kanalo MOP tranzistoriaus darinio konstrukcijos (1.104 pav. b). Kai UGS 0 ir |UDS | 0, srov I D 0, nes viena is p-n sandr, nepriklausomai nuo tampos UDS poliaringumo, visada yra jungta atgaline kryptimi. Todl I D I s - atgalin p-n sandros soties srov, kuri dazniausiai yra daug daugiau mazesn uz I D max. Kai |UDS | 0, srov I D 0 ir nesikeicia, kol UGS 0- indukuoto n i- kanalo atveju arba 149

UGS 0- indukuoto p i- kanalo atveju. Taip yra todl, kad uztros tampai UGS esant nurodytais poliaringumais didja pagrindini krvinink, pvz. skyli p- padkle (n i - kanalas) arba elektron n- padkle ( p i - kanalas) tankis p p arba n n, atitinkamai, indukuotame kanale po uztros G elektrodu ( brksnin-taskin linija 1.104 pav. b) ir viena is p-n sandr islieka jungta atgaline kryptimi, nes po uztros elektrodu neatsiranda priesingo laidumo padklui kanalo sluoksnis. Situacija pasikeicia is esms, kai uztros tampa UGS 0 - indukuoto n ikanalo arba UGS 0 - indukuoto p i- kanalo avjais, nes tada, esant siems uztros tampos UGS poliaringumams, didja salutini krvinink, pvz. elektron p- padkle (n i - kanalas) arba skyli n- padkle ( p i - kanalas) tankis n p arba p n, atitinkamai, indukuotame kanale po uztros G elektrodu. Siuo atveju indukuoto kanalo laidumo tipas sutampa su istakos S bei santakos D omini kontakt stipriai legiruot priemaisomis srici n- arba p- laidumo tipu, t. y. priesingas padklo laidumui ir, esant tampai |UDS | 0, santakos srov | I D | 0, nes isnyksta p-n sandros tarp indukuoto kanalo n

i

arba p

i

ir n- arba p- srici, atitinkamai. Taigi,

bendros istakos grandinje indukuoto n i - arba p i - kanalo MOP tranzistoriaus perdavimo ir isjimo VACh atitinka parodytas 1.99 pav. ir 1.100 pav.- a ir b, atitinkamai. Aprasydami MOP tranzistoriaus veik parodme, jog jo elektrines savybes lemia puslaidininkio pavirsiaus fizika. Todl detaliau panagrinsime fizikinius reiskinius MOP (MDP) darinyje. 1.106 pav. yra parodytos energetins diagramos MOP darinyje, t. y. n- kanalo MOP tranzistoriaus uztroje. 1.106 pav. a yra parodyta situacija, kai uztros tampa UGS 0 ir elektron termodinaminio islaisvinimo darbas AM metale (M) yra lygus elektron termodinaminio islaisvinimo darbui AP n- puslaidininkyje (P) ( AM AP ). Todl kontaktinis potencialas

k

0. S MOP darin galima nagrinti kaip plokscij kondensatori, kurio

laidziomis plokstelmis yra metalas M ir puslaidininkis P, atitinkamai. Pridjus tamp UGS 0, t. y. taip, kad "" prie metalo M ir "" prie puslaidininkio P, energetins diagramos MOP darinyje gaus pavidal, parodyt 1.106 pav. b. Matome, kad puslaidininkio pavirsiuje, t. y. jo slytyje su dielektriku (oksidu O), laidumo juostos dugnas

c ir valentins juostos lubos v islinksta taip, jog indukuotas puslaidininkio pavirsiuje

elektrinis laukas Ei stabdyt pagrindini krvinink pritekjim is puslaidininkio gilumos. Todl lauko Ei kryptis yra priesinga pridtam laukui EGS. Is cia seka: puslaidininkio pavirsiaus srityje, esancioje slytyje su dielektriku, laidumo juostoje

c atsiranda potencin

duob, kurioje susikaupia pertekliniai elektronai ir j tankis padidja, o valentinje juostoje

v - potencinis barjeras, kuriame sumazja skyli. Todl indukuot lauk Ei sukuria elektron

150

M O P (n)

Ei

P (n)

c F v

M

O q·UGS

c F v

E GS do

do x a

b

M

O

Ei

P (n) M O

Ei

P (n)

E GS do

c F q·UGS 1 v

E GS do d

c F q·UGS 2 v

pi

c

1.106 pav. Energetins diagramos MOP darinyje: n- kanalo MOP tranzistoriaus uztroje (a- UGS 0, b- UGS 0, c- UGS 1 0, d- UGS 2 UGS 1 ) tankio gradientas, nukreiptas nuo puslaidininkio pavirsiaus, esancio slytyje su dielektriku, EGS ir is cia seka, jog n-puslaidininkio pavirsiaus srityje, esancioje slytyje su dielektriku O, laidumo juostoje

c

atsiranda potencialin duob

c,

kurioje susikaupia pertekliniai

elektronai ir j tankis n n padidja, o valentinje juostoje

v - potencialinis barjeras v,

kuriame sumazja skyli ( c v ) (1.106 pav. b). Todl indukuot elektrin lauk E i n- puslaidininkio pavirsiuje sukuria elektron tankio n n gradientas n n / x, kurio kryptis yra priesinga x- asies krypciai, t. y. nukreiptas is n- puslaidininkio gilumos link pavirsiaus, esancio slytyje su dielektriku O ( cia dl neigiamo elektron krvio j tankio n n gradiento n

n

/ x kryptis sutampa su elektrinio lauko E i kryptimi ). Taigi parodme, jog pridto arba p ) puslaidininkio pavirsiuje padidja ir dl to 151

isorinio lauko EGS poveikyje, kai UGS 0 n- puslaidininkiui arba UGS 0 p- puslaidininkiui, pagrindini krvinink tankis ( n

n p

sumazja puslaidininkio pavirsiaus varza. Kita vertus, pridjus tamp UGS 0, t. y. "" prie metalo M ir "" prie n- puslaidininkio P, MOP darinyje energetins diagramos gaus pavidal, parodyt 1.106 pav. c. Matome, kad n- puslaidininkio P pavirsiuje, t. y. jo slytyje su dielektriku O, laidumo juostos dugnas

c ir valentins juostos lubos v islinksta taip, kad

indukuotas n- puslaidininkio pavirsiuje elektrinis laukas E i stabdyt pagrindini krvinink ( siuo atveju elektron ) nutekjim nuo puslaidininkio pavirsiaus gilum. Todl lauko E i kryptis ir siuo atveju yra priesinga pridtam isoriniam laukui E

GS,

ko paskoje

n- puslaidininkio pavirsinio sluoksnio laidumo juostoje c atsiranda potencinis barjeras c, kuriame sumazja elektron, o valentinje juostoje

v - potencin duob v, kurioje

susikaupia perteklins skyls ir j tankis p n padidja. Cia taip pat indukuot lauk E i sukuria elektron tankio n

n

gradientas n

n

/ x, nukreiptas x- asies kryptimi, t. y. nuo

GS

n- puslaidininkio pavirsiaus gilum. Todl pridto lauko E

poveikyje, kai UGS 0

n- puslaidininkiui arba UGS 0 p- puslaidininkiui, pagrindini krvinink tankis puslaidininkio pavirsiuje sumazja ir to paskoje padidja puslaidininkio pavirsiaus varza. Toliau didinant tampos UGS modul |UGS | yra pasiekiama situacija, kai n- puslaidininkio pavirsiuje draustins energetins juostos

g vidurio linija ( brksniuota-taskin linija 1.106 F, t. y. Fermi lygmuo atsiranda arciau

pav. c ir d ) atsiranda auksciau Fermi lygmens valentins juostos lub

v ir to paskoje salutini krvinink ( skyli ) tankis p n pasidaro

didesnis uz pagrindini krvinink ( elektron ) tank n n n- puslaidininkio pavirsiuje: p n n n, t. y. n- puslaidininkio pavirsiaus laidumo tipas pasikeicia p- tip (1.106 pav. d parodyta brksniuota rodykle ). Si situacija yra vadinama puslaidininkio pavirsiaus laidumo tipo inversija ( apgrza ): is n- p- ir atvirksciai. Is puslaidininki fizikos zinome: isorinis elektrinis laukas E puslaidinink gali prasiskverbti tik iki tam tikro gylio, kur galima nusakyti lauko potencialo ( x ) pasiskirstymu nuo puslaidininkio pavirsiaus ( x 0 ) gilyn jo tr ( x 0 ):

( x ) o·exp ( x /L D ),

(1.334)

kur: L D [ o k T /(q 2 n o )] 1/2 - Debajaus ilgis, nusakantis elektrinio lauko prasiskverbimo gyl puslaidinink, kai lauko potencialas ( x ) x LD sumazja e 2,718... kartus, palyginus su jo verte

o

puslaidininkio pavirsiuje ( x 0 ); n

o

- elektron stacionarus tankis

n- puslaidininkio atveju arba p o - skyli stacionarus tankis p- puslaidininkio atveju. 152

terpto kanalo MOP tranzistoriaus efektyvios veikos uztikrinimui, kanal legiruojanci priemais tankis N d, a k ir kanalo storis W k yra parenkami taip, kad tenkint sias slygas: W k L D [ o k T /(q 2 N d, a k )] 1/2, kur: N a, d pad - legiruojanci priemais tankis padkle. terpto kanalo MOP tranzistoriuje (1.104 pav.) atitinkam puslaidininkini srici legiravimo stipris yra parenkamas taip, kad bt tenkinamos slygos: n >> p ir n > p. Esant sioms slygoms, nuskurdinta p-n sandros sritis ( 1.104 pav. parodyta brksniuota linija ) randasi maziau priemaisomis legiruotame puslaidininkyje (1.38): siuo atveju p- srityje, t. y. tranzistoriaus padkle. Surasime terpto n- kanalo MOP tranzistoriaus (1.104 pav. a) kanalo varzos R

k

N d, a k > N a, d pad,

(1.335)

priklausomyb R k (UGS ), kai tampa UDS 0. Kanalo savitj laidum k galima uzrasyti taip:

k q n |( n o n )|,

kur:

n

(1.336)

o

- elektron judrumas kanale; n - elektron stacionaraus tankio n

pokytis,

atitinkantis |UGS | 0, kai UGS 0. Akivaizdu, jog MOP darin galima nagrinti kaip plokscij kondensatori. Todl elektron stacionaraus tankio n o pokyt n kanale isreiksime per jame indukuot krv Q i ir kanalo tr V k akivaizdzia israiska: n Q i /(q V k ) Q i /(q W k L k L G ), kur krv Q i galima isreiksti per uztros talp C G taip: Q i C G |UGS |, ir is cia bei (1.336) ir (1.337) randame: (1.337)

k q n |[ n o C G |UGS | /(q W k L k L G )]| k o n C G |UGS | /(W k L k L G ), (1.338)

kur: k o q n n o - kanalo savitasis laidumas, kai UGS 0. Slenkstin uztros tamp Us surasime is slygos: k 0, kai UGS Us, ir is cia:

k o n C G |Us | /(W k L k L G ) 0,

ir is cia gauname: Us k o W k L k L G /( n C G ) q n o W k L k L G /C G. Is cia ir (1.338) galima uzrasyti: 153 (1.339)

k [ n C G /(W k L k L G )]·|(|Us | UGS )|,

ir is cia bei zinomos formuls laidininko varzai isreiskiame kanalo varz R k : R k L k /( k W k L G ) L k2/[ n C G |(|Us | UGS )|], (1.340)

kur skliaustuose zenklas "" yra rasomas terpto n- kanalo atveju, o zenklas "" - terpto p- kanalo MOP tranzistoriui, esant siai slygai: 0 |UGS | |Us |. Israiskoje (1.340) gauta kanalo varzos R k priklausomyb R k (UGS ) yra isvesta, esant slygai: UDS 0. Todl joje neskaitytas galimas krvio n (1.336) pasiskirstymas isilgai kanalo, kai |UDS | 0. Siuo atveju, analogiskai sandriniam tranzistoriui, bendros istakos schemoje tampa UG uztroje yra funkcija nuo x ir yra isreiskiama dviej tamp suma: UG ( x ) UGS Ux S ( x ), (1.341)

kur: Ux S ( x ) - tampa kanalo taske x, atzvilgiu istakos S, atsirandanti dl tekancios kanalu santakos srovs I D; UGS - prie uztros prijungto tampos saltinio tampa. Israiskoje (1.341) tampa Ux S ( x ), skirtingai sandrinio tranzistoriaus atvejui, terpto kanalo MOP tranzistoriuje gali bti vairaus poliaringumo- "" arba "", t. y. atitinkanti tampos UDS poliaringum. Kai tampa |UDS | 0 ir 0 |UGS | |Us |, uztros tampos UG ( x ) poveikyje terptame kanale nusistovi savitojo laidumo

k

pasiskirstymas k ( x ), t. y. x- asies kryptimi isilgai

kanalo nuo istakos S link santakos D. Tai paaiskinama tuo, jog dl tekancios per kanal santakos srovs I D tampa UDS pasiskirsto isilgai kanalo ir todl tampa UG ( x ) yra skirtinga, skirtingose terpto kanalo sritie taskuose x, t. y. turime funkcij UG ( x ) (1.341). Todl, kai |UDS | 0, formul (1.340) negali bti taikoma. Taciau ji gali bti taikoma labai mazam kanalo ilgiui L k d x - kanalo srities atitinkamos dalies elementarusis ilgis, kuriame galima laikyti, jog jo taske x i savitasis laidumas k ( x i ) const. Pasinaudoj israiskomis (1.340) ir (1.341), terpto kanalo taske x ilgio dalies d x varz d R k galima uzrasyti taip: d R k d x /( k ( x )·W k L G ) L k d x /( n C G |Us | UG ( x )) d R k L k d x /{ n C G ||Us | (UGS Ux S ( x ))|}, (1.342)

kur zenklas "" yra rasomas terpto n- kanalo atveju, o zenklas "" - terpto p- kanalo MOP tranzistoriui, esant siai slygai: 0 |UGS | |Us |. Akivaizdu, kad srov I D visuose terpto kanalo taskuose x yra vienoda, todl tampa dUx S ( x ) kanalo elementariame ilgyje d x yra:

154

dUx S ( x ) I D·d R k I D L k /{ n C G |Us | (UGS Ux S ( x ))}·d x, ir is cia, atskyr kintamuosius, galime uzrasyti: |Us | (UGS Ux S ( x ))·dUx S ( x ) [I D L k /( n C G )]·d x, bei esant sioms krastinms slygoms: kai x 0, Ux S 0, kai x L k, Ux S UDS, atlik sios israiskos integravim randame:

UDS

0

|Us | (UGS Ux S ( x ))·dUx S ( x ) [ I D L k /( n C G )]·d x,

0

LK

|Us | (UGS UDS /2)·|UDS | I D L k2 /( n C G ), ir is cia gauname: I D ( n C G /L k2 )·|U s | (UGS UDS /2)·|UDS |. (1.343)

Si israiska, kaip ir jos aproksimacija (1.333), apraso tik terpto kanalo MOP tranzistoriaus isjimo VACh pradin dal (1.105 pav. b), kai: 0 |UDS | |Uk | |Us | |UGS | ir 0 |UGS | |UDS | |Us |. Is cia seka: didjant moduliui |UDS |, kai UGS const, tampa Uk nusako situacij, kuomet viename is terpto kanalo task x i savitasis laidumas k (x i ) 0, t. y. kanalas tampa uzdarytu ( tai yra parodyta 1.107 pav. a, kur sviesesns terpto kanalo sritys atitinka mazesn savitj kanalo laidum k ( x )). Akivaizdu, jog tai atitinka analogisk Uk UDS 0 0 UGS Us S

n+

UDS Uk 0 UGS Us

G p a

n

SiO2 D

n+

S

n+

G p b

n

SiO2 D

n+

1.107 pav. terpto n-kanalo MOP tranzistoriaus kanalo task x savitojo laidumo k (x) pasiskirstymas, kur sviesesns terpto kanalo sritys atitinka mazesn savitj kanalo laidum situacij atidarytojo sandrinio tranzistoriaus kanale, kuomet jame vyksta nuskurdintos p+-n sandros srities slytis su padklu (1.102 pav. b situacija B*- kai UGS UDS Uk ). Taigi, terpto kanalo MOP tranzistoriuje matome lyg ir paradoksali situacij- didjant tampos UDS moduliui |UDS |, santakos srov I D taip pat didja (1.343) (1.105 pav. b), kai tuo tarpu terptas 155

kanalas yra uzdaromas. Tai, analogiskai atidarytojo sandrinio tranzistoriaus atvejui, yra paaiskinama tuo, jog kanal uzdaranti tampa UG ( x ) uztroje yra slygojama didjancios srovs I D (1.341). Todl vyksta savireguliacijos procesas, kurio metu didjant tampai |UDS | yra apribojamas srovs I UDS Uk, isnyksta ( I

D

prieaugis I D, kai tuo tarpu uztros tampos saltinio tampa

D

UGS const. Didjant tampai |UDS | srovs I

D

prieaugis I

D

mazja ir, pasiekus vert

D

0 ). Is cia seka: kai UDS Uk, santakos srov I

pasiekia

maksimali- soties vert I D s, kuri randame is (1.343) bei is sios slygos- |UGS UDS | |Us | : I D s [ n C G /(2 L k2 )]·(|Us | UGS ) 2, (1.344)

kur zenklas "" yra rasomas terpto n- kanalo atveju, o zenklas "" - terpto p- kanalo MOP tranzistoriui, esant siai slygai: 0 |UGS | |Us |. Is israiskos (1.344) seka, jog pasikeitus uztros tampos UGS zenklui (UGS 0 n- kanalo atveju ir UGS 0 p- kanalo atveju ) santakos soties srov I D s I D max (1.105 pav.) ir didjant |UGS | sparciai didja. Taciau anksciau parodme, jog terpto kanalo MOP tranzistoriaus santakos srovs I D priklausomyb I D (UGS ) skiriasi nuo aproksimacine israiska (1.333) nusakomo dsningumo ( sis skirtumas 1.105 pav. a yra parodytas brksniuota kreive ) is kur seka: didjant tampai |UGS |, kai I D I D max, srov I D diddama pasiekia didziausi vert I D s ir toliau nuo uztros tampos UGS nebepriklauso, nes elektron arba skyli tankis n n arba p p, atitinkamai, kanale pasiekia didziausi galim vert ). Todl gauta israiska (1.344) taikoma tik esant slygai: 0 |UGS | |Us | ir bendru atveju terpto kanalo MOP tranzistoriui yra uzrasoma taip: I D s [ n C G /(2 L k2 )]·(|Us | |UGS |) 2, kur zenklas "" pries skliaustus atitinka tampos UDS poliaringumo zenkl. Gauta israiska (1.345) apraso bendros istakos grandinje terpto n- ir p- kanalo MOP tranzistoriaus isjimo VACh ssmaukos srityje (1.105 pav. b), kur I tampa |UDS | |Uk |. Sioje isjimo VACh srityje santakos srov I

D D

(1.345)

I

D s

const, kai

didjant |UDS | islieka

pastovi, kai UGS const. Taip yra todl, jog didjant tampai |UDS | |Uk | pleciasi terpto kanalo task x i sritis x i, kurioje savitasis laidumas k ( x i ) 0 (1.107 pav. b). Akivaizdu, kad tai atitinka atidarytojo sandrinio tranzistoriaus uztros p+-n sandros nuskurdintos srities slycio su padklu ploto didjim (1.102 pav. b- situacija C* ). Todl visas tampos UDS prieaugis UDS yra padidjusiame terpto kanalo x i sektoriuje, kuriame savitasis laidumas

k ( x i ) 0. Kita vertus akivaizdu, jog siame x i sektoriuje yra ir beveik visa tampa UDS.

Todl elektrinio lauko stipris E siame kanalo sektoriuje x i yra didziausias. Is puslaidininki fizikos zinome, jog krvinink judrumas n, p priklauso nuo lauko E ir stipriuose laukuose 156

pradeda mazti, nes

n, p

~ 1/E. Taigi, toliau didinant tamp |UDS | |Uk |, terpto kanalo

srityje x i santakos srovs I D tankis j D q n n E ( arba j D q p p E ) islieka pastovus, o tuo paciu ir I D const, nes n, p·E const. Is cia seka, jog krvinink dreifinis greitis vn ( elektron ) ir vp ( skyli ) ( vn, p n, p·E ) taip pat pasiekia savo didziausi vert vs - soties greit, ir toliau nuo didjancio E nebepriklauso ( vs const ). Cia reikia prisimini, jog sis fizikinis reiskinys veikia ir sandrinio tranzistoriaus kanale, kai yra nagrinjama jo isjimo VACh ssmaukos srityje. Taip pat reikia atkreipti dmes tai, kad esant |UDS | |Uk | yra stebimas p-n sandros nuskurdintos srities ( brksniuota linija- 1.107 pav.) pltimasis padkle prie santakos D arba, esant priesingam tampos UDS poliaringumui, prie istakos S. Tai paaiskinama terpto kanalo srities bei padklo prie santakos D ( arba istakos S ) savitojo laidumo mazjimu ( varzos didjimu ). Is gautos priklausomybs (1.345) surasime terpto kanalo MOP tranzistoriaus statumo S * israisk isjimo VACh ssmaukos srityje: S * [I D s (UGS )] |UGS I D s /UGS |( n, p C G /L k2 )·(|Us | |UGS |)|. (1.346) Is cia matome, jog analogiskai atidarytajam sandriniui tranzistoriui (1.332), terpto kanalo MOP tranzistoriaus statumas S * didja, mazjant |UGS | 0. Taciau ir siuo atveju per tranzistori teka santykinai didel santakos srov I D (1.344) ir todl tranzistoriuje issiskiria gana didelis pastovusis galingumas Po I D·UDS, o tai energetiniu poziriu yra nepageidautina. Todl uztros tampos UGS vert yra parenkamas is slygos: 0,5 |UGS | / |Us | 0,75,·t. y. taip, kad terpto kanalo MOP tranzistorius bt pridarytas. Indukuoto kanalo MOP tranzistoriaus (1.104 pav. b) kanalo varzos R k i priklausomyb R k i (UGS ), kai tampa UDS 0, surandame taip pat, kaip ir terpto kanalo MOP tranzistoriaus kanalo varzos priklausomyb R k (UGS ) ((1.336) (1.341)). Taciau siuo atveju indukuotas kanalas atsiranda tik uztros tampai |UGS | virsijus tam tikr vert: |UGS | |Us i |- slenkstin kanalo indukcijos tampa. Pasiekus ir virsijus si tamp, vyksta puslaidininkio pavirsiaus po uztros elektrodu laidumo tipo apgrza. tamp Us

i

'

surasime zinodami, jog uztros tampos UGS tam tikra dalis UO yra

dielektriko sluoksnyje d o (1.106 pav.), o likusi dalis UP siskverbia puslaidinink atstumu L D (1.335) ir is cia seka akivaizdi lygyb: UGS UO UP. Remdamiesi elektros kurso pamatinmis ziniomis galime uzrasyti: UO d o Q i /( o S k ), UP L D Q i /( o S k ), (1.348) 157 (1.347)

kur: S k- kanalo pavirsiaus po uztr plotas; Q i - uztroje bei kanale indukuotas krvis, kur galima isreiksti taip: Q i q·N d, a pad + Q ( p, n ) i, (1.349)

kur: N d, a pad - legiruojanci priemais tankis padkle; Q ( p, n ) i - inversinio sluoksnio ( kanalo ) krvis, slygotas indukuot salutini krvinink. Didjant uztros tampai |UGS | 0, indukuotas krvis Q ( p, n ) i taip pat didja ir kai UGS Us i inversinio sluoksnio krvis Q ( p, n ) i tampa lygus padkl legiruojanci priemais tankio N d, a pad krviui q·N d, a pad. Todl tamp Us i surasime issprend lygci sistem- (1.335), (1.347) (1.349), esant slygai- Q ( p, n ) i q·N d, a pad, ir sio sprendimo isdavoje gauname : Us i UGS d o Q i /( o S ) + L D Q i /( o S ) [ 2 q N d, a pad (d o + L D )]/( o S ). (1.350) Kai |UGS | |Us i | ir UDS 0, indukuoto n- arba p- kanalo MOP tranzistoriaus kanalo savitj laidum k i galima isreiksti taip:

ki q n |ni|

arba

k i q p | p i |,

(1.351)

kur: n, p - elektron arba skyli judrumas indukuotame kanale, atitinkamai; n i, p i elektron arba skyli tankio prieaugis indukuotame kanale, atitinkamai. Akivaizdu, jog MOP darin galima nagrinti kaip plokscij kondensatori ir todl tankio prieaug n i ( arba p i ) isreiksime per puslaidininkio pavirsiuje indukuot salutini krvinink inversin krv Q (p, n) i ir indukuoto kanalo tr V k i taip: n i Q (n) i /(q V k i ) Q (n) i /(q W k i L k L G ), p i Q (p) i /(q V k i ) Q (p) i /(q W k i L k L G ), kur krv Q (n, p) i galima isreiksti per uztros talp C G tokiu bdu: Q (n, p) i C G (|UGS | |Us i |), ir is cia bei (1.351) ir (1.352) randame: kur |UGS | |Us i |,

(1.352)

k i [ n, p C G (|UGS | |Us i |)]/(W k i L k L G ),

kur: |UGS | |Us i |. Is (1.353) ir zinomos formuls varzai uzrasome indukuoto kanalo varza R k i : R k i L k /( k i W k i L G ) L k2/[ n, p C G (|UGS | |Us i |)], kur: |UGS | |Us i |.

(1.353)

(1.354)

158

Indukuoto kanalo varzos R

k i

priklausomyb R

k i

(UGS) (1.354) yra isvesta, esant

slygai: UDS 0. Todl gauta israiska (1.354) neskaito indukuoto salutini krvinink tankio n i arba p i prieaugio n i arba p i (1.352), atitinkamai, galimo pasiskirstymo n i ( x ) arba p

i

( x ) isilgai indukuoto kanalo, kai |UDS | 0. Siuo atveju, kaip ir sandriniame

tranzistoriuje, bendros istakos (BI) schemoje tampa UG ( x ) uztroje yra dviej tamp suma (1.341). Todl indukuoto kanalo taske x ilgio dalies d x varz d R k i galima uzrasyti taip: d R k i d x /( k i ( x )·W k i L G ) L k d x /[ n, p C G (|UG ( x )| |Us i |)] L k d x /[ n, p C G (|UGS | |Ux S ( x )| |Us i |)], kur: |UGS | |Ux S ( x )| |Us i |. Akivaizdu, jog santakos srov I D visuose indukuoto kanalo taskuose x yra vienoda. Todl kanalo elementariajame ilgyje d x tampa d Ux S ( x ) yra: d Ux S ( x ) I D·d R k i I D L k /[ n, p C G (|UGS | |Ux S ( x )| |Us i |)]·d x, ir is cia, atskyr kintamuosius, uzrasome: (|UGS | |Ux S ( x )| |Us i |)·d Ux S ( x ) [ I D L k /( n, p C G )]·d x, bei esant sioms krastinms slygoms: kai x 0, Ux S 0 ir kai x L k, Ux S UDS, atlik sios israiskos integravim, randame:

UDS LK

(1.355)

0

(|UGS | |Ux S ( x )| |Us i |)·dUx S ( x )

0

[ I D L k /( n, p C G )]·d x,

(|UGS | |UDS /2| |Us i |)·|UDS | I D L k2 /( n, p C G ), ir is cia gauname: I D ( n, p C G /L k2 )·(|UGS | |UDS /2| |Us i |)·|U DS |, kur: |UGS | |Us i |. Gauta israiska (1.356) apraso indukuoto kanalo MOP tranzistoriaus isjimo VACh tik pradin dal (1.99 ir 1.100 pav. b), kai 0 |UDS | |Uk | |UGS | |Us i | ir |UGS UDS | |Us i |. Is cia seka: didjant tampos UDS moduliui |UDS |, kai UGS const, tampa Uk nusako situacija, kuomet viename is indukuoto kanalo task x i savitasis laidumas k i ( x i ) 0, t. y. isnyksta dalis indukuoto kanalo ( si situacij yra parodyt 1.107 pav. a ). Akivaizdu, jog tai atitinka situacij atidarytajame sandriniame tranzistoriuje, kuomet vyksta p+-n sandros nuskurdintos srities slytis su padklu (1.102 pav. b- situacija B*, kai |UGS UDS | |Uk |). 159 (1.356)

Taigi, indukuoto kanalo MOP tranzistoriuje matome lyg ir paradoksali situacij- didjant tampai |UDS |, santakos srov |I D | taip pat didja (1.356) (1.99 pav. b ir 1.100 pav. b), kai tuo tarpu indukuotas kanalas yra uzdaromas. Tai, kaip ir atidarytajame sandriniame tranzistoriuje, paaiskinama tuo, jog kanal uzdaranti tampa UG ( x ) uztroje yra slygojama didjancios srovs | I D |. Todl vyksta savireguliacijos procesas, kurio metu didjant tampai |UDS | yra apribojamas srovs I D prieaugis I D. Sis prieaugis, didjant tampai |UDS |, mazja ir prie |UDS | |Uk | isnyksta ( I D 0 ). Is cia seka, jog esant |UDS | |Uk | santakos srov I D pasiekia maksimali- soties vert I |UGS UDS | |Us i | : I D s [ n, p C G /( 2 L k2 )]·(|Us i | |UGS |) 2, kur: |UGS | |Us i |. Gauta israiska (1.357) apraso bendros istakos (BI) grandinje indukuoto n- ir pkanalo MOP tranzistoriaus isjimo VACh ssmaukos srityje (1.99 pav. b ir 1.100 pav. b), kur santakos srov I D I D s const, kai |UDS | |Uk |. Sioje srityje santakos srov I D, didjant tampai |UDS | |Uk |, islieka beveik pastovi todl, jog didinant |UDS | |Uk | pleciasi indukuoto kanalo task x i sritis x i, kurioje savitasis laidumas k i ( x i ) 0 ( si situacij yra parodyt 1.107 pav. b). Akivaizdu, jog tai atitinka atidarytojo sandrinio tranzistoriaus uztros p+-n sandros nuskurdintos srities slycio su padklu ploto didjim (1.102 pav. b- situacija C* ). Todl visas tampos UDS prieaugis UDS yra padidjusiame indukuoto kanalo sektoriuje x i, kuriame savitasis laidumas k i ( x i ) 0, o indukuoto kanalo varza R k i . Kita vertus, akivaizdu, kad siame sektoriuje x i yra ir beveik visa tampa UDS. Todl elektrinio lauko stipris E siame sektoriuje x krvinink judrumas

n, p i D s,

kuri randame is israiskos (1.356) bei sios slygos-

(1.357)

yra didziausias. Is puslaidininki fizikos zinome, jog

priklauso nuo elektrinio lauko E ir stipriuose laukuose pradeda

mazti- n, p ~ 1/E. Todl, toliau didjant |UDS |, santakos srovs I D tankis j D q n n E ( arba j D q p p E ) indukuoto kanalo srityje x i islieka beveik pastovus, o tuo paciu ir I D const, nes n, p E const. Is cia seka, jog krvinink dreifinis greitis vn, p n, p E taip pat pasiekia savo didziausi vert v s - soties greit ir toliau nuo E nebepriklauso ( v s const ). Akivaizdu, jog sis fizikinis reiskinys veikia ir kit lauko tranzistori kanale ir tai yra atsizvelgiama nagrinjant j isjimo VACh ssmaukos srityje. Analogiskai terpto kanalo MOP tranzistoriui, esant |UDS | |Uk |, indukuoto kanalo MOP tranzistoriuje yra stebimas p-n sandros nuskurdintos srities ( brksniuota linija 1.107 pav.) pltimasis padkle prie santakos D arba, esant priesingam tampos UDS poliaringumui, prie istakos S. Tai taip pat yra paaiskinama indukuoto kanalo srities bei padklo prie santakos D ( arba istakos S ) savitojo laidumo mazjimu ( varzos didjimu ). 160

Indukuoto kanalo MOP tranzistoriaus statumo S * israisk isjimo VACh ssmaukos srityje surasime is gautos priklausomybs (1.357): S * [I D s (UGS )] |UGS I D ~ /UGS ~ ( n, p C G /L k2 )·(|Us i | |UGS |), (1.358) kur: |UGS | |Us i |. Is (1.358) matome, jog priesingai atidarytajam sandriniui tranzistoriui (1.332), indukuoto kanalo MOP tranzistoriaus statumas S * didja, didjant |UGS | |Us i |. Taciau ir siuo atveju prie dideli |UGS | per tranzistori teka santykinai didel srov I D (1.356) ir todl jame issiskiria gana didelis pastovusis galingumas Po | I D UDS |, o tai energetiniu poziriu yra nepageidautina. Todl uztros tampos UGS vert bei poliaringumas parenkami is slygos: 1,25 |UGS | /|Us i | 1,5 - t. y. taip, kad indukuoto kanalo MOP tranzistorius bt pridarytas. Sotkio lauko tranzistorius skiriasi nuo sandrinio tranzistoriaus su p-n sandros uztra tuo, jog jo uztra yra padaryta metalo-puslaidininkio (M-P) sandros bdu. Cia btina prisiminti anksciau aprasytas Sotkio diodo pagrindines savybes, charakteristikas bei veikos principus (1.50 pav.). Tipinis atidarytojo n- kanalo sandrinio Sotkio lauko tranzistoriaus planariosios konstrukcijos pjvis yra parodytas 1.108 pav. S

n+

'

G

n

SiO2

D

n+

p

Si

1.108 pav. Tipinio atidarytojo n- kanalo sandrinio Sotkio lauko tranzistoriaus planariosios konstrukcijos pjvis Is 1.108 pav. matome: ant padklo ( p- puslaidininkio ) yra suformuotas npuslaidininkio sluoksnis, kuriame vienu is zinom bd yra suformuotos dvi n+- sritys bei ominiai kontaktai prie j. Viena is n+- srici yra istakas S, o kita- santakas D. Tarp istakos ir santakos yra suformuota Sotkio sandra, kurios metalo sluoksnis yra tranzistoriaus uztra G, o betarpiskai po j esanti n- puslaidininkio sritis yra vadinama kanalu. Siekiant pagerinti Sotkio tranzistoriaus veikos efektyvum, n+- ir n- puslaidininkins sritys yra stipriau legiruotos uz p- srit ( N

d

N

a

). Todl p-n sandros nuskurdinta sritis randasi maziau

priemaisomis legiruotame p- puslaidininkyje, siuo atveju padkle (1.108 pav.- brksniuota linija ), o Sotkio sandros nuskurdinta sritis randasi isimtinai tranzistoriaus kanale (1.108 pav.- brksniuota-taskin linija ), nes metalo laidumas yra daug didesnis uz n- puslaidininkio laidum. Akivaizdu, kad Sotkio lauko tranzistoriaus kanalo legiravimo priemaisomis tankis N

d

ir jo storis W

k

( n- puslaidininkio sluoksnio storis ) yra parenkami taip pat, kaip ir 161

atidarytajame arba uzdarytajame sandriniame n- kanalo tranzistoriuje ((1.322), (1.323), 147 p.). Todl Sotkio lauko tranzistoriaus veika ir jo elektrins charakteristikos bei savybs atitinka atidarytojo (1.101 pav. a) bei uzdarytojo (1.101 pav. b) sandrinio n- kanalo tranzistoriaus savybes ir elektrines charakteristikas, parodytas 1.92 pav. bei 1.99 pav. ir 1.100 pav., atitinkamai. Vienpolio tranzistoriaus daznins charakteristikos, analogiskai anksciau isnagrinto dvipolio tranzistoriaus atveju, apraso lauko tranzistoriaus statini charakteristik ir parametr priklausomyb nuo daznio . Anksciau aprasytos vienpolio tranzistoriaus savybs bei charakteristikos neskait j daznini priklausomybi, nes buvo vertinamos zem dazni srityje, t. y. priimant slyg: I G ~ 0 - kintamosios srovs daznis yra pakankamai mazas, kai galioja slyga (1.254). Daznines vienpolio tranzistoriaus charakteristikas, kai nra ribojamas is virsaus, isnagrinsime pasitelk jo ekvivalentin schem bendros istakos (BI) grandinje, kuri yra parodyt 1.109 pav. IDc G RG IG Uin CGS I GS RGS ISc S + IS

*

CGD I GD RGD D* ID RD Ra Ik R k (UG*S*, UD*S*, U *in ) CDS + D

G*

GS

DS

RS S

1.109 pav. Vienpolio ( lauko ) tranzistoriaus ekvivalentin schem bendros istakos (BI) grandinje, leidzianti vertinti tranzistoriaus parametr priklausomybes nuo daznio Sioje ekvivalentinje schemoje RC- elementais atvaizduota: R G - uztros G ominio kontakto varza ( n- arba p- srities sandrinio tranzistoriaus atveju, metalizacijos MOP bei Sotkio tranzistori atveju ); R GD ir R GS - uztros varza ( p-n arba Sotkio sandros- sandrinio bei Sotkio tranzistori atveju, dielektrinio ( pvz. oksido SiO2 ) sluoksnio MOP tranzistoriaus atveju); R S ir R D - pasyvi n- arba p- srici ir omini istakos S bei santakos D kontakt varza, atitinkamai; R

k

- kanalo varza; C

GS

ir C

GD

- uztros G talpos C

G

sandai:

C G C GS C GD, t. y. talp dalys tarp uztros-istakos bei uztros-santakos, atitinkamai; Ra apkrovos varza santakos grandinje. 1.109 pav. brksniuota linija atvaizduota talpa C DS tarp 162

santakos bei istakos omini kontakt S ir D, atitinkamai, kuri taip pat eina talpa tarp istakos-padklo bei santakos-padklo MOP bei Sotkio tranzistori atveju. Pagrindin lauko tranzistoriaus savyb- jo santakos srovs I

D

priklausomyb nuo uztros tampos UGS

ekvivalentinje schemoje atvaizduota valdoma kanalo varza R k, kurios dydis yra funkcija nuo tamp: UG*S*, UD*S* ir U *in : R k ( UG*S*, UD*S* ir U *in ) ((1.328), (1.340), (1.354)). Cia skaityta, jog uztros pastovioji tampa UGS bei kintamoji tampa Uin valdo tik betarpiskai po uztros elektrodu G esanci kanalo dal (1.109 pav.- taskai S* ir D* ). Palygin vienpolio (1.109 pav.) ir dvipolio (1.76 bei 1.81 pav.) tranzistori ekvivalentines schemas matome, kad vienpolio tranzistoriaus ekvivalentinje schemoje nra valdomo srovs arba tampos saltinio. Taip pasielgta todl, jog lauko tranzistoriuje nra salutini krvinink injekcijos ir ekstrakcijos reiskini. Todl, kai tampa UDS 0, visada santakos srov I D 0 (1.92 pav. b), kai tuo tarpu dvipolio tranzistoriaus atveju bendros bazs grandinje prie UKB 0 kolektoriaus srov I K I E 0 (1.56 pav. b). Isnagrinsime 1.109 pav. parodytos ekvivalentins schemos element tak vienpolio tranzistoriaus dinaminiams parametrams, t. y. j priklausomybes nuo daznio . Anksciau isnagrinta vienpolio tranzistoriaus kanalo varza R k sudaro tik dal varzos R DS tarp santakos D ir istakos S isvad. Si varz R DS is ekvivalentins schemos (1.109 pav.) element uzrasome taip: R DS R S R D R k. (1.359)

Is cia seka, jog vienpolio tranzistoriaus stiprinimo savybs gerja, islaikant sias slygas: R S R k ir R D R k. Reikalavimas kuo mazesns varzos R D uztikrina didesn isjimo tampos Uis pokyt Uis apkrovoje Ra, esant duotam srovs I D pokyciui I D , ir tuo paciu garantuoja didesn tampos stiprinim K mazesns varzos R

S u

((1.274), (1.297)). Reikalavimas kuo

garantuoja neigiamo grztamojo rysio takos mazinim tampos

S

stiprinimo koeficientui K u. Sis neigiamas grztamasis rysis atsiranda dl per rezistori R

tekancios srovs I S , nes atsirandanti sioje varzoje tampa URS I S ·R S mazina tampos pokyt UGS tarp uztros ir istakos, esant duotam tampos pokyciui UG schemos jimeUGS

UG

URS . Akivaizdu, jog dl sio reiskinio gali sumazti tranzistorinio ((1.296), (1.297)). Todl isnagrinsime varzos R

* us

stiprintuvo, pvz. bendros istakos schemoje (1.94 pav.), diferencialinis tampos stiprinimo koeficientas K

u s S

tak diferencialinio

tampos stiprinimo koeficiento K

vertei bendros istakos schemoje, parodytoje 1.110 pav.

Tranzistoriaus veikos taskui esant isjimo VACh ssmaukos srityje, analogiskai israiskai (1.293), sios schemos isjimo grandinje pastoviajai isjimo tampai Uis tranzistoriaus santakos isvade D galima uzrasyti: 163

ID T G S IS D

Ra Uis R DS ­ RS

IG UG

DS

1.110 pav. Vienpolio ( lauko ) tranzistoriaus bendros istakos schemoje jungtos varzos R S takos diferencialinio tampos stiprinimo koeficientui K *u s vertinimo grandin Uis DS URD DS I D Ra DS DS Ra /( Ra R DS R S ) Uis DS (R DS R S )/( Ra R DS R S ), (1.360)

kur tranzistoriaus varza R DS yra funkcija nuo tampos |UGS | |UG | |URS| |UG| I S R S. Tranzistoriaus varz R

DS

isreiksime jos vertmis isjimo VACh kreivje Uk (1.92

pav.), t. y. analogiskai israiskai (1.290) taip: R DS R DS s k Us2/{ I D max [|Us | (|UG | |URS |)]}, (1.361)

kur: URS I S R S I D R S - tampa rezistoriuje R S, kuri surasime pasitelk formul (1.281) (arba (1.284), kai UDS Uk ): I D I D max [1 (|UG | |URS |)/|Us |] 2, ir is cia, issprend kvadratin lygt ieskomojo dydzio URS atzvilgiu, randame: |URS | Us2/[ 2 I D max R S (|Us | |UG |)] Us2/( 2 I D max R S ) (|Us | |UG |) 2 (|Us | |UG |) 21/2, (1.363) kur zenklas pries sprendinio sakn yra parinktas is slygos: kai R S 0 arba |UG | |Us |, tai ir URS 0. 1.110 pav. parodytos schemos diferencialinis tampos stiprinimo koeficientas K analogiskai israiskai (1.296), yra uzrasomas taip: K *u s Uis /Uin Uis /UG , kai UGS const, (1.364) 164

* u s,

(1.362)

ir is cia bei (1.360) (1.363) dalini isvestini metodu randame: K *u s (Uis /R DS s k )·(R DS s k /URS )·(URS /UG ) | DS| |Us | 3 Ra I D max / Us2 I D max ( Ra R S ) (|Us | |UG | |URS |) 2 × × U s2 4 I D max R S (|Us | |U G |) 1/2, kur: 0 |UG | |Us |. Is gautos K *u s israiskos (1.365) matome: kai varza R S 0, tampa URS 0 (1.363) ir K *u s K u s (1.297), t. y. tampa lygus bendros istakos schemos (1.94 pav.) diferencialiniam tampos stiprinimo koeficientui K u s, o kai varza R S , diferencialinis tampos stiprinimo koeficientas K *u s 0- turime stipr neigiam grztamj rys. Is (1.365) paskaiciuota tampos stiprinimo koeficiento K *u s priklausomyb nuo varzos R

S

(1.365)

yra parodyta 1.111 pav. a, kur skaiciavimo rezultatai pateikti esant sioms slygoms:

Ra 0,1 k, 1 k ir 4 k, kur, esant paskutiniajai vertei 4 k, K *u s verts yra padidintos 10 kart; I D max 10 mA;

DS 10 V; Us 1 V; UG /Us 0. Ten pat is (1.363) paskaiciuota

tampos |URS | priklausomyb nuo varzos RS yra parodyta 1.111 pav. b, esant sioms slygoms: I D max 10 mA; Us 1 V; UG /Us 0 ir 0,5. K *u s 3 Ra = 100 2 Ra = 4 k 1 0 10 102 Ra = 1 k 0,2 104 a 106 R S, 0 10 102 104 b R S, 0,6 |UG| 0,5 V |URS|, V 1 |UG| 0 V

1.111 pav. Is (1.365) paskaiciuota tampos stiprinimo koeficiento K *u s priklausomyb nuo varzos R S (a) ir is (1.363) paskaiciuota tampos |URS | priklausomyb nuo varzos RS ( b) ( a- esant vertei 4 k, koeficiento K *u s verts yra padidintos 10 kart ) Is 1.111 pav. a matome: kai Ra 4 k, didinant varz R S 0, priklausomybs K *u s nuo R

S

pradzioje stebimas koeficiento K

*

u s

didjimas, o po to seka monotoniskas K

*

u s

165

mazjimas ( K *u s 0 ). Tokia diferencialinio tampos stiprinimo koeficiento K *u s ( R S ) priklausomyb paaiskinama tampos URS (1.363) taka. Didjant varzai R S 0 tampa |URS | taip pat didja (1.111 pav. b) ir pridaro tranzistori, nes ||UGS | |UG | |URS | |Us |. Todl, esant tam tikriems lauko tranzistoriaus ir schemos element parametras, priklausomybs K *u s ( R S ) pradzioje yra stebimas koeficiento K *u s didjimas, analogiskas priklausomybei K u s (UGS ) (1.96 pav. a). Toliau didjant varzai R S tampa |URS | |Us | |UG | (1.111 pav. b) ir, kai |UG | |Us |, tampa |URS | 0 prie bet koki R

S

verci (1.363), t. y.

tranzistorius uzdarytas, nes ir |UGS | |Us |. Todl priklausomybje K *u s (R S ) (1.111 pav. a), kai R S , stebimas monotoniskas K *u s mazjimas artjant prie nulio, t. y. veikia neigiamas grztamasis rysis. Cia reikia pastebti, kad prie santykinai dideli varz R S 3 5 k gauta priklausomyb K teisinga. Didjant jimo signalo Uin dazniui uztros G talpos C G = C GS C GD sandai C GS ir C GD (1.109 pav.) mazina vienpolio tranzistoriaus diferencialin jimo varz r G S bendros istakos schemoje, kurios kompleksin dyd r

G S * u s

(R

S

) (1.365) nra pakankamai tiksli dl pasirinkto aproksimacijos

S

modelio. Taciau parodyta neigiama varzos R

taka koeficiento K

*

u s

vertei yra is esms

( j ) surasime is ekvivalentins schemos

(1.109 pav.), priimdami, jog varzos R GD = R GS = R k : r G S ( j ) = R G [ j /( C GD ) R D + Ra ]·[ j /( C GS ) R S ]/ /[ j /( C GD ) R D + Ra j /( C GS ) R S ] = = r G S ( j ) = R G A /a j B /( a ), kur kintamieji a, A ir B yra isreiksti taip: a = ( R D + Ra R S ) 2 [C G /( C GD C GS )] 2, A = ( R D + Ra R S )·( R D + Ra ) R S 1/( 2C GD C GS ) + C G ( R D + Ra ) C GD R S C GS /( C GD C GS ) 2, B = C G ( R D + Ra ) R S 1/( 2 C GD C GS ) ( R D + Ra R S )·( R D + Ra ) C GD R S C GS /(C GD C GS ). Is (1.366) randame vienpolio tranzistoriaus diferencialins jimo varzos r G S ( j ) modulio r G S ( ) daznin priklausomyb bendros istakos schemoje: r G S ( ) = ( Re r G ) 2 ( Im r G ) 2 1/2 {( R G A /a) 2 [ B /( a)] 2 }1/2. (1.368) 166 (1.367) (1.366)

Is (1.368) ir (1.367) randame: kai 0, varza r G S (0) , o kai , jimo varza r G S () R G A /a = R G R S ( R D + Ra )/( R D + Ra R S ). Kai bendros santakos grandinje (1.85 pav. c) vienpolio tranzistoriaus diferencialin jimo varza r G D () R G R D ( R S + Ra )/( R D + Ra R S ). Dazniausiai apkrovos varza Ra >> R D, S. Kita vertus, siuolaikini vienpoli tranzistori varzos R G, R S ir R D yra gana mazos- 1 ÷ 10 . Todl esant aukstiems jimo signalo Uin

dazniams ( 100 MHz ) vairiuose vienpolio

tranzistoriaus jungimo grandinse diferencialin jimo varza r G ( )| yra maza ( 10 ). Akivaizdu, jog siekiant gerinti vienpoli tranzistori savybes aukstuose dazniuose btina visokeriopai mazinti uztros talp C G = C GS C GD. Aukstuose dazniuose ( 100 MHz ) uztros talpa C G neigiamai takoja vienpolio tranzistoriaus valdymo efektyvum- j mazindama. Dl sios neigiamos takos vidin uztros tampa UG*S* = U *in mazja, nes vis didesn jimo tampos Uin dalis yra rezistoriuose R G ir R

S

(1.109 pav.). Dl to mazja tranzistoriaus tampos stiprinimo koeficientas K

u

ir,

analogiskai dvipolio tranzistoriaus emiterio diferencialinio efektyvumo koeficiento e (1.219) skaiciavimo metodikai, si tak galima skaityti taip: UG*S* ( j ) UGS o Z CG /( Z CG R G R S ) UGS o / 1 ( R G R S )/Z CG , (1.369) kur: UGS o - uztros tampa, kai 0; Z CG j /( C gauname: UG*S* ( j ) UGS o / 1 j ( R G R S ) C GS UGS o /( 1 j G ), (1.370) kur: G (R G R S )·C GS - vienpolio tranzistoriaus uztros G trukms konstanta. Cia reikia pastebti, jog be varz R

G GS

) (1.15), ir stat tai (1.369)

ir R

S

G

israisk btina skaityti ir kanalo

varzos dal R k S prie istakos S: G ( R G R S + R k S )·C GS. Israisk (1.370) uzrasome atskirdami Re UG*S* ir Im UG*S* dalis, tuo tikslu desinj lygybs (1.370) nar padaugindami ir padalindami is ( 1 j G ): UG*S* ( j ) UGS o /( 1 2 G2 ) j UGS o G /( 1 2 G2 ), ir is cia randame priklausomyb UG*S* ( ): UG*S* ( ) ( Re UG*S* ) 2 ( Im UG*S* ) 2 1/2 UGS o /( 1 2 G2 ) 1/2 UG*S* ( ) UGS o /[ 1 ( / G ) 2 ] 1/2, kur:

G

(1.371)

1/

G

- uztros G valdymo efektyvumo ribinis daznis, kuriam esant gaunama

lygyb: UG*S* ( )| G UGS o / 2 0,71·UGS o. 167

Is (1.371) seka, jog didjant jimo signalo Uin dazniui , tampa UG*S* ( ) U *in mazja artdama nul ir mazjimo sparta tuo didesn, kuo didesn uztros talpa C GS. Is vienpolio tranzistoriaus ekvivalentins schemos (1.109 pav.) matyti, kad kanalo varza R k yra suntuojama nuosekliai sujungt kondensatori C GS ir C GD atstojamosios talpos C *G = C GS C GD /(C GS C GD ). Todl aukstuose dazniuose ( 100 MHz ) mazja kanalo varzos R k pokycio R k efektyvumas nuo tamp UG , Uin ir UD pokyci UG , Uin ir UD , atitinkamai, ko paskoje mazja vienpolio tranzistoriaus statumas S ir tuo paciu diferencialinis tampos stiprinimo koeficientas K u. Is 1.109 pav. matome, jog analogiskai dvipolio tranzistoriaus emiterio diferencialinio efektyvumo koeficientui e (1.219), vienpolio tranzistoriaus kanalo varzos R k pokycio R k priklausomyb nuo daznio galime uzrasyti taip: R k ( j ) R k 0 Z C*G /( Z C*G R k ) R k 0 /( 1 R k /Z C*G ), (1.372) kur: R

k 0

- vienpolio tranzistoriaus kanalo varzos R

k

pokytis atitinkamoje jungimo

schemoje, kai 0; Z C*G j /( C *G ) (1.15) ir stat tai (1.372) gauname: R k ( j ) R k 0 /( 1 j R k C *G ) R k 0 /( 1 j R ), (1.373) kur: R R k·C *G - vienpolio tranzistoriaus kanalo varzos R k kitimo efektyvumo trukms konstanta, takojama kanal suntuojancios talpos C *G. Israisk (1.373) uzrasome atskirdami Re R

k

ir Im R

k

dalis, tuo tikslu desinj

lygybs (1.373) nar padaugindami ir padalindami is (1 j R ): R k ( j ) R k 0 /( 1 2 R2 ) j R k 0 R /( 1 2 R2 ), ir is cia randame priklausomyb R k ( ): R k ( ) ( Re R k ) 2 ( Im R k ) 2 1/2 R k 0 /( 1 2 R2 ) 1/2 R k ( ) R k 0 /[ 1 ( / R ) 2 ] 1/2, (1.374)

kur: R 1/ R - kanalo varzos R k pokycio R k efektyvumo ribinis daznis, kuriam esant R k ( )| R R k 0 / 2 0,71· R k 0. Is (1.374) seka: didjant jimo signalo Uin varzos R

k

dazniui lauko tranzistoriaus kanalo

pokytis R k ( ) mazja artdamas nul ir mazjimo sparta tuo didesn, kuo

didesn talpa C *G. Is 1.109 pav. matyti, jog kondensatoriaus C GD talpa atlieka grztamojo rysio vaidmen tarp vienpolio tranzistoriaus santakos D ir uztros G. Todl, priklausomai nuo santakos 168

apkrovos Za reaktyvumo pobdzio, sis grztamasis rysis gali bti teigiamas arba neigiamas. Didjant dazniui grztamojo rysio trukms konstantos DG R D·C GD ( cia priimame, kad R

GD

) taka tranzistoriaus veikai didja ir aukstuose dazniuose ( 100 MHz ),

priklausomai nuo grztamojo rysio pobdzio, galimi du veikos variantai. Pirmuoju atveju bendros santakos grandinje, esant teigiamam grztamajam rysiui, lauko tranzistorius gali susizadinti ( generuoti ). Antruoju atveju, esant neigiamam grztamajam rysiui, diferencialinis tampos stiprinimo koeficientas K tampos stiprinimo savybs. Pazvelg sandrinio (1.101 pav.) arba MOP (1.104 pav.) vienpoli tranzistori planariosios konstrukcijos pjvius matome, jog kondensatoriaus C GS talpa sudaryta beveik is viso kanalo ploto, kai tuo tarpu kondensatoriaus C GD talpa sudaryta tik is nedidels kanalo ploto dalies prie santakos D. Todl C GD C GS ir si nelygyb dl tekancios santakos srovs I D takos dar labiau stiprja, nes uztros p+-n sandros nuskurdintos srities storis d k didja santakos D kryptimi (1.102 pav. b). Be anksciau isnagrint trukms konstant

G u s

gali labai sumazti ir tranzistorin grandin netenka

(1.371),

R

(1.373) ir

DG

takos

vienpolio tranzistoriaus dazninms savybms, analogiskai salutini krvinink lkio trukmei t

d B

per dvipolio tranzistoriaus baz (1.229), btina skaityti pagrindini krvinink lkio

trukm t d k per kanal. Anksciau parodme, jog vienpolio tranzistoriaus veikos taskui esant isjimo VACh ssmaukos srityje, elektrinio lauko stipris E kanale yra didziausias ir todl pagrindini krvinink dreifinis greitis vn, p n, p·E taip pat pasiekia savo didziausi vert v s - soties greit. Todl t d k L k /v s ir vienpolio tranzistoriaus kanalo inertiskum nusakanti trukms konstanta d k, analogiskai b (1.228), bei ribinis daznis d k yra uzrasomi taip:

d k t d k /2 L k /( 2·v s ),

Analogiskai dvipolio tranzistoriaus atvejui

d k 1/ d k 2 v s /L k.

(1.233), vienpolio

(1.375) tranzistoriaus

diferencialinio tampos stiprinimo koeficiento K u ( j ) dazninei priklausomybei aprasyti yra naudojama aproksimacija: K u ( j ) [ K u 0·exp ( j )]/[ 1 j ( / u )], kur:

(1.376)

- isjimo signalo fazs patikslinimo koeficientas, priklausantis nuo lauko

u

tranzistoriaus jungimo schemos ir yra nustatomas eksperimentiskai; stiprinimo daznis, kuriam esant K

u

- ribinis tampos K

u 0

( )|

u

K

u 0

/ 2 0,71·K

u 0;

- vienpolio

tranzistoriaus diferencialinis tampos stiprinimo koeficientas atitinkamoje jungimo schemoje, kai 0. Is (1.376) jau zinomu bdu randame daznin priklausomyb K u ( ): 169

K u ( ) Uis ( )/Uin ( ) [( Re K u ) 2 ( Im K u ) 2] 1/2 K u ( ) K u 0 /[ 1 ( / u ) 2] 1/2, bei fazin priklausomyb u ( ): (1.377)

u ( ) arctg [( Im K u )/( Re K u )]

u ( ) arctg [ sin ( / u )·cos ]/[ cos ( / u )·sin ], (1.378) kur tampos stiprinimo ribin dazn u randame taip: 1/ u 1/ G 1/ R 1/ d k. (1.379)

Is (1.377) bei (1.378) paskaiciuotos priklausomybs K u ( ) ir u ( ), atitinkamai, savo pobdziu yra panasios parodytoms 1.77 pav. a ir b, atitinkamai, kurios buvo gautos dvipolio tranzistoriaus atveju. Anksciau parodme: kai jimo signalo Uin

daznis didja, bendros istakos arba

santakos grandinse vienpolio tranzistoriaus diferencialin jimo varza r G ( ) mazja nuo iki baigtinio dydzio (1.368). Akivaizdu, jog tuo pat metu kinta ir kintamoji uztros jimo srov I

G in ,

tik atvirksciai- nuo nulio iki baigtinio dydzio. Todl, analogiskai dvipoliui

T

tranzistoriui (1.247), yra vedamas svarbus lauko tranzistoriaus dazninis parametras uztros G srovs I

G

-

stiprinimo ribinis daznis, kuriam esant diferencialinis uztros srovs

stiprinimo koeficientas K i ( ) T 1. Si slyga reiskia, jog esant trumpajam jungimui tranzistorins schemos isjime ( Ra 0 ), kintamosios jimo srovs I G in amplitud I G in o tampa lygi kintamosios isjimo (santakos I

D

arba istakos I ( ) ir r

S

) srovs I

is

amplitudei I

is o

( I G in o I is o ). jimo ir isjimo kintamsias sroves surasime zinodami lauko tranzistoriaus jimo ir isjimo diferencialines varzas r tranzistoriaus diferencialin isjimo varz r

G DS

( ), atitinkamai. Vienpolio

DS

( ) surasime is ekvivalentins schemos

parodytos 1.109 pav., priimdami, jog kintamajam signalui uztros G, istakos S ir santakos D isvadai yra zeminti ( trumpasis jungimas kintamajam signalui ), o tranzistoriaus varzos tenkina tapatybes- R GD = R GS = R k : r DS ( j ) = R D j /( C GD ) R G [ R S j /( C GS )]/[ R G R S j /( C GS )] = = r DS ( j ) = R D A* R G /a* j B* /( a* ), kur kintamaisiais dydziais a*, A* ir B* yra pazymta: (1.380)

170

a* = ( R G R S ) 2 ( C GS ) 2,

A* = R S ( R G R S ) ( C GS ) 2,

B* = R G R S /C GS a* /C GD R G ( R G R S )/C GS.

(1.381)

Is (1.380) jau zinomu bdu randame vienpolio tranzistoriaus diferencialins isjimo varzos r DS ( j ) modulio r DS ( ) daznin priklausomyb: r DS ( ) = ( Re r DS ) 2 ( Im r DS ) 2 1/2 ( R D A* R G /a* ) 2 ( B* / a* ) 2 1/2. (1.382) Is (1.382) ir (1.381) randame: kai 0, varza r

DS

(0) , o kai ,

diferencialin isjimo varza r DS () R D A* /a* = R D R G R S /(R G R S ). Taikant Omo dsn jimo bei isjimo grandinms (1.109 pav.), galima uzrasyti: K i ( ) = I is /I in = (Uis /r DS ( ))/(Uin /r G ( )) = = (Uis /U in )/(r G ( )/r DS ( )) = = K i ( ) = K u ( )·(r G ( )/r DS ( )). (1.383)

Is (1.383), kai T ir pasinaudoj (1.377) bei gautomis varz r G ( ) ir r DS ( ) ribinmis ( ) israiskomis, uzrasome lygt ribiniam dazniui T paskaiciuoti: 1 K u ( T)·(r G ( T)/r DS ( T)) = K u 0 / 1 ( T / u ) 2 1/2·( r G ()/r DS ()) = = K u0 /[ 1 ( T / u ) 2 1/2·K R, kur koeficientas K R yra isreiskiamas taip: K R = R G R D R S /( R D R S )/ R D R G R S /( R G R S ). (1.385) Is (1.384) ir (1.385) randame vienpolio tranzistoriaus uztros G srovs IG stiprinimo ribinio daznio T israisk: (1.384)

T u ( K u 0·K R ) 2 1 1/2.

Is (1.386) seka: ribinis daznis T u, nes K

u 0

(1.386) 1, o K

R

1. Todl vienpolis

tranzistorius srov stiprina platesniame dazni diapazone, palyginus su tampos stiprinimo dazni diapazonu. Kita vertus, kai vienpolis tranzistorius jungtas siaurajuostje ( rezonansinje ) grandinje, tampos stiprinimo ribinis daznis u (1.379) yra apsprstas tik ribinio daznio d

k

(1.375), nes vienpolio tranzistoriaus talpos C

GS

ir C

GD

yra jimo bei

isjimo grandini suderint reaktyvum sandai ir todl yra kompensuojamos. Taigi ribinis daznis u, o tuo paciu ir ribinis daznis T (1.386), priklauso nuo vienpolio tranzistoriaus kanalo ilgio L

k

ir pagrindini krvinink dreifinio soties greicio v

s

jame (1.375). Is 171

puslaidininki fizikos zinome, jog dazniausiai elektronikoje naudojamose puslaidininkinse medziagose elektron sotie greiciai v s n, kai elektrinio lauko stipris kanale E 10 5 V/cm, yra beveik vienodi: Ge- v s n = 6·10 6 cm /s, Si- v s n = 10 7 cm /s ir GaAs- v s n = 6·10 6 cm/s. Taciau galio arsenide (GaAs) prie silpnesni lauk E 10

4

V/cm yra stebimas zymus elektron

dreifinio greicio v n padidjimas- iki 2·10 7 cm /s, ir sio atveju v n (GaAs) v n (Ge ir Si) (1.119 pav. b). Todl dl sios priezasties GaAs yra placiai taikomas ultraaukstojo (300 3·103 MHz) bei superaukstojo (3 30 GHz) dazni diapazonuose veikianci lauko tranzistori gamyboje. Vienpoliai tranzistoriai is GaAs dazniausiai gaminami su Sotkio sandros uztra (1.108 pav.), nes GaAs sunku realizuoti p-n sandr, kai tuo tarpu vairs metalo-puslaidininkio kontaktai gana lengvai realizuojami su visais siuo metu puslaidininkinje elektronikoje naudojamais puslaidininkiais. Anksciau parodme, kad lauko tranzistorius vairiuose jungimo schemose gali stiprinti tamp ir srov. Todl surasime lauko tranzistoriaus galios stiprinimo koeficiento K priklausomyb nuo kintamojo jimo signalo I in daznio : K p ( ) Pis /Pin , kur: Pin I in ·Uin ; Pis I is ·Uis . Pasinaudoj israiskomis (1.377) ir (1.383), is (1.387) randame: K p ( ) K u ( )·K i ( ) K u2( )·( r G ( ) /r DS ( )) { K u 02/ 1 ( / u ) 2}·( r G ( )/r DS ( )). (1.388) (1.387)

p

Analogiskai dvipolio tranzistoriaus atvejui (1.250), yra vedamas lauko tranzistoriaus maksimalus generacijos daznis

max,

kuris yra apibrziamas is slygos: kai

max,

koeficientas K p ( max ) 1. Esant siai slygai is (1.388) ir pasinaudoj anksciau gautomis varz r G ( ) bei r DS ( ) ribinmis ( ) israiskomis, bei israiska (1.385), uzrasome lygt lauko tranzistoriaus ribiniam dazniui max paskaiciuoti: {K u 02/ 1 ( max / u ) 2}·K R 1, ir is cia randame:

max u·( K u 02·K R 1) 1/2.

Palygin gautas ribini dazni K R 1, ribinis daznis max T.

max

(1.389)

ir T israiskas (1.389) ir (1.386), atitinkamai,

matome: kai K R 1, ribinis daznis max T, kai K R 1, ribinis daznis max T, o kai

172

Be anksciau isnagrint vienpolio tranzistoriaus talp takos jo dazninms savybms, didel tak sioms savybms turi lauko tranzistoriaus isvad induktyvumai, kurie, kaip ir dvipolio tranzistoriaus atveju, turi bti manomai minimals. Pagrindins vienpolio ( lauko ) tranzistoriaus elektrini savybi palyginamosios verts vairiuose jungim schemose yra pateiktos 3-oje lentelje. Tranzistoriaus jungimo bdas Bendros uztros (BU) Bendros istakos (BI) Bendros santakos (BS)

BI su zemintu Ra istakos grandinje. Istakinis kartotuvas (IK)

jimo diferencialin varza, kai 0 maza: 10 300 labai didel: 10 100 M labai didel: 10 100 M labai didel: 10 100 M

Isjimo diferencialin varza, kai 0 didel: 100 k 10 M didel: 100 k 10 M didel: 100 k 10 M Ra

Stiprinimas: K I /K U, kai 0 1 // 20 10 6 // 20 10 6 // 20 10 6 // 1

3 lentel Srov, tampa: jime //isjime

I S, USG //I D, UDG I G, UGS //I D, UDS I G, UGD //I S, USD I G, UG //I S, UD

Vienpolio ( lauko ) tranzistoriaus pagrindiniai parametrai yra sie: I D max - maksimali ( didziausioji ) pastovioji santakos srov, kai UG 0 ir |UD | |Us |; Us - slenkstin uztros tampa, kuriai esant I D 0,1·I D max; UG max - pramusimo tampa tarp uztros ir istakos ( arba santakos ); UDS max - pramusimo tampa tarp santakos ir istakos; PD max - maksimali santakoje ( arba istakoje ) isspinduliuojama galia; Tmax - maksimali korpuso ( kristalo ) temperatra;

max 2··f max - ribinis generacijos daznis, kuriam esant K p ( max ) 1;

C G o - uztros talpa, kai UG 0 ir I D 0; C GD o - uztros-santakos talpa, kai UG 0 ir I D 0;

DG o R D o·C GD o - grztamojo rysio trukms konstanta, kai UG 0 ir I D 0.

2. DVIPOLI IR VIENPOLI TRANZISTORI PAGRINDINI ELEKTRINI SAVYBI GERINIMO BDAI

Palygin dvipoli bei vienpoli tranzistori pagrindins elektrini savybi palyginamsias verts isnagrint schem jungimuose, kurios yra suvestas pateiktose 2-oje ir 3-oje lentelse, atitinkamai, matome, jog vienas is pagrindini vienpolio ( lauko) tranzistoriaus pranasum yra zymiai didesn jimo varza pastoviajai srovei BI, BS bei IK jungimo 173

schemose. Taciau anksciau parodme, jog sis vienpolio tranzistoriaus pranasumas islieka tik zem ir vidutini dazni diapazonuose ( iki 3 MHz ). Kita vertus, vienpoli tranzistori elektriniai triuksmai yra mazesni dl j veikos principo, slygoto tik pagrindini krvinink judjimo kanale ( tai parodysime vliau tranzistori triuksm fizikos skyriuje ). Dl sios priezasties vienpoliai tranzistoriai yra atsparesni radiaciniam poveikiui bei j elektriniai parametrai maziau priklauso nuo temperatros. Taciau vienpoliai tranzistoriai nusileidzia dvipoliams tranzistoriams tampos stiprinimo atzvilgiu- 20 pries 100 ir daugiau, atitinkamai. Siuolaikini vienpoli ir dvipoli tranzistori ribiniai dazniai yra tos pacios eils- 10 100 GHz. Atskirai reikia pazymti tai, jog vienpoli tranzistori, o ypac MOP (MDP) tranzistori, uztra yra labai jautri statiniams krviams, kuri poveikyje uztra gali bti pramusama. Todl montuojant vienpolius tranzistorius elektronins schemos grandines btina imtis tam tikr saugos priemoni, apsaugant j uztras nuo statinio krvio zalingo poveikio. Tuo tikslu dazniausiai MOP tranzistoriai schem yra lituojami su tarpusavyje uztrumpintais isvadais ( kontaktais ) ir montavimo pabaigoje trumpinimas yra panaikinamas. 2.1. vairs dvipoli tranzistori dariniai Anksciau nagrinjant dvipolio tranzistoriaus veikos fizik buvo parodyta, jog jo emiterio efektyvumo koeficientas

E

(1.199) yra tuo artimesnis vienetui, kuo labiau yra

tenkinama slyga: n n p p ( n-p-n tranzistoriui ) arba p p n n ( p-n-p tranzistoriui ), t. y. emiterio p-n sandra turi bti nesimetrin ir emiteris turi bti daug daugiau legiruotas priemaisomis uz baz ( N E N B ). Kita vertus, nagrinjant fizikinius procesus bazje buvo parodyta, jog dvipolio tranzistoriaus ribiniai dazniai: (1.235), (1.244), T (1.246) ir

max (1.250) didja, mazjant salutini krvinink lkio trukmei t d B (1.229) per baz. Vienas

is bd mazinti trukm t

d B

yra paremtas puslaidininkine elektronikos technologija, kurios

metu tranzistoriaus baz yra padaroma su statytu salutinius krvininkus greitinanciu elektriniu lauku EB. Tuo tikslu tranzistoriaus baz yra gradientiskai legiruojama priemaisomis N B ( x ), kuri tankis N B e bazje prie emiterio tenkina slyg: N B e N B k - legiruojanci priemais tankis bazje prie kolektoriaus. Toks dvipolis tranzistorius yra vadinamas dreifiniu tranzistoriumi ir salutini krvinink lkio trukm t mazesn, kuo labiau yra tenkinama slyga: N

B e d B

((1.240), (1.241)) per baz yra tuo

B k.

N

Is cia seka esminis dreifinio

tranzistoriaus konstrukcijos priestaravimas tarp emiterio ir bazs legiravimo priemais tanki N E ir N B, atitinkamai, verci. Sis priestaravimas dar labiau sustiprja dl reikalavimo kuo

174

mazesns kolektoriaus trukms konstantos k ((1.231), (1.248)), kuri yra tiesiog proporcinga bazs ominei varzai R

B

(R

B

turi bti manomai minimali ir dl dvipolio tranzistoriaus

triuksm koeficiento, k parodysime vliau ). Dreifinis tranzistorius su dviej sluoksni baze yra vienas is bd panaikini esmin priestaravim tarp emiterio ir bazs legiravimo priemais tanki N sluoksni, taip, kaip yra parodyta 1.112 pav. a.

E

ir N B, atitinkamai,

verci. Sis bdas yra pagrstas tuo, jog dreifinio tranzistoriaus baz yra padaroma is dviej

B WB o

p

E p

p+ p n n n p

EB

WB1 WB2

K a

T / T min

5

3,7

2,88

3

2,06 1,24

1 0 0,2 b 1.112 pav. Dreifinio tranzistoriaus su dviej sluoksni baze planariosios konstrukcijos pjvis (a) ir sio tranzistoriaus bazs srovs I B stiprinimo ribinio daznio T teorin priklausomyb nuo santykio WB1/WB ( b), kur WB WB1 + WB2 Is 1.112 pav. a matome: pirmasis p- laidumo bazs sluoksnis WB o prie emiterio p-n sandros yra silpnai legiruotas priemaisomis, kuri tankis N

B o

0,6

1

WB1 /WB

N

E

- legiruojanci

E

priemais tankis emiteryje. Tai garantuoja emiterio efektyvumo koeficiento

vert

maksimaliai artim vienetui, o taip pat minimali emiterio p-n sandros barjerins talpos C EB vert (1.40), kas papildomai gerina tranzistoriaus savybes placiame dazni diapazone (1.221). Antrasis bazs sluoksnis WB2 taip pat yra p- laidumo, taciau turi legiruojanci priemais 175

tankio N B2 ( x ) gradient, nukreipt emiterio link, kuris planariosios konstrukcijos pjvyje yra parodytas simboliais p+ ir p (1.112 pav. a). Sis legiruojanci priemais tankio N gradientas N

B2 B2

(x)

( x )/ x patobulinto dreifinio tranzistoriaus bazs dalyje WB2 sukuria difuzijos arba implantacijos bdu yra suformuojamos atitinkamomis

salutinius krvininkus greitinant statyt elektrin lauk EB (1.239). Tranzistoriaus pirmajame bazs sluoksnyje WB

o

priemaisomis stipriai legiruotos n+- emiterio bei p+- bazs omini kontakt sritys. Emiterio n+- sritis nesiekia bazs antrojo sluoksnio WB2 ir yra nuo jo atstumu WB1. Tuo tarpu bazs omini kontakt p+- sritys siekia antrj bazs sluoksn WB2 ir tuo yra uztikrinama maza bazs varza R B, o tuo paciu ir geresns tranzistoriaus elektrins charakteristikos placiame dazni diapazone (1.232). 1.112 pav. a parodytame tranzistoriaus planariosios konstrukcijos pjvyje kolektorius taip pat yra sudarytas is dviej to paties n- laidumo sluoksni. Pirmojo nsluoksnio legiruojanci priemais tankis N barjerin talp C

K1

N

K2

- legiruojanci priemais tankis

kolektoriaus antrajame n+- sluoksnyje. Tai garantuoja minimali kolektoriaus p-n sandros

KB

(1.40), kas papildomai gerina tranzistoriaus savybes placiame dazni

diapazone (1.232). Kita vertus, papildomi vesti silpnai legiruoti atitinkamomis priemaisomis bazs ir kolektoriaus puslaidininkiniai sluoksniai zymiai padidina patobulinto tranzistoriaus emiterio ir kolektoriaus p-n sandr pramusimo tampas UEB max ir UKB max ((1.62), (1.63)), atitinkamai, kas yra labai svarbu taikant tranzistorius impulsins elektronikos schemose. Dreifinio tranzistoriaus su dviej sluoksni baze (1.112 pav. a) teoriniai skaiciavimai rodo, jog jo bazs srovs I

B

stiprinimo ribinis daznis

T

(1.248) priklauso nuo santykio-

WB1/WB, kur WB WB1 + WB2. Si priklausomyb yra parodyta 1.112 pav. b, kur: greitinancio elektrinio lauko EB bazje takos koeficientas ((1.240), (1.241)), o

T min

-

difuzinio tranzistoriaus ribinis daznis, kai WB WB1 ( 1 ) (1.240). Is pateikt 1.112 pav. b grafik seka, jog be jau zinomo reikalavimo bazs storiui WB WB1 + WB2 L B n, p (1.209), dreifiniame tranzistoriuje su dviem bazs sluoksniais (1.112 pav. a) reikia uztikrinti papildom slyg: 0,1·WB WB1 0,5·WB. Is 1.112 pav. a parodytos planariosios konstrukcijos tranzistoriaus pjvio akivaizdu, jog norint uztikrinti kuo mazesn bazs varz R B, reikia mazinti emiterio n+- srities plot ir tuo paciu sios srities atstum iki bazs omini kontakt p+- srici. Kita vertus tranzistoriaus kolektoriaus isspinduliuojama galia PK didja, didjant kolektoriaus p-n sandros plotui S K. Todl tenkinant siuos reikalavimus tranzistoriaus emiteris puslaidininkinio kristalo pavirsiuje ( plane) yra daromas siaur lygiagreciai salia viena kitos patalpint juosteli (1.113 pav. a) arba "celi" (1.113 pav. b) pavidalu, kurios yra sujungiamos "suk" pavidalo metalo kontaktu- emiterio ominiu kontaktu E. Siame darinyje bazs ominio kontakto B metalo

176

B K E a b K

B

E

1.113 pav. Planariosios konstrukcijos dvipolio dreifinio tranzistoriaus emiterio E ir bazs B "suk" pavidalo metalo kontaktai ( a- emiterio sritys juosteli pavidalo, b- emiterio sritys "celi" pavidalo ) "sukos" yra terptos tarp emiterio ominio kontakto E metalo "suk". Kolektoriaus ominis kontaktas K gali bti isvestas kristalo pavirsi. Tuo tikslu salia emiterio ir bazs darinio yra atliekama gili n+- laidum sudaranti legiruojanci priemais difuzija iki kolektoriaus n+sluoksnio. Taciau siuo atveju padidja kolektoriaus p-n sandros barjerin talpa C sumazja pramusimo tampa UKB

max. + KB

ir

Siekiant isvengti si nepageidautin pasekmi, tarp

kolektoriaus ominio kontakto K n - srities ir emiterio-bazs struktrinio darinio cheminio sdinimo bdu yra issdinamas gylus griovelis iki kolektoriaus n- sluoksnio. Elektronikos puslaidininkinje Si technologijoje sis griovelis yra uzpildomas SiO2 ir tuo yra izoliuojama kolektoriaus ominio kontakto n+- sritis nuo bazs p- srities. Dreifinis tranzistorius su vairiatarpe emiterio p-n sandra yra kitas bdas, leidziantis panaikinti pagrindin dreifinio tranzistoriaus konstrukcijos priestaravim. Sis bdas yra pagrstas tuo, jog dreifinio tranzistoriaus emiteris ir baz-kolektorius yra suformuojami dviejuose skirtinguose puslaidininkiniuose sluoksniuose (1.114 pav. a). Sios idjos esm sudaro tai, kad emiterio N- sritis yra formuojama puslaidininkiniame sluoksnyje, kurio draustins energijos juostos plotis g E yra didesnis uz draustins energijos juostos plot g BK antrajame puslaidininkiniame sluoksnyje, kuriame yra suformuota tranzistoriaus baz ir kolektorius ( g E

g BK ). Cia ir toliau nusakant vairiatarp sandr naudojama didzij ir g. Taigi, 1.114 pav. a yra

mazj raidzi derinys, pvz. p-N arba P-n, kur didzioji raid nurodo puslaidininkin p-n sandros srit su didesniu draustins energijos juostos plociu

parodytas planariosios konstrukcijos N-p-n laidumo dreifinio tranzistoriaus su vairiatarpe emiterio p-N sandra pjvis. Tokio tranzistoriaus energetin diagrama normalios veikos atveju, kai emiterio p-N sandra jungta tiesiogine, o kolektoriaus p-n sandra- atgaline

177

N B

p

p EB dpn K

n

E N p

n p p

+

c F

c

q· k

q·( k UKB)

n

EB p q·( k UEB) v

n

v

c F

WB B b

K E a

dpN E K

v

1.114 pav. Planariosios konstrukcijos N-p-n laidumo dreifinio tranzistoriaus su vairiatarpe emiterio p-N sandra pjvis (a) ir sio tranzistoriaus energetin diagrama ( b) normalios veikos atveju kryptimis, yra parodyta 1.114 pav. b. Palygin si energetin diagram su dreifinio tranzistoriaus energetine diagrama 1.78 pav. matome, jog per tiesiogine krytimi jungt vairiatarp emiterio p-N sandr teka tik elektronin emiterio srovs I

E

komponent I

E n.

Todl dreifinio tranzistoriaus su vairiatarpe emiterio p-N sandra emiterio efektyvumo koeficientas E 1, nes skylin emiterio srovs I E komponent I E p 0 ir emiterio srov I E I E n (1.196). Taip yra todl, jog vairiatarps emiterio p-N sandros riboje tarp N- ir ppuslaidininki susidaro energetini laidumo juostos dugno

c ir valentins juostos lub v

trkis (1.114 pav. b). S trk slygoja tai, kad didesns energijos elektronai is placiajuoscio N- puslaidininkio dreifuoja siaurjuost p- puslaidinink ir j tankis prie trkio ribos padidja ( si situacija 1.114 pav. b energetinje diagramoje yra parodyta patamsinta pleisto pavidalo sritimi ), o elektron tankis N- puslaidininkyje prie trkio ribos sumazja ir tuo slygoja energetins laidumo juostos dugno

c

prie trkio ribos iskreip. Dl susidariusio trkio

laidumo juostos dugne c atsiranda trkis valentins juostos lubose c. Sis trkis valentinje energetinje juostoje

v pagrindiniams krvininkams, skylms p- puslaidininkyje, sukuria

papildom energetin barjer v, ko paskoje, esant tiesioginei tampos krypciai emiterio p-N sandroje, skyls negali patekti N- puslaidinink. Energetins laidumo juostos dugno c trkis sukuria papildom energetin barjer c, kurio sandas N- puslaidininkyje sukuria 178

papildom energetin barjer pagrindiniams krvininkams- elektronams. Taciau sio barjero storis d pN E yra labai mazas, todl, esant tiesioginei tampos krypciai emiterio p-N sandroje, elektronai tuneliuoja per s barjer ir patenka p- srit, t. y. baz. Cia reikia pastebti, jog bazje prie ribos su emiteriu yra potencin duob elektronams (1.114 pav. b si sritis yra parodyta patamsinta pleisto pavidalo sritimi ), kas neigiamai takoja emiterio efektyvumo koeficiento E vert, o btent j mazindama. Anksciau nagrindami salutini krvinink pernasos per baz diferencialin koeficient

b

((1.217), (1.226)) parodme, jog dvipolio tranzistoriaus daznins

charakteristikos () (1.237) ir () (1.245) gerja, o tuo paciu didja ir ribiniai dazniai: (1.235), (1.244), T (1.247) ir max (1.250), kai yra mazinama salutini krvinink lkio trukm t

d B

(1.229) per baz. Todl yra aktualu isnagrinti vairius salutini krvinink

pernasos per baz bdus bei j realizavimo pagrindinius fizikinius principus. Dreifinio tranzistoriaus atveju (1.78 pav.) lkio trukms t d B (1.240) sumazjimas yra pasiekiamas bazs gradientiniu legiravimu atitinkamomis priemaisomis (1.239). Taciau galimi ir kiti bdai mazinti lkio trukm t d B, kurie yra parodyti 1.115 pav., kur yra pateiktos tranzistoriaus bazs srities vairios energetins diagramos, nusakancios galimus salutini krvinink lkio trukms t d B per baz mazinimo fizikinius principus. 1.115 pav. a ir b yra parodytos energetins diagramos situacijos, kai prie p- arba npuslaidininkio kristalo yra pridta isorin tampa Uisor. Sios tampos poveikyje atsirads elektrinis laukas Eisor iskreipia energetinius lygmenys taip, kad elektronai () laidumo juostoje

c

dreifuoja link "+" isorinio potencialo, sukurdami srov I

n drf,

o skyls ()

valentinje juostoje

v dreifuoja link "" isorinio potencialo, sukurdamos srov I p drf. Todl

per puslaidinink teka dreifin srov I drf I n drf + I p drf, kurios kryptis sutampa su isorinio lauko Eisor kryptimi. Cia btina siminti tai, jog isorins tampos Uisor poveikyje, nepriklausomai nuo puslaidininkio laidumo tipo, energetiniai lygmenys prie "+" potencialo nusileidzia zemyn dydziu /2, o prie "" potencialo pakyla aukstyn tuo paciu dydziu /2, kur pokytis = q·Uisor. Akivaizdu, kad n-puslaidininkyje dreifins srovs I

drf

sandas

I n drf I p drf, o p- puslaidininkyje, atvirksciai- I p drf I n drf ir sios nelygybs tuo stipresns, kuo daugiau atitinkam legiruojanci priemais yra terpta puslaidinink. Kita vertus, akivaizdu, jog cia aprasytas krvinink dreifinis pralkimo per puslaidinink fizikinis principas veikia vienpoli ( lauko ) tranzistori kanale.

179

c Fp v a

p

Eisor

c Fn

+

x v

n

Eisor

+

b x

c

p

c

n n+

n

Fp v

p+

Evid

+

p

Fn

v x

+

Evid

x d

c

c

p

vid c

n

E

*

+

Fp v

g1

c Fn g2

v

g1

+

E *vid v f

g2

x

e

x

1.115 pav. Dvipolio tranzistoriaus bazs srities vairios energetins diagramos, nusakancios galimus salutini krvinink lkio trukms t d B per baz mazinimo fizikinius principus 1.115 pav. c ir d parodytos energetins diagramos atitinka situacijas, kai puslaidininkis yra gradientiskai legiruotas atitinkamomis priemaisomis. Sis atvejis buvo aprasytas anksciau, nagrinjant dreifin dvipol tranzistori (1.78 pav.). Cia btina siminti, jog susidars vidinis elektrinis laukas Evid yra slygotas pagrindini krvinink tankio gradiento isilgai x- asies ir veikia tik salutinius krvininkus- elektronus p-puslaidininkyje ir skyles n-puslaidininkyje. Kita vertus, sis metodas turi esmin trukum- didjant salutini krvinink injekcinei srovei 180

gradientiskai legiruot puslaidinink, vidinis laukas Evid jame isnyksta. Taip atsitinka todl, jog n- arba p- puslaidinink injektuot salutini krvinink tankiui p n arba n p, atitinkamai, pasiekus pagrindini krvinink tank n n arba p p, atitinkami, Fermi lygmuo F gradientiskai legiruotame puslaidininkyje pasislenka link draustini energij juostos isnyksta atitinkam energetini juost

g vidurio ir todl

c, v

polinkis. Taigi, siuo atveju gradientiskai

legiruotame n- arba p- puslaidininkyje salutiniai krvininkai juda tik dl difuzijos. Is cia seka: prie dideli emiterio ( arba kolektoriaus ) srovi dreifinis tranzistorius gauna difuzinio tranzistoriaus savybes. Kita vertus, didjant emiterio srovei I E, difuzinio tranzistoriaus bazje salutini krvinink lkio trukm t

d B

(1.229) mazja, nes didja injektuot salutini I

E max,

krvinink tankis bazje prie emiterio p-n sandros, o tuo paciu didja ir j pasiskirstymo gradientas (1.24 pav. ir 1.71 pav.). Todl, kai I lkio trukm t

E

salutini krvinink difuzijos

koeficientas D n, p difuzinio tranzistoriaus bazje padvigubja, ko paskoje dvigubai sumazja

d B

(1.229). Sios dreifinio ir difuzinio tranzistori savybs yra pailiustruotos

1.116 pav., kur yra parodytos salutini krvinink lkio trukms t d B per baz priklausomybs nuo emiterio srovs I E ( arba kolektoriaus srovs I K ) difuziniame ( t d B dif ) ir dreifiniame ( t d B dr ) tranzistoriuose, atitinkamai. t d B /t *d B dif 1 t d B dif

0,5 t d B dr 0 0,5 1 I E /I E max

1.116 pav. Salutini krvinink lkio trukms t d B per baz priklausomybs nuo emiterio srovs I E ( arba I K ) difuziniame ( t d B dif ) ir dreifiniame ( t d B dr ) tranzistoriuose, atitinkamai, kur: t *d B dif - salutini krvinink lkio trukm per difuzinio tranzistoriaus baz, kai I E = 0,01·I E max 1.115 pav. e ir f parodytos energetins diagramos atitinka situacijas, kai puslaidininkis yra varizoninis, t. y. puslaidininkio medziagoje draustini energij juostos plotis

g kinta x-

asies kryptimi, pvz. siaurja. Varizoniniame savitojo laidumo i- puslaidininkyje Fermi lygmuo

F yra draustini energij juostos viduryje (1.117 pav.). Todl laidumo energetins

181

F g1 v

c

i

+

E *c E *vid Ec + Ev 0

g2

+

x

E *v

1.117 pav. Varizoninio savitojo i- laidumo puslaidininkio energetin diagrama juostos dugnas lubos

c x- asies kryptimi turi nuolyd dydziu c g /2, o valentins juostos

v turi kaln dydziu v g /2, kur g - draustini energij juostos plocio

Is puslaidininki ( bei kietojo kno ) fizikos zinome, jog laisvi krvininkai medziagoje

energij pokytis: g g 1 g 2.

visada stengiasi uzimti maziausios energijos energetinje juostoje

bsenas. Todl elektronai () laidumo

c

ir skyls () valentinje energetinje juostoje

v

kaupiasi

varizoninio i- puslaidininkio srityje su maziausiu draustini energij juostos plociu (1.117 pav.). Cia reikia prisiminti, jog skyli energija valentinje juostoje elektron energijai laidumo juostoje

g2

v, priesingai

c, mazja - asies kryptimi. Sio proceso isdavoje

varizoninio i- puslaidininkio jonizuoti kristalo gardels atomai yra atskiriami nuo laisvj pusiausvyrini krvinink x- asies kryptimi. Taigi, varizoninio i- puslaidininkio srityje su maziausiu draustini energij juostos plociu

g 2 turime laisvj pusiausvyrini krvinink g 1 - jonizuotus gardels

pertekli, o srityje su didziausiu draustini energij juostos plociu

atomus (1.117 pav. jonizuoti gardels atomai bei pertekliniai krviai yra pavaizduoti didesnio diametro brksniuotais apskritimais su atitinkam krvio zenklu ). Sie krviai sukuria atitinkamus kvazielektrinius laukus E *c ir E *v, kuri superpozicija slygoja vidin elektrin lauk E *vid. Akivaizdu, jog viso to isdavoje varizoniniame i- puslaidininkyje suminis vidinis kvazielektrinis laukas E *vid yra lygus nuliui ( E *vid E *c + E *v 0 ), nes laisvj krvinink ir jonizuot atom krviai yra kompensuoti. Kita vertus, is puslaidininki fizikos zinome, jog energetins juostos dugno

c arba lub v pokrypis atzvilgiu Fermi lygmens F sukuria

182

kvazielektrin lauk E * */(q· x ), kur: * - draustins energetins juostos plocio tarp Fermi lygmens

F ir nagrinjamos energetins juostos dugno c arba lub v pokytis

atstumo ilgyje x ( * c, v ). Is 1.117 pav. matome, jog kvazielektriniai laukai E *c ir E *v laidumo

c ir valentinje v juostose, atitinkamai, yra lygs ir priesing krypci, is ko

* vid

taip pat seka jau padaryta isvada- E

0. Cia reikia pastebti, jog suzadinus varizonin

i- puslaidinink, pvz. optiniu apsvietimu, jame yra generuojamos elektron-skyli poras ir dl anksciau aprasyt priezasci atsirad laisvi krvininkai juds ta pacia x- asies kryptimi. Todl srov per varizonin i- puslaidinink optinio suzadinimo metu lygi nuliui, o vidinis elektrinis laukas taip pat islieka lygus nuliui. Taciau sio proceso isdavoje varizoninio i- puslaidininkio srityje su maziausiu draustini energij juostos plociu

g 2

padids nepusiausvyrini

krvinink tankis, kurio dydis yra tiesiog proporcingas optinio apsvietimo intensyvumui. Legiruotame atitinkamomis priemaisomis- donorais Nd (1.115 pav. f ) arba akceptoriais Na (1.115 pav. e), varizoniniame i- puslaidininkyje situacija pasikeicia is esms. Legiravimo priemaisomis Nd, lygmuo

a

metu, priklausomai nuo legiruojanci priemais tipo, Fermi

F artja prie laidumo juostos dugno c ( vedant donorines priemaisas N d ) arba v ( vedant akceptorines priemaisas N a ). Todl atitinkamos c arba lubos v praranda pokryp, tapdamos lygiagrecios Fermi

d

prie valentins juostos lub energetins juostos dugnas lygmeniui

F,

kas atitinka tolyg legiruojanci priemais tankio Na,

pasiskirstym

varizoniniame puslaidininkyje (1.115 pav. e, f ). Sio proceso isdavoje kitos energetins juostos lubos

v arba dugnas c gauna dar didesn pokryp- iki dydzio g, t. y. padidja

dvigubai, ko paskoje atsiranda vidinis kvazielektrinis laukas E *vid g /(q x ) (E *vid c varizoniniame p- puslaidininkyje (1.115 pav. e) ir E *vid. v - varizoniniame n- puslaidininkyje (1.115 pav. f ). Cia reikia atkreipti dmes tai, jog legiruotame varizoniniame puslaidininkyje atsirad vidiniai kvazielektriniai laukai veikia tik salutinius krvininkus: elektronus p- puslaidininkyje ir skyles n- puslaidininkyje, atitinkamai. Taigi, optiniu apsvietimu zadinant krvinink poras legiruotame varizoniniame p- puslaidininkyje teks elektronin dreifin srov I

n drf

( cia zenklas "" parodo, jog srovs kryptis yra priesinga x-asiai ), o

p drf.

varizoniniame n- puslaidininkyje- skylin dreifin srov I

Si srovi poveikyje

varizoninio puslaidininkio srityje su maziausiu draustini energij juostos plociu g 2 padids 183

nepusiausvyrini salutini krvinink tankis, kurio dydis yra tiesiog proporcingas optinio apsvietimo intensyvumui. Dl krvio neutralumo islaikymo slygos salutini krvinink pasiskirstymas n p ( x ) arba p n ( x ) issaukia tok pat pagrindini krvinink pasiskirstym p ( x ) arba n ( x ), atitinkamai, is ko seka: optinio suzadinimo metu kartu su salutini krvinink slygotomis srovmis legiruotame varizoniniame puslaidininkyje priesinga kryptimi teka tokio pat dydzio pagrindini krvinink slygotos srovs ir todl sumin srov yra lygi nuliui. Cia reikia atkreipti dmes tai, kad varizoniniame puslaidininkyje esantis kvazielektrinis laukas neisnyksta ir esant didelms salutini krvinink slygotoms srovms, kas yra dar vienas, papildomas, salutini krvinink lkio trukms t d B per baz mazinimo siuo metodu privalumas. Varizoniniai dreifiniai tranzistoriai yra dar vienas sprendimo bdas, leidziantis panaikinti pagrindin dreifinio tranzistoriaus konstrukcijos priestaravim. 1.118 pav. a yra parodyta varizoninio dreifinio tranzistoriaus energetin diagrama normalios veikos atveju, kai emiterio P-N sandra yra jungta tiesiogine, o kolektoriaus p-n sandra- atgaline kryptimis. N P-p EB d pn K q·UKB q·UEB n N P-p n

c c F

F

d PN E WB E B a K

v

v

E B b K

1.118 pav. Varizoninio dreifinio tranzistoriaus energetin diagrama normalios veikos atveju, kai emiterio P-N sandra yra jungta tiesiogine, o kolektoriaus p-n sandra- atgaline kryptimis Is 1.118 pav. a matome, jog varizoninio N-(P-p)-n tranzistoriaus emiteris E yra suformuotas placiajuosciame N-, o kolektorius K- siaurajuosciame n- puslaidininkyje. Baz B yra suformuota varizoniniame P-p -puslaidininkyje. Sis tranzistorius turi visus dreifinio tranzistoriaus privalumus ir neturi anksciau aprasyto pagrindinio dvipolio tranzistoriaus priestaravimo, nes jo baz gali bti legiruota atitinkamomis priemaisomis tiek pat stipriai, kaip ir emiteris ( N d, a E N a, d B ). Kitas, pagrindinis varizoninio tranzistoriaus privalumas yra tame, jog salutini krvinink dreifin lkio trukm t d B per baz nepriklauso nuo emiterio 184

( arba kolektoriaus ) srovs stiprio, t. y. lkio trukm t

d B

visame tranzistoriaus srovi

diapazone islieka minimali, nes varizoniniame puslaidininkyje esantis kvazielektrinis laukas neisnyksta ir esant salutini krvinink slygotoms didelms srovms. Kita vertus, varizoninio tranzistoriaus placiajuost emiterio P-N sandra turi anksciau aprasytas vairiatarps emiterio p-N sandros teigiamas savybes, nes placiajuostis N- emiteris atspindi skyles, judancias link emiterio is siaurajuosts p- bazs. Akivaizdu, jog varizoninis tranzistorius gali bti pagamintas istysai varizoniniame puslaidininkyje. Tokio darinio variantas yra parodytas 1.118 pav. b, kur pateikta varizoninio tranzistoriaus stilizuota energetin diagrama, kai prie jo isvad nra pridt tamp. Matome, jog tokio varizoninio tranzistoriaus visos sritys suformuotos tame paciame varizoniniame puslaidininkyje, islaikant 1.118 pav. a parodyt sprendimo bd- emiterio sritis E yra suformuota placiajuostje, o bazs ir kolektoriaus sritys B ir K, atitinkamai, yra suformuotos siaurajuostje varizoninio puslaidininkio dalyse, atitinkamai. Sio varizoninio tranzistoriaus papildomas privalumas yra tame, jog soties veikoje, kai abejos p-n sandros yra atidarytos, nra salutini krvinink ( elektron ) injekcijos is kolektoriaus baz ( si situacija 1.118 pav. b yra pavaizduota galimomis elektron ir skyli judjimo kryptimis ). Taip yra todl, jog pagrindini krvinink judjimui is siaurajuoscio puslaidininkio- kolektoriaus K placiajuost puslaidinink- baz B susidaro papildomas barjeras , atspindintis pagrindinius krvininkus atgal siaurjuost puslaidinink. Todl impulsinse elektroninse grandinse, kuriuose jimo signalai yra impuls formos ir pakankamai didels amplituds, dl ko tranzistoriai gali patekti soties veik, sis varizoninis tranzistorius veikia sparciau, nes jame nra salutini krvinink kaupimo bazje efekto, ko paskoje nra dvipoliams tranzistoriams bdingo pakankamai didels trukms isjungimo proceso vlinimo. 2.2. vairs vienpoli ( lauko ) tranzistori dariniai Anksciau, nagrinjant vienpolio tranzistoriaus daznines charakteristikas, buvo parodyta, jog yra labai svarbu manomai mazinti kanalo ilg L v n, p n, p·E (1.375). Palygin dvipoli ir vienpoli tranzistori puslaidininkines struktras, parodytas 1.83 pav. b, 1.112 pav., 1.114 pav. ir 1.101 pav., 1.104 pav., 1.108 pav., atitinkamai, matome, jog pagrindinis j darinio skirtumas yra aktyvij srici isdstyme puslaidininkiniame kristale. Dvipoli tranzistori vairaus laidumo tipo puslaidininkins sritys yra suformuotos gilyn puslaidininkin kristal, t. y. atitinka vertikalj darin, kai tuo tarpu vienpoli tranzistori 185

k

ir kanale naudoti

puslaidininkines medziagas su kuo didesniu pagrindini krvinink dreifiniu greiciu

puslaidininkins sritys yra isdstytos puslaidininkinio kristalo pavirsiaus plokstumoje, t. y. atitinka horizontalj darin. Kita vertus, is puslaidininkini tais vairi gamybos technologij zinome, jog kontroliuoti puslaidininkini sluoksni stor, o tuo paciu ir pasiekti manomai mazus dydzius vertikalia kryptimi yra zymiai lengviau, negu kad horizontalija ( planariaja ) kryptimi. Vertikalios struktros ( "V" pavidalo ) planarusis lauko tranzistorius yra vienas is bd padaryti vienpol tranzistori su manomai maziausiu kanalo ilgiu L k, kurios planariosios konstrukcijos pjvis yra parodytas 1.119 pav. a. Tokia didziosios raids "V" S

n

G

n

p a)

Lk

n n

Lk

D 10 7·v n, p, cm /s 2 b) GaAs Si 1

SiO2

Ge

0

10

20

30

40

10 3·E, V/cm

1.119 pav. Indukuoto p-kanalo MOP tranzistoriaus "V" pavidalo planarioji konstrukcija (a) ( indukuoto n-kanalo atveju puslaidininkini srici laidumo tipas yra keiciamas priesing- n p ) bei laisvj krvinink dreifini greici- elektron v n ( istisin linija ) ir skyli v p ( brksniuota linija ) priklausomybs nuo elektrinio lauko stiprio E svariose puslaidininkinse medziagose, dazniausiai naudojamose puslaidininkinje elektronikoje ( b) pavidalo planarioji vienpolio tranzistoriaus konstrukcija yra gaunama prasta puslaidininkins silicio (Si) dvigubos difuzijos gamybos technologijos bdu, panaudojus zinom anizotropin sdinimo efekt Si medziagoje. Sio sdinimo efekto esm sudaro tai, jog, esant tam tikrai Si kristalo orientacijai medziagos cheminio sdinimo metu, sdinimo greitis gilyn nuo pavirsiaus ( vertikalia kryptimi ) vyksta sparciau, uz sdinimo greit horizontalija kryptimi sonus, t. y. 186

lygiagreciai sdinamam pavirsiui. Akivaizdu, jog 1.119 pav. a parodytame vienpolio tranzistoriaus darinyje yra lengviausiai realizuojamas indukuoto kanalo MOP tranzistorius. Kita vertus, matome, kad "V" pavidalo pranariajame darinyje turime du lygiagreciai sujungtus MOP tranzistorius. Todl tokio darinio santake D ( arba istake S ) isspinduliuojama galia PD,

S

yra dvigubai didesn ir tai yra papildomas sio darinio privalumas, kuris daznai dar labiau

taikomas didels galios vienpoli tranzistori gamyboje. Akivaizdu, jog "V" pavidalo indukuoto kanalo MOP tranzistoriaus didziausioji ( maksimali ) galia PD,

S max

padidja, patalpinus MOP kristalo santakos D plokstum ant silum nuvedancio radiatoriauspasyvaus arba aktyvaus. Kita vertus akivaizdu, jog "V" pavidalo uztros G duba gali bti realizuota raids "U" pavidalo duba, ko paskoje yra gaunamas "U" pavidalo indukuoto kanalo MOP tranzistoriaus darinys. Siuo atveju kanalo ilgis L (1.379), (1.386), (1.389)). Anksciau nagrindami fizikinius procesus vienpolio tranzistoriaus kanale parodme, jog laisvj krvinink dreifinis greitis v n, p priklauso nuo elektrinio lauko stiprio E kanale ir tai slygoja vienpolio tranzistoriaus isjimo VACh ssmaukos srit. Todl 1.119 pav. b yra parodytos laisvj krvinink dreifini greici- elektron v

n K

yra dar mazesnis ir todl

pagerja lauko tranzistoriaus stiprinimo bei daznins charakteristikos ((1.358), (1.375),

( istisin linija ) ir skyli v

p

( brksniuota linija ) priklausomybs nuo elektrinio lauko stiprio E svariose puslaidininkinse medziagose, dazniausiai naudojamose puslaidininkinje elektronikoje. Is 1.119 pav. b matome, jog visose pateiktose puslaidininkinse medziagose elektron dreifinis greitis v n yra didesnis uz skyli dreifin greit v p ( v n > v p ). Kai elektrinio lauko stipris E yra ribose: 0 < E < 2·10 4 V/cm, elektron dreifinis greitis v n yra didziausias GaAs. Kai E > 2·10 4 V/cm ( stipriuose laukuose ), vis laisvj krvinink dreifini greici v n, p verts artja prie soties dreifinio greicio v s verts, kuri visose pateiktose puslaidininkinse medziagose yra beveik vienoda ( 10

7

cm /s ). Taciau nezirint to, GaAs yra labiausiai

priimtina puslaidininkin medziaga vienpolio tranzistoriaus kanalui, nes silpnuose elektriniuose laukuose ( E < 2·10 4 V/cm ) elektron dreifinis greitis v n yra didziausias- iki 2,2·10

7

cm /s. Vienas is pagrindini GaAs trukum yra tai, jog sioje puslaidininkinje

medziagoje yra sunku realizuoti p-n sandr. Todl si puslaidininkin medziaga tranzistori elektronikoje yra taikoma isimtinai n- kanalo sandrini Sotkio vienpoli tranzistori gamyboje. Selektyviai terpto arba indukuoto n- kanalo sandrinis Sotkio lauko tranzistorius yra vienas is puslaidininkini tais, realizuojantis GaAs pranasumus. 1.120 pav. a yra parodytas vieno is galim variant- selektyviai terpto arba indukuoto n- kanalo Sotkio lauko tranzistoriaus planariosios konstrukcijos pjvis, ir salia jo, pozicijoje b, yra parodyta tokio tranzistoriaus uztros G srities energetin diagrama. 187

Buferinis sluoksnissvarus AlGaAs

Santako D varz mazinanti gili n+- sritis

G

N+

i

S

n+- GaAs N - AlGaAs i

+

G

D

c F v

Dvimats elektron dujos ( kanalas )

d Gk

n

+

Svarus GaAs- kanalo sluoksnis Donorinis elektron sluoksnissvarus AlGaAs

d MN

Dvimats "elektron dujos" ( kanalas )

d Gk b

Buferinis sluoksnis

a

x

1.120 pav. Vieno is galim variant- selektyviai terpto arba indukuoto n- kanalo Sotkio lauko tranzistoriaus planariosios konstrukcijos pjvis (a) ir tokio tranzistoriaus uztros G srities energetin diagrama ( b) Is 1.120 pav. matome, jog idjos esm sudaro vairiatarps N+-i sandros taikymas lauko tranzistoriaus kanalo konstrukcijoje. Anksciau parodme, kad vairiatarpje sandroje atsiranda energetini laidumo juostos dugno

c ir valentins juostos lub v trkis (1.114 c prie sandros

pav. b), ko paskoje siaurajuoscio puslaidininkio laidumo juostos dugne

ribos susidaro potencin duob elektronams (1.120 pav. b). Sis nepageidautinas reiskinys dvipoliame dreifiniame tranzistoriuje su vairiatarpe emiterio p-N sandra (1.114 pav.), lauko tranzistoriaus atveju yra skmingai taikomas ir yra is esms btinas, gaminant n- kanalo sandrinius Sotkio vienpolius tranzistorius (1.120 pav.). Is 1.120 pav. b matome, jog placiajuoscio puslaidininkio ( N+- AlGaAs ) donorini priemais N

d

laisvieji elektronai dreifuoja per N+-i sandr ir kaupiasi siaurajuoscio

puslaidininkio ( i- GaAs ) laidumo juostos dugno

c potencinje duobje , ko paskoje

didels varzos puslaidininkiniame sluoksnyje i- GaAs susidaro didelio elektroninio laidumo kanalas. Sio kanalo viena is svarbiausi ypatybi yra tai, jog potencins duobs storis uztros G kryptimi yra labai mazas- mazdaug elektrono skersmens dydzio. Todl elektron judjim potencinje duobje nusako kvantins mechanikos principai, is kuri seka, jog elektronai tokioje dvimatje duobje gali laisvai judti tik lygiagreciomis N+-i sandros plokstumai kryptimis. Taigi, turime dvimat kanal ir jame esancias dvimates "elektron 188

dujas". Vienas is pagrindini tokio kanalo privalumu yra tai, jog elektronai juda svariame puslaidininkyje, kuriame nra priemaisini atom ir kristalo gardels defekt, kitaip tariant, donorins priemaisos N

d

yra erdvje atskirtos nuo j generuojam "laisvj" elektron n.

Todl elektron judris n, o tuo paciu ir dreifinis greitis v n n·E, yra didziausi. Taciau dl didelio elektron tankio n potencinje duobje , dvimatis kanalas yra prispaustas prie N+-i sandros ribos ir todl yra labai arti sios ribos. Dl sios priezasties elektron judjim kanale neigiamai takoja elektriniai laukai, kuriuos slygoja donorini priemais N d jonizuoti atomai, esantys salia N+-i sandros ribos placiajuosciame N+- puslaidininkyje. Si elektrini lauk takoje elektronai yra barstomi, ko paskoje sumazja j judris n ir tuo paciu dreifinis greitis vn. Tikslu isvengti sios neigiamos takos, tarp stipriai legiruoto placiajuoscio N+- puslaidininkio ir svaraus siaurajuoscio i- puslaidininkio yra terpiamas buferinis svarus placiajuostis I- puslaidininkinis sluoksnis, kurio draustini energij juostos plotis

g yra

lygus stipriai legiruoto placiajuoscio N+- puslaidininkio draustini energij juostos plociui. Akivaizdu, jog buferinio sluoksnio storis turi bti manomai mazas, nes tai uztikrina didesn vienpolio tranzistoriaus statum S = I C

G D

/U

G

n·C

G

(1.346). Taciau uztros G talpa

1/d

Gk

(1.37), kur d

Gk

- atstumas tarp uztros G kontakto metalo sluoksnio ant

puslaidininkio pavirsiaus ir dvimaci "elektroniniu duj" ( kanalo ) (1.121 pav. a), t. y. turime atvirksci C G verts priklausomybs nuo d Gk. Kita vertus, vienpolio tranzistoriaus statumas S yra pagrindinis parametras, lemiantis tranzistoriaus stiprinimo savyb. Todl uztros G metalinis Sotkio kontaktas yra patalpintas kuo arciau kanalo, t. y. specialiai tuo tikslu issdintame dubime (1.120 pav. a). Priklausomai nuo atstumo d

Gk

ir placiajuoscio N- puslaidininkio legiravimo

donorinmis priemaisomis tankio N d, esant slygai: UG 0, Sotkio sandros nuskurdinta sritis, kuri 1.120 pav. a yra parodyta brksniuotu-taskiniu staciakampiu po uztra G, gali siekti arba nesiekti dvimates "elektronines dujas" ( kanal ). Kai Sotkio sandros nuskurdintos srities storis d

MN

(1.98) tenkina slyg: d

MN o

MN o

d

Gk,

Gk,

turime selektyviai terpto n- kanalo

sandrin Sotkio tranzistori, o kai d sandrin Sotkio tranzistori, kur: d uztros tampa UG 0. Selektyviai terpto n-

> d

turime selektyviai indukuoto n- kanalo

MN o

- Sotkio sandros nuskurdintos srities storis, kai sandrinio Sotkio tranzistoriaus elektrins

kanalo

charakteristikos atitinka atidarytojo n- kanalo sandrinio Sotkio tranzistoriaus (1.108 pav.) elektrines charakteristikas (1.92 pav.) ir savybes. Taciau yra nedidelis skirtumas, pasireiskiantis tuo, jog selektyviai terpto n- kanalo sandriniame Sotkio tranzistoriuje santakos srov I D pradeda mazti tik nuo tam tikros uztros tampos UG p ( 1.121 pav. a, kur 189

brksniuota-taskine kreive yra parodyta n- kanalo sandrinio Sotkio tranzistoriaus perdavimo charakteristika bendros istakos grandinje).

ID I *D max UDS > 0

| S *s | | S s | 0,4 0,2 0,1·I *D max 0 UGS

Us

UG p a

1

0,5

0,1 0 b

UGS

1.121 pav. Selektyviai terpto n- kanalo sandrinio Sotkio tranzistoriaus perdavimo charakteristika I D (UGS ) ( a- istisin kreiv ) ir n- kanalo sandrinio Sotkio tranzistoriaus perdavimo charakteristika I D (UGS ) ( a- brksniuota-taskine kreiv ) bei is (1.391) paskaiciuota Selektyviai terpto n- kanalo sandrinio Sotkio tranzistoriaus statumo S *s priklausomyb | S *s |(UGS ) ( b- istisin kreiv ) ir atitinkama is (1.282) paskaiciuota n- kanalo sandrinio Sotkio tranzistoriaus priklausomyb | S s |(UGS ) ( b- brksniuota-taskine kreiv ), kai: I *D max 10 mA; Us 1 V; UG p 0,1 V ir m 3 Selektyviai terpto nkanalo sandrinio Sotkio tranzistoriaus perdavimo

charakteristikos I D (UGS ) kreivs pobdis yra paaiskinamas taip: didjant tampai |UGS | 0 iki kreivs I D (UGS ) piko ( smails ) verts |UG p | (1.121 pav. a), besiplecianti Sotkio sandros nuskurdinta sritis ( brksniuotas-taskinis staciakampis 1.120 pav. a ) artja prie N+-i sandros ribos ir padidina elektron tank n dvimaciame kanale, nes siuo atveju yra papildomai jonizuojami donorini priemais N pradzioje santakos srov I

D d

atomai, esantys toliau nuo N+-i sandros ribos. Todl

p

didja. Toliau didjant uztros tampai |UGS | |UG

|

besiplecianti Sotkio sandros nuskurdinta sritis kerta buferin sluoksn ir patenka dvimaci "elektron duj" kanal, ko paskoje santakos srov ID labai staigiai mazja ir prie uztros tampos |UGS | |Us |, santakos srov I

D

0. Cia reikia pastebti, jog selektyviai terpto

*

n- kanalo sandrinio Sotkio tranzistoriaus statumas S

yra didesnis uz kit vienpoli (UGS ) neapsiraso

tranzistori statum, nes dvimatis kanalas yra labai plonas. Kita vertus, selektyviai terpto n- kanalo sandrinio Sotkio tranzistoriaus perdavimo charakteristika I galima taikyti si aproksimacij: I D I *D max [1 (|UGS UG p |/|Us UG p |)] m, (1.390) 190

D

anksciau pateiktomis aproksimacinmis israiskomis. Taciau, analogiskai israiskai (1.281),

kur: m- laipsnio rodiklis ir dazniausiai m 2; I *D max - srovs I D vert kreivs I D (UGS ) pike, kai |UGS | = |UG p |; |Us | |UGS | 0. Is perdavimo charakteristikos (1.390) randame selektyviai terpto n- kanalo sandrinio Sotkio tranzistoriaus statum S *s kintamajai srovei bendros istakos schemoje ( vert tenkina slyg (1.254)): | S *s | [ I D (UGS)] |UGS I D ~ /UGS ~ m I *D max {1 [|UGS UG p |/(|Us | |UG p |)]}(m 1)/(|Us | |UG p |), (1.391) kai UDS const ir |Us | |UGS | 0. Is (1.391) paskaiciuota statumo | S

* s

'

| priklausomyb nuo uztros tampos UGS yra

parodyta 1.122 pav. b, kai: I *D max 10 mA; Us 1 V; UG p 0,1 V ir m 3. Ten pat, esant toms pacioms slygoms, palyginimui yra pateikta is (1.282) paskaiciuota atidarytojo n- kanalo sandrinio Sotkio tranzistoriaus statumo | S s | priklausomyb nuo UGS ( brksniuota-taskin kreiv ). Selektyviai indukuoto n- kanalo sandrinio Sotkio tranzistoriaus elektrins charakteristikos atitinka indukuoto n- kanalo MOP tranzistoriaus (1.104 pav. b) elektrines charakteristikas (1.99 pav.) ir savybes. Cia, kaip ir selektyviai terpto n- kanalo sandrinio Sotkio tranzistoriaus atveju, dideli santakos srovi I

D

I

*

D max

srityje, didjant uztros

tampai UGS UG p taip pat yra stebimas santakos srovs I D mazjimas (1.121 pav. a). Todl, analogiskai israiskai (1.320), bendros istakos schemoje (BI) selektyviai indukuoto n- kanalo sandrinio Sotkio tranzistoriaus perdavimo charakteristikai I aproksimacij: I D I *D max {1 [(UG p UGS )/Us ]} m, kur: UG p UGS Us 0. Be anksciau aprasyt selektyviai terpto bei indukuoto n- kanalo sandrinio Sotkio tranzistoriaus privalum, btina pazymti j mazus triuksmus. Ir apskritai, puslaidininkini tais elektriniai triuksmai yra labai svarbs puslaidininkinje elektronikoje. Todl sioje mokymo priemonje vlesniuose skyriuose yra pateikti elektronini grandyn bei puslaidininkini tais triuksm fizikos pamatiniai pagrindai. Suprantama, jog siame skyriuje pateikti toli grazu nevisi siuo metu taikomi dvipolio bei vienpolio tranzistoriaus pagrindini savybi gerinimo bdai. Taciau cia aprasyti sprendimai ir j realizacijos iliustruoja puslaidininki fizikos pamatini zini taikymo galimybes, konstruojant naujus puslaidininkinius taisus bei gerinat jau zinom sprendim tais parametrus. S teigin puikiai iliustruoja puslaidininkinis taisas IGBT ( Insulated Gate 191 (1.392)

D

(UGS ) galima taikyti si

Bipolar Transistor- dvipolis tranzistorius su izoliuota uztra ), kuriame yra skmingai panaudota dvipolio ir vienpolio ( lauko ) tranzistori veikos simbioz. IGBT darinio planariosios konstrukcijos pjvis yra parodytas 1.122 pav. a, kur pozicijoje ,,b" yra parodytas tokio taiso grafinis zymuo. x y a)

p+- padklas p+ p

(S)

K

n+

G + UGK K

ni n n ( p )

b)

G E

E + UEK IK UKE 0 c) UGK Us 0 Us UGK 0 UKE s UKE IK U *KE s

UGK Us

1.122 pav. IGBT darinio planariosios konstrukcijos pjvis (a) ir tokio taiso grafinis zymuo ( b) bei perdavimo (c) ir isjimo (d ) VACh

Is 1.122 pav. a matome, jog IGBT darinis horizontalia x- asies kryptimi turi indukuoto n- kanalo MOP tranzistoriaus (1.104 pav. b) konstrukcij, o vertikalija y- asies kryptimi turi dvipolio p-n-p tranzistoriaus konstrukcij. Indukuoto n- kanalo MOP tranzistoriaus darin sudaro kristalo pavirsiuje suformuotos n+- p- n sritys. Indukuotas n i - kanalas yra po uztr G tarp n+- ir n- srici ( 1.122 pav. a indukuotas n i - kanalas yra parodytas brksniuota tiese ). Dvipolio p-n-p tranzistoriaus darin sudaro kristalo tryje y- asies kryptimi suformuotos p-n-p+( padklo ) sritys, kur p- sritis yra kolektorius (K), n- sritis yra baz ( neturi ominio kontakto isvado ) ir p+ ( padklo )- sritis yra emiteris (E). Taigi IGBT veik isnagrinsime BE jungimo grandinje normalios veikos atveju, kai kolektoriaus-emiterio tampa UKE 0, o uztros G tampa atzvilgiu kolektoriaus K tenkina slyg: UGK 0. Siuo atveju, kai UGK = 0, kolektoriaus ir emiterio pastoviosios srovs I K ir I E, atitinkamai, yra lygios- I K = I E I K e s (1.143), esant slygai: UKE UKE max. Siuolaikini IGBT atgalins soties srovs I K e s vert nevirsija 100 µA. Taigi, kol yra tenkinama slyga: 0 UGK Us, IGBT yra normaliai 192

uzdarytas, nes kolektoriaus ( p-sritis ) - bazs ( n-sritis ) p-n sandra yra jungta atgaline kryptimi. Kai uztros G tampa UGK Us, p- srities pavirsiuje po uztra G yra indukuojamas n- kanalas, ko paskoje dl tampos UKE poveikio elektronai is n+- srities dreifuoja n- srit ( baz ) ir per laiko trukms vienet t j krauna neigiamu krviu Q

Bn.

Dl krvio

neutralumo islaikymo slygos bazje per t pat laiko vienet t is p+- ( padklo ) srities ( emiterio ) baz ( n- srit ) difunduoja toks pat skyli kiekis + Q

Bp

= | Q

E

Bn

|, t. y. per

Bp

emiterio-bazs p+-n sandr teka emiterio tiesiogin ( difuzin ) srov I

= Q

/ t.

Akivaizdu, jog per kolektori K teka to paties dydzio kolektoriaus srov I K = | Q Bn | / t I E. Cia pastebsime, jog IGBT kolektoriaus srov I K atitinka lauko tranzistoriaus kanalo srov I

D, S

ir I

K

nra ekstrakcijos srov, kuri stebime dvipoliame tranzistoriuje. Taigi, cia

nagrinjamo BE grandinje jungto IGBT perdavimo charakteristika I K (UGK ) (1.122 pav. c) atitinka BI schemoje jungto indukuoto n- kanalo MOP tranzistoriaus perdavimo charakteristik I D (UGS ) (1.99 pav. a). Tuo tarpu BE grandinje jungto IGBT isjimo VACh (1.122 pav. d ) gana stipriai skiriasi nuo BI schemoje jungto indukuoto n- kanalo MOP tranzistoriaus isjimo VACh (1.199 pav. b), nes IGBT isjimo VACh neturi lauko tranzistoriams bdingos aiskiai isreikstos pradins srities. Taip pat BE grandinje jungto IGBT isjimo VACh gana stipriai skiriasi ir nuo BE grandinje jungto dvipolio tranzistoriaus isjimo VACh (1.61 pav. b, kur UKE reikia pakeisti UKE ), nes IGBT atveju nra stebimas Erlio efektas ( r KE e const /I K (1.153)). Be to IGBT isjimo VACh (1.122 pav. d ) santykinai maz tamp srityje UKE 0 yra stebima santykinai didels verts slenkstin tampa UKE s = 0,4 0,7 V ( Si atveju ), kuri yra susijusi su tiesiogine kryptimi jungto emiterio p+-n sandros tampa Ud (1.19 pav.) bei tampa U

* k

kanale: UKE s Ud + U

*

k

( cia nra

skaitoma tampa UB bazs varzoje R B ). Taigi dl sios priezasties pilnai atidaryto IGBT soties tampa U *KE s UKE s + UB yra santykinai dideli verci ir siekia 1 4 V, o tai yra vienas is esmini IGBT trukum. Kita vertus is 1.122 pav. a matome, jog emiterio p+-n sandros plotas S pn E yra santykinai didelis, ko paskoje IGBT emiterins p+-n sandros barjerin talpa C EB yra labai didel- siekia simtus ir daugiau pF. Si talpa nagrinjamame IGBT, analogiskai anksciau aprasyto dreifinio tranzistoriaus su dviej sluoksni baze atveju (1.112 pav.), gali bti zymiai sumazinta vedus papildom donorinmis N

d

priemaisomis silpnai legiruot

puslaidininkin n - sluoksn tarp emiterio p+- srities ir bazs n- srities ( papildoma n - sritis 1.122 pav. a yra parodyta brksniuota linija ). Cia pastebsime, jog papildoma n - sritis siek tiek padidina tampos U

* KE s

vert dl padidjusios bazs varzos R

B

ir to paskoje

padidjusios tampos UB joje. Todl papildomo n- sluoksnio storis turi tenkinti kompromisin slyg, analogiskai anksciau aprasyto dreifinio tranzistoriaus su dviej sluoksni baze atveju (1.112 pav. b). Kita vertus IGBT darinyje p-n-p tranzistorin dalis 193

veikia su atjungta baze ( I B 0 ) ir todl siuo atveju nra btina tenkinti vien is pagrind dvipolio tranzistoriaus veikos slyg (1.199). Todl nagrinjamame IGBT talpa C EB gali bti zymiai sumazinta kitu bdu- vedus papildom akceptorinmis N

a

priemaisomis silpnai

*

legiruot puslaidininkin p - sluoksn tarp emiterio p+- srities ir bazs n- srities (1.122 pav. a). Siuo atveju taip pat papildoma p - sritis siek tiek padidina tampos U padidjusios emiterio varzos R E. Anksciau nagrindami dvipolio tranzistoriaus daznini charakteristik priklausomyb nuo valdymo bdo- srove ar tampa, parodme, jog valdymo srove atveju BE jungimo grandinje tranzistoriaus ribinis daznis (1.244) yra apsprstas laiko trukms konstantos

KE s

vert dl

b

=

ef B

- salutini krvinink efektyviosios gyvavimo trukms bazje. IGBT darinyje

(1.122 pav. a) bazs n- sritis neturi ominio kontakto su schemos grandine ir tai atitinka jos valdym srove. Taigi IGBT aukstasis ribinis daznis a r, e BE jungimo atveju yra apsprstas isimtinai salutini krvinink efektyviosios gyvavimo trukms ef B bazje. Kita vertus, IGBT emiterins p+-n sandros barjerin talpa C

EB,

kai nra imtasi priemoni jos esmingam

a r, e

mazinimui, taip pat turi didel tak aukstojo ribinio daznio daznio

vertei, nes, analogiskai

israiskai (1.248), turime: a r, e 1/[ ef B + ( R B + R E )·C EB ]. Taigi IGBT aukstojo ribinio

a r, e

vert siekia desimtis kHz ir nevirsija 1 MHz ribos, o tai yra esminis IGBT

trukumas. Taciau, palyginus su dvipoliu tranzistoriumi, IGBT turi esmini privalum- jo jimo varza BE jungimo grandinje atitinka MOP tranzistoriaus BI jungimo grandins savybes, t. y. pakankamai zem dazni diapazone si varza yra labai didel- siekia desimtis ir simtus M. Kitas esminis IGBT pranasumas pries MOP tranzistorius yra nepalyginamai didesns statumo S

IGBT

verts, kurios yra artimos dvipolio tranzistoriaus statumo S

e

vertms BE jungimo

schemoje (1.146). 2.3. Tranzistori triuksm fizika Nagrinjant triuksm atsiradimo priezastis vairiuose tranzistoriuose btina susipazinti su egzistuojancia triuksm vairove bei j fizikiniais pagrindais. 1. Siluminis triuksmas- reiskinys, kai bet kokio rezistoriaus R isvaduose ( ominiuose kontaktuose ) yra stebimas tampos U, kai isvadai laisvi, arba srovs I, kai isvadai uztrumpinti, fluktuacijos UT bei I T, atitinkamai, kuri vertes nusako Naikvisto formuls: U 2T 4·k·T·R·, I 2T 4·k·T· /R, (1.393)

kur: - siluminio triuksmo dazni intervalas ( plotis ) ( cia ir toliau pabraukimai virs atitinkamo dydzio reiskia jo vidutin vert ). 194

Siluminio triuksmo fizikin prigimtis yra medziagos laisvj elektron Brauno judesiai. Si atsitiktini judesi vairiomis kryptimis isdavoje, vairiais atsitiktiniais laiko momentais t krvinink, pvz. elektron kiekis n x, judanci vieno is rezistoriaus gnybt kryptimi ( x- asies kryptimi ), yra didesnis ( arba mazesnis ) uz j kiek n x, judanci kito rezistoriaus gnybto kryptimi ( x- asies kryptimi ). Todl atsiranda srovs I arba tampos U fluktuacijos I T bei UT, atitinkamai. Akivaizdu, kad si fluktuacij santykin vert I T /I arba U

T

/U tuo mazesn, kuo didesnis laisvj krvinink, pvz. elektron tankis n

medziagoje, t. y. kuo mazesn rezistoriaus R varza. Kita vertus si fluktuacij vert yra tiesiog proporcinga Brauno judesi intensyvumui, t. y. medziagos temperatrai T. Todl siluminis triuksmas rezistoriuje R didja, didjant jo temperatrai T, k ir nusako Naikvisto formuls (1.393). Cia reikia pastebti, jog is Naikvisto formuli seka svarbi isvada: reaktyvieji elementai ( kondensatorius C ir induktyvumo rit L ) neturi siluminio triuksmo. Kita vertus, Naikvisto formules (1.393) galima apibendrinti kompleksins varzos Z atveju taip: U 2T 4·k·T·( Re Z )·, I 2T 4·k·T· /( Re Z ), (1.394)

ir is cia tampos U ir srovs I fluktuacij UT bei I T, atitinkamai, spektriniai tankiai S u T ir S i T, atitinkamai, yra uzrasomi taip: S u T ( ) U 2T / 4·k·T·( Re Z ), S i T ( ) I

2 T /

(1.395)

4·k·T /( Re Z ).

Is (1.395) seka: siluminio triuksmo dazni spektro sand ( dedamj ) amplituds nepriklauso nuo daznio ir todl toks daznini spektras yra vadinamas "baltuoju triuksmu". Taciau realiai bet koks rezistorius R turi konstruktyvin ( parazitin ) talp C R, kuri aukstuose dazniuose suntuoja rezistoriaus R varz. Is cia seka, jog bendruoju atveju rezistori R galima pavaizduoti lygiaverte ( ekvivalentine ) grandine, sudaryta is lygiagreciai sujungt varzo R ir talpos C R. Tokiu atveju kompleksins varzos Z RC R [ j /( C R )]/[ R j /( C R )] realioji dalis- Re Z

RC

R /[1 + ( R C

R

)

2

]. Is cia ir (1.395) seka: didjant varzai R, kai

C R const, baltojo triuksmo dazni spektro plotis siaurja proporcingai 1/R. Kai R , fluktuacij UT bei I T spektriniai tankiai S u ( ) ir S i ( ), atitinkamai, artja nul, t. y. bendru atveju kondensatorius C nekuria siluminio triuksmo. 2. Sratinis triuksmas- reiskinys, kai elektrine grandine tekant srovei I, salia siluminio triuksmo yra stebimas papildomas, su temperatra T nesusijs triuksmas. Sis triuksmas pirmiausiai buvo aptiktas vakuuminiuose taisuose- dioduose, trioduose ir t. t. Sratinio triuksmo fizikin prigimtis yra apsprsta krvinink krvio q diskretiskumo ir, pasiekianci 195

pvz. vakuuminio diodo anod vairiais laiko momentais t, krvinink skaiciaus N fluktuacij N. Detalus sio reiskinio nagrinjimas parod, jog sratinio triuksmo saltinis gludi elektrovakuumins lempos katode "K", kur, esant labai aukstai temperatrai T, elektronai gali palikti tik veik tam tikr potencin barjer A e - elektron islaisvinimo is katodo metalo darbas. Dl sio barjero kaitint katod paliekanci elektron skaicius N vairiais laiko momentais t yra skirtingas. Kita vertus, skirtingas ir katod paliekanci elektron pradinis greitis v n o. Todl greitinancios anodo "A" tampos UAK 0 poveikyje, pasiekianci anod elektron skaicius N kiekvienu laiko momentu t yra atsitiktinis dydis. Is cia seka, jog tekanti vakuuminiu diodu anodo srovs I A ( t ) q·N ( t )/ t vert svyruos apie vidutin vert I A o : I A ( t ) q·N ( t )/ t I A o s - anodo vidutin soties srov, kai anodo tampa UAK yra pakankamai didel, ir anodo srovs I A ( t ) fluktuacij I sr ( t ) spektrinis tankis yra: S i sr ( ) 2·q·I A o s. Israiska (1.396) yra sratinio triuksmo Sotkio formul. Kai vakuuminio diodo anodas yra apkrautas varzu Ra, joje teka anodo srov I A ( t ) ir dl jos fluktuacij I sr ( t ) apkrovos varzoje Ra susidaro sratinio triuksmo tamp fluktuacijos Usr ( t ) I sr ( t )·R a, kuri dispersija Usr2 yra uzrasoma taip: Usr2 2·q·I A o s·Ra2·. (1.397) (1.396)

Apibendrinant Sotkio formules (1.396) (1.397) galima teigti, jog bet kokia elektros grandine tekanti srov I sukuria srovs sratin triuksm I sr2 2·q·I·, jeigu toje grandinje yra bet kokios fizikins prigimties energetiniai barjerai , trukdantys laisvam krvinink judjimui. Kita vertus, elektrine grandine tekancios srovs I sratinis triuksmas I (1.1)) sratin triuksm Usr2 2·q·I·R 2· . 3. Rekombinacinis triuksmas- reiskinys, kai elektrine grandine tekant srovei I, salia siluminio triuksmo ir sratinio triuksmo yra stebimas papildomas, taip pat su temperatra T nesusijs triuksmas. Anksciau nagrindami dvipolio tranzistoriaus fizikinius veikos principus parodme, jog salutini krvinink pernasos per baz koeficientas B (1.200), o tuo paciu ir emiterio I E bei bazs I B srovi perdavimo koeficientai (1.215) ir (1.242), atitinkamai, yra apsprsti injektuot is emiterio baz salutini krvinink rekombinacijos su pagrindiniais krvininkais bazje reiskinio. Kadangi rekombinacijos proceso atskiras rekombinacinis aktas vyksta atsitiktiniu bdu, tai sio atsitiktinio reiskinio isdavoje bet kuriuo laiko momentu t 196

2 sr

tos

grandins kiekviename rezistoriuje R sukuria tampos UR I·R ( Omo dsnis grandyno daliai

laisvj krvinink skaicius N tokiame puslaidininkyje yra fluktuojantis dydis- N N. Akivaizdu, jog krvinink skaiciaus N fluktuacijos N sukelia per puslaidinink tekancios nuolatins srovs I o fluktuacijas I : I /I o N /N o, (1.398)

kur: No - vidutinis laisvj krvinink skaicius puslaidininkyje, kuriame vyksta rekombinacinis procesas. Tiesins rekombinacijos atveju fluktuacijai N galima uzrasyti: d ( N ) /d t N / ef, kur: ef - salutini krvinink efektyvioji gyvavimo trukm. Diferencialins lygties (1.399) sprendinys, esant krastinei slygai: kai t 0, fluktuacijos N ( t ) N o, yra ieskom fluktuacij N kitimas laike t : N ( t ) N o·exp ( t / ef ), kur: N o - pradin fluktuacija nuo vidutins verts. Galima parodyti, jog is (1.400) seka rekombinacinio proceso puslaidininkyje takotas krvinink skaiciaus N fluktuacij N ( t ) spektrinis tankis: S N ( ) 4· N 2 · ef / 1 + ( · ef ) 2 , kur: N 2 - krvinink skaiciaus N ( t ) puslaidininkyje dispersija. Is (1.398) ir (1.401) seka, jog puslaidininkyje, kuriame vyksta rekombinacinis procesas, srovs I fluktuacij I spektrinis tankis yra: S i ( ) I o2·S N ( )/N o2 4·I o2· N 2 · ef /{N o2· 1 + ( · ef ) 2 }. (1.402) Atskiru atveju, kai laisvieji krvininkai puslaidininkyje yra nepriklausomi, dispersija (1.401) (1.400) (1.399)

N 2 N o, ir gaut israisk (1.402) galima uzrasyti taip:

S i ( ) 4·I o2· ef /{N o· 1 + ( · ef ) 2 }. (1.403)

Is cia, analogiskai (1.394) (1.397), seka: jeigu bet kokioje elektros grandinje yra puslaidininkin sritis su joje vykstanciu rekombinaciniu procesu, tai tokia elektros grandine tekanti srov I sukuria srovs rekombinacin triuksm- I 2 S i ( )·. Kita vertus is Omo dsnio grandins daliai seka akivaizdi isvada: tekancios grandine srovs I rekombinacinis 197

triuksmas I 2 sios elektrins grandins kiekviename rezistoriuje R sukuria tampos UR I·R rekombinacin triuksm- U2 S i ( )·R 2· . Salia rekombinacinio reiskinio puslaidininkyje gali vykti krvinink poros ( elektronas-skyl ) generacijos procesas ( prisiminkime p-n sandros gritin (1.62), tunelin (1.69) bei silumin (1.79) pramusimus ). Akivaizdu, jog generacijos proceso metu atskiras generacinis aktas vyksta atsitiktiniu bdu. Todl bet kuriuo laiko momentu t laisvj krvinink skaicius N tokiame puslaidininkyje yra fluktuojantis dydis- N N ir krvinink skaiciaus N fluktuacijos N sukelia per puslaidinink tekancios nuolatins srovs I

o

fluktuacijas I (1.398). Is cia seka, jog visos anksciau pateiktos formuls (1.398) (1.403) ir isvados rekombinacinio proceso sukeltam triuksmui aprasyti tinka ir generacinio proceso sukeltam triuksmui S

i g

( ) nusakyti. Todl abu sie triuksmai yra apjungiami vien ( ) yra paskaiciuojamas is (1.403). Apibendrinant

generacin-rekombinacin triuksm, kurio sukeltas tekancios per tok puslaidinink srovs I fluktuacij I spektrinis tankis S

i -g

galima teigti: bet kokia elektros grandine tekanti srov I sukuria srovs generacinrekombinacin triuksm- I -g2 S i -g ( )·, jeigu toje grandinje yra puslaidininkin sritis su joje vykstanciu generaciniu-rekombinaciniu procesu. Kita vertus, srovs I generacinisrekombinacinis triuksmas I -g2 tos elektrins grandins kiekviename rezistoriuje R sukuria tampos UR I·R generacin-rekombinacin triuksm- U-g2 S i -g ( )·R 2· . 4. Zemadaznis triuksmas, arba dar kitaip vadinamas "1/f triuksmas", tai salia anksciau aprasyt triuksm elektroninse grandinse stebimas papildomas triuksmas, kurio fizikin prigimtis yra susijusi su atsitiktiniais elektros srovs I ar tampos U svyravimais, atsirandanciais dl medziagos elektrins varzos R arba elektronini tais parametr atsitiktini svyravim ir nepastovumo laike t. Istoriskai 1/f triuksmas pirmiausiai buvo aptiktas vakuuminse lempose, kuriose sis reiskinys yra slygotas katodo elektronins emisijos atsitiktiniais svyravimais ( "mirgjimais" ). Sio triuksmo pavadinimas atspindi tai, jog 1/f triuksmo galios spektrinis tankis S f ( ) yra atvirksciai proporcingas dazniui . Taigi, jei medziagos elektrin varza R fluktuoja- R R, tai tekanti sios medziagos knu nuolatin srov I

o

taip pat fluktuoja- I

o

I ir yra stebimas 1/f triuksmas, kurio galios fluktuacij

spektrinis tankis S f ( ) yra tiesiog proporcingas tekancios srovs I o vertei I o2 ir atvirksciai proporcingas suminiam judrij ( laisvj ) krvinink skaiciui N medziagoje: S i f ( )/I 2o S u f ( )/Uo2 S R f ( )/R 2 A/ * /( N· ), (1.404) kur: Uo I o·R; A, ir - koeficientai, kuri verts yra nustatomos is eksperimento.

198

Cia reikia pastebti, jog 1/f triuksmas yra fundamentalus reiskinys, t. y. pasireiskia beveik visur: puslaidininkiuose, metaluose, dielektrikuose ( izoliatoriuose ), visuose elektroniniuose taisuose bei vairiuose gamtos reiskiniuose, ir t. t. Is (1.404) seka, jog 1/f triuksmo spektro pobdis ne visada bna tiksliai atvirksciai proporcingas dazniui ir todl jis yra aproksimuojamas atvirkstine laipsnine funkcija ( daugeliu zinom atvej: 0,9 1,2 ). Aukstesniuose dazniuose, kai f 10 2 10 3 Hz, 1/f triuksmas pasidaro mazesnis uz silumin triuksm ir jo taka, didjant dazniui , tampa nezymi. Kita vertus, dazniui 0, 1/f triuksmo galios spektrinis tankis S f ( ) negali neapibrztai didti, t. y. turi bti stebima riba: S f ( ) 0 const. Nuo 1/f triuksmo aptikimo vakuuminje lempoje momento buvo pasilyta daug jo fizikin prigimt aiskinanci teorini modeli. Is vis iki siol zinom fizikini triuksm mechanizm, 1/f triuksmo eksperimentin priklausomyb (1.404) geriausiai apraso fizikinis modelis, kuris yra grindziamas generacini-rekombinacini (1.403) ( arba kitaip relaksacini ) spektr superpozicija ( suma ): S u f m ( )/U 2 a m· m / 1 + ( · m ) 2 ,

m

(1.405)

kur: a

m

- nedimensinis parametras, apibdinantis relaksacinio triuksmo, kurio relaksacijos

trukm m, intensyvum ( m 1, 2, 3, ...). Is (1.405) seka, jog, keiciant parametrus a m,

m

ir j skaici m tam tikrame zem

dazni intervale , galima gauti zinom eksperimentin priklausomyb (1.404), kurioje0 2. Kita vertus, 1/f triuksmo aprasymas israiskos (1.405) bdu garantuoja tai, jog dazniui 0, fluktuacij spektrinis tankis S u f ( ) const, t. y. neturime neapibrztumo ( begalybs ). Taigi, 1.123 pav. yra parodytas grafinis 1/f triuksmo teorinis modeliavimas, taikant spektr superpozicijos metod (1.405), kuriame tam tikru bdu parenkamas relaksacijos trukmi m tikimybs tankis g ( m ). lg S u f ( )/U 2 1 S u f m ( )/U 2

lg 1

lg 2

lg

1.123 pav. Grafinis 1/f triuksmo teorinis modeliavimas taikant spektr superpozicijos metod (1.405), kuriame tam tikru bdu parenkamas relaksacijos trukmi m tikimybs tankis g ( m ) 199

Zinome,

jog

puslaidininkyje

vykstanci

generacini-rekombinacini

proces

relaksacijos trukm: m ef n, p - salutini krvinink n p arba p n, atitinkamai, efektyvioji gyvavimo trukm. Todl, norint paaiskinti eksperimentinius 1/f triuksmo matavimo rezultatus, seka, jog gyvavimo trukmi ef n, p pasiskirstymas turi bti labai placiame trukmi diapazonenuo 10 6 s iki 10 7 s ir daugiau. Buvo pasilyta daug vairi fizikini mechanizm vienaip ar kitaip aiskinanci gyvavimo trukmi

ef n, p

pasiskirstym vairiuose medziagose bei j

dariniuose. Taciau labiausiai tinkamas tokio plataus gyvavimo trukmi ef n, p pasiskirstymo fizikinio mechanizmo paaiskinimas yra toks: bet kurioje medziagoje, tame tarpe ir puslaidininkyje, yra daug vairiausi liktini defekt- dislokacijos, priemais sankaupos, kristalins gardels pazeidimai, intarpai, pavirsiaus fizika ir t. t. Vis tai sukuria didelius medziagos energetini juost, pvz. laidumo juostos dugno laidumo juostos dugno

c,

iskraipius, ko paskoje

c plokstuma ( x-, y- asi kryptimis) gauna potencialinio reljefo

c

iskysulius ( potencinius barjerus

) bei griuvas ( potencines duobes

c

), kuri

energetiniai auksciai + c ir gyliai c , atitinkamai, yra labai vairs. Termoaktyvacinis laisvj krvinink pagavimas ( rekombinacija ) arba j suzadinimas ( generacija ) sukelia sio atsitiktinio potencialinio reljefo parametr atsitiktinius kitimus, kurie ir sukuria medziagos varzos ( arba laidzio ) arba elektroninio taiso tam tikr parametr fluktuacijas, o tuo paciu tai ir slygoja 1/f triuksm. vairi elektronikos tais ir grandini keliamiems triuksmams nusakyti, be jau aprasyt atitinkam elektrini dydzi fluktuacij spektrini tanki S u, i, yra vartojami ir kiti triuksm parametrai- triuksmo ekvivalentai: R trs ( arba G trs ) - triuksmo varza ( arba laidumas ); Ttrs - triuksmo temperatra; I ekv s - lygiavert vakuuminio diodo soties srov; K trs - triuksmo koeficientas. Triuksmo varza R

trs

- dydis, lygus rezistoriaus R varzai, kuriai esant rezistoriaus

siluminio triuksmo tampos Utrs fluktuacij UT spektrinis tankis S u T ( ) (1.393) yra lygus nagrinjamo elektroninio renginio ( x ) tampos Ux fluktuacij UT S u x ( ): S u x ( ) S u T ( ) UT2 / 4·k·T·R trs x, ir is cia elektroninio renginio ( x ) triuksmo varza R trs x yra isreiskiama taip: R trs x S u x ( )/(4·k·T ). (1.406) 200

x

spektriniam tankiui

Triuksmo laidumas G trs - dydis, lygus rezistoriaus R laidumui G 1/R, kuriam esant rezistoriaus siluminio triuksmo srovs I trs fluktuacij I T spektrinis tankis S i T ( ) (1.393) yra lygus nagrinjamo elektroninio renginio ( x ) srovs I tankiui S i x ( ): S i x ( ) S i T ( ) I T2 / 4·k·T·G trs x, ir is cia: G trs x S i x ( )/(4·k·T ). Dvipolio ( pvz. diodo ) atveju dydzius R trs ir G trs sieja sis srysis: R trs G trs·| Z | 2, kur: Z - dvipolio kompleksin varza. Triuksmo temperatra Ttrs - dydis, kurio vert yra lygi absoliuciai juodo kno arba suderintos apkrovos Ra Z o ( Z o - signal perdavimo linijos bangin varza ) temperatrai T, kuriai esant juodo kno arba suderintos apkrovos Ra siluminio triuksmo galios Ptrs spektrinis tankis S

P T x

fluktuacij I

T x

spektriniam

(1.407)

(1.408)

( ) yra lygus nagrinjamo elektroninio renginio ( x ) triuksmo galios Ptrs

x

spektriniam tankiui S P x ( ): S P x ( ) k·Ttrs x, arba Ttrs x S P x ( ) / k. (1.409)

Cia reikia pastebti, jog triuksmo temperatros Ttrs svoka yra labai placiai vartojama vertinant triuksm gali Ptrs vairiuose elektroniniuose renginiuose: elektrovakuuminiuose ir puslaidininkiniuose taisuose; aprasant silumin triuksm puslaidininkiuose, esanciuose stipriame elektriniame lauke; nusakant radijo rysio anten triuksm; nusakant kosmini saltini radijo spinduliuot ir t. t. Triuksmo temperatra Ttrs yra dazniausiai surandama lyginant tiriamj elektroninio renginio ( x ) ar kito saltinio triuksm su etaloniniu triuksm generatoriaus triuksmo galia Ptrs et. vairi dvipoli ( x ) triuksmo temperatr Ttrs formuli- (1.393) (1.395): Ttrs x S u x ( )/(4·k·R x ), kur: G x 1/R x. 201 T trs x S i x ( )/(4·k·G x ), (1.410)

x

surandame is atitinkam Naikvisto

Is formuli (1.406), (1.407) ir (1.410) seka srysiai: Ttrs T·R trs /R T·G trs /G. (1.411)

kur: T - aplinkos ( elektroninio taiso ar renginio ) temperatra triuksmo matavimo metu. Lygiavert vakuuminio diodo soties srov I vakuuminio diodo anodo A pastoviajai soties srovei I sratinio triuksmo srovs fluktuacij I

sr ekv s

- dydis, kurio vert yra lygi kuriai esant vakuuminio diodo

i sr

A o s,

spektrinis tankis S

( ) (1.396) yra lygus

nagrinjamo elektroninio taiso ( x ) srovs I x fluktuacij I x spektriniam tankiui S i x ( ): S i x ( ) 2·q·I ekv s x, ir is cia gauname: I ekv s x S i x ( ) /( 2·q ). Is formuli (1.407), (1.408) ir (1.412) seka srysiai: I ekv s 2·k·T·R trs /(q·| Z | 2 ) 2·k·T·G trs /q. (1.413) (1.412)

Triuksmo koeficientas Ktrs - santykinis dydis, parodantis kiek kart sumazja naudingo signalo (Us, I s ) ir triuksmo ( S jime- ( Ps /Ptrs ) in : Ktrs ( Ps /Ptrs ) in /( Ps /Ptrs ) is 1. (1.414)

trs

) gali Ps ir Ptrs, atitinkamai, santykis Ps /Ptrs

elektroninio renginio isjime- ( Ps /Ptrs ) is, palyginus su siuo santykiu elektroninio renginio

Daznai yra patogu nagrinjamo realaus elektroninio renginio ( x ) sukuriam triuksm gali Ptrs x is isjime ,,Is" perskaiciuoti jo jim ,,In" tokiu bdu: Ptrs x is Kp·( Ptrs in + Ptrs x in ), kur: Kp Ps

is

(1.415)

/Ps

in

- nekurcio triuksm idealaus elektroninio renginio kintamojo jimo

x in

signalo galios stiprinimo koeficientas; Ptrs

- perskaiciuota realaus elektroninio renginio

( x ) kuriam triuksm Ptrs x galia jime; Ptrs in - kit saltini kuriama triuksm galia jime, nesusijusiu su nagrinjamu realiu elektroniniu renginiu ( x ). Is (1.415) matome, jog sis uzrasymo bdas leidzia atskirti nagrinjamo realaus elektroninio renginio ( x ) triuksm galios Ptrs x is isjime sandus- paties realaus elektroninio renginio ( x ) kuriam triuksm Ptrs

x

gali bei kit saltini kuriam triuksm gali Ptrs

in

nagrinjamo realaus elektroninio renginio ( x ) jime. Is (1.414) ir (1.415) realaus elektroninio renginio ( x ) triuksm koeficient Ktrs galima uzrasyti taip: 202

x

Ktrs x ( Ptrs in + Ptrs x in )/Ptrs in 1.

(1.416)

Is (1.414) (1.416) seka sudtins elektronins sistemos, sudarytos is keli, pvz. N 2, nuosekliai sujungt elektrinio signalo stiprinimo N pakop (1.124 pav.), suminis triuksm koeficientas K *trs : K *trs Ktrs 1 + ( Ktrs 2 1)/Kp1 + ( Ktrs 3 1)/( Kp1·Kp2 ) + ... + ( Ktrs N 1)/( Kp1·Kp2···Kp (N 1)), (1.417)

kur: Kp1, Kp2, ... - pirmosios, antrosios ir t. t., atitinkamai, stiprinimo pakopos kintamojo signalo galios stiprinimo koeficientas ( cia, gaunant israisk (1.417), yra pasinaudota zinomomis tapatybmis: Kp Ku·Ki; Ku Ku1·Ku2·Ku3 ..., Ki Ki1·Ki2·Ki3 ... , ir is cia seka galios stiprinimo koeficientas- Kp Kp1·Kp2·Kp3·...).

1 In Kp1 Ki1·Ku1, Ptrs 1, Ktrs 1

2 Kp2 Ki2·Ku2, Ptrs 2, Ktrs 2

...

N KpN KiN ·KuN, Ptrs N, Ktrs N Is

Kp Ki·Ku, Ptrs, Ktrs 1.124 pav. Sudtin elektronin sistema, sudarytos is keli, pvz. N 2, nuosekliai sujungt elektrinio signalo stiprinimo N pakop- kaskadinis jungimo bdas Is gautos israiskos (1.417) seka simintina isvada: daugiapakops kaskadins elektronins sistemos suminis triuksmo koeficientas K

* trs

is esms yra apsprstas tik

pirmosios bei siek tiek maziau antrosios pakop triuksm koeficientais. Todl blog gali santyk Ps /Ptrs kaskadinio jungimo pirmosios- antrosios elektrinio signalo stiprinimo pakop isjime nebemanoma pagerinti toliau didinant kaskadinio jungimo elektronins sistemos pakop skaici N. Cia reikia pastebti, jog si isvada tinka ir tada, kai pirmja stiprinimo "pakopa" yra atvira erdv ( "eteris" ) bei antrja pakopa- elektromagnetini bang primimo pasyvioji antena, kurios isjime yra zadinamas naudingojo signalo s neslio daznis nes, kur savo ruoztu sukuria ( zadina ) nauding signal nesancios elektromagnetins bangos antenos jime. Taigi, blog "eterio" santyk Ps /Ptrs nebemanoma pataisyti imtuvu, kad ir koks mazatriuksmis jis bt, ir tokiu atveju, pvz. vaizdas televizoriaus ekrane yra su "sniegu". Cia pastebsime, jog tolimojo kosminio rysio priemonse yra naudojami specialus signal apdorojimo metodai, leidziantys manomai sumazinti kosmini aparat sistuvo gali, kai naudingas signalas atitinkamais metodais yra "istraukiamas" is "eterio" triuksm fono. 203

Lygiaverciai ( ekvivalentiniai ) tampos arba srovs triuksm generatoriai yra taikomi nagrinjant sudtinio elektroninio renginio ar taiso sumin triuksm koeficient K *trs, nes daznai yra patogu jo atskir sudtini dali ( x ) keliamus triuksmus, nusakomus atitinkamu triuksm koeficientu Ktrs x, atvaizduoti formaliai pakeistais lygiaverciais tampos U arba srovs I triuksm generatoriais, kuri galia Ptrs x yra uzrasoma taip: Ptrs x U 2/R I 2·R. (1.418)

Rezistoriaus R atveju tokie pakeitimai yra parodyti 1.125 pav., kur parodytuose lygiaverciuose tampos (a) bei srovs ( b) generatoriuose, kaip ir kintamj signal generatoriuose, nra pazymti j gnybt poliaringumai, nes dl triuksmo prigimties jie kinta laike t atsitiktiniu bdu. I trs ( t ) R Utrs ( t ) R a b 1.125 pav. Triuksmo galios Ptrs R rezistoriuje R du pakeitimo bdai: a- lygiaverciu tampos Utrs ( t ) triuksm generatoriumi ir b- lygiaverciu srovs Itrs ( t ) triuksm generatoriumi Rezistoriaus R atveju lygiaverci triuksm generatori (1.125 pav.) tampa Utrs ( t ) ir srov I trs ( t ) yra nusakomos Naikvisto formulmis (1.393): Utrs ( t ) (4·k·T·R· ) 1/2, I trs ( t ) (4·k·T· /R ) 1/2. (1.419) Akivaizdu, jog siuo ir kitoki triuksm fizikins prigimties atvejais lygiaverci triuksm generatori tampos ar srovs yra isreiskiamos anksciau pateiktomis atitinkamomis triuksm dispersijos tampomis Utrs2 ar srovmis I

trs 2

Cia svarbu tai, jog pakeitimas

lygiaverciais triuksm generatoriais bt atliekamas taip, kad sudtinio elektroninio renginio ar taiso atitinkam atskir sudtini dali ( x ) atiduodama isorin grandin, pvz. apkrov Ra, triuksm galia Ptrs x likt nepakitusi. Kai turime nuosekliai sujungt keli, pvz. N 2, rezistori RN grandin, kuri yra parodyt 1.126 pav. a ( N 1, 2, 3, ... ), tai siuo atveju kiekvieno rezistoriaus RN keliami triuksmai yra atvaizduoti atitinkamais lygiaverciais tamp Utrs N ( t ) triuksm generatoriais. Sios nuosekliai sujungt rezistori RN grandins lygiavert ekvivalentin schema yra parodyta 1.126 pav. b, kurios lygiaverciai dydziai yra randami taip: 204

R1

Utrs 1( t )

R2

Utrs 2( t )

RN

Utrs N ( t )

a Utrs ( t )

R

b 1.126 pav. Nuosekliai sujungt keli, pvz. N 2, rezistori RN grandin su j atitinkamais lygiaverciais tamp Utrs N ( t ) triuksm generatoriais (a) ir sios grandins lygiavert ekvivalentin schema ( b) Utrs ( t ) {[ Utrs 1( t )] 2 + [Utrs 2( t )] 2 +...+ [Utrs N ( t )] 2 } 1/2, R R 1 + R 2 +...+ R N, kur bendru atveju rezistoriai RN gali bti ir prie skirting temperatr TN. Analogiskai, kai turime lygiagreciai sujungt keli, pvz. N 2, rezistori RN grandin, kuri yra parodyt 1.127 pav. a, tai siuo atveju kiekvieno rezistoriaus RN keliami triuksmai yra atvaizduoti atitinkamais lygiaverciais srovs I trs N ( t ) triuksm generatoriais. I trs ( t ) I trs 1( t ) I trs 2 ( t ) R1 R2 I trs N ( t ) RN R

(1.420)

a

b

1.127 pav. Lygiagreciai sujungt keli, pvz. N 2, rezistori RN grandin su j atitinkamais lygiaverciais srovs I trs N ( t ) triuksm generatoriais (a) ir sios grandins lygiavert ekvivalentin schema ( b) Lygiagreciai sujungt rezistori RN grandins (1.127 pav. a) lygiavert ekvivalentin schema yra parodyta 1.127 pav. b, kurios lygiaverciai dydziai yra randami taip: I trs ( t ) {[ I trs 1( t )] 2 + [ I trs 2 ( t )] 2 +...+ [ I trs N ( t )] 2 }1/2, 1/R 1/R 1 + 1/R 2 +...+ 1/R N. 205

(1.421)

2.3.1 Dvipolio tranzistoriaus triuksmai Dvipolio tranzistoriaus triuksmai yra susij su vairiais fizikiniais procesais, vykstanciais jo santykinai sudtingame struktriniame darinyje. Todl is pradzi aptarsime dvipolio tranzistoriaus triuksm saltinius ir j atvaizdavim dvipolio tranzistoriaus ekvivalentinje grandinje. Tuo tikslu pasinaudosime anksciau aprasytomis dvipolio n-p-n tranzistoriaus struktrinio darinio schema (1.69 pav. a) bei jo ekvivalentine grandine bendros bazs jungimo schemoje (1.76 pav.). Taigi, 1.128 pav. yra parodytas dvipolio n-p-n tranzistoriaus darinys su nurodytomis krvinink judjimo kryptimis ir j slygot srovi keliamais triuksmais, o 1.129 pav. yra parodyta ekvivalentin dvipolio tranzistoriaus schema bendros bazs jungimo grandinje, kuri yra papildyta vairi triuksm saltini atitinkamais lygiaverciais triuksm generatoriais, jimo signalo u s ( t ) saltiniu su vidaus varza Rs bei apkrovos rezistoriumi Ra kolektoriaus grandinje. 1 n E 2 IE IB B 5 UEB UKB 8 IK 3 p 7 n 4 K 6

1.128 pav. Dvipolio n-p-n tranzistoriaus darinys su nurodytomis krvinink judjimo kryptimis ir j slygot srovi keliamais triuksmais Is 1.129 pav. pateiktos ekvivalentins schemos matyti, jog j sunku suskaidyti atskiras nuosekliai sujungtas jimo signalo u s ( t ) galios perdavimo ekvivalentines pakopas. Todl, pasinaudodami (1.415), dvipolio tranzistoriaus triuksmo koeficiento Ktrs israisk (1.416) pertvarkome taip: Ktrs 1 + Ptrs x in /Ptrs in Ptrs x is /( K p·P trs in ), (1.422)

is kur seka, jog elektronins sistemos triuksmo koeficient Ktrs galima apibrzti tokiu santykiu: visos triuksmo galios Ptrs

x is

elektronins sistemos isjime Uis su nekuriancio

*

trs

papildom triuksm idealaus elektroninio renginio (K

1) triuksmo galia P

*

trs is

Kp·Ptrs in

jo isjime, kai abiej rengini galios stiprinimo koeficientas Kp yra vienodas. 206

n

p

i trs2 (t)

n

u trs1(t) E Rs

I Edif IE RE itrs1(t) IB RB r EB b r KB b

a

IK RK

u trs3(t) K

·I Edif

I UKB +

Ra

u s (t) UEB + B u trs2 (t)

1.129 pav. Ekvivalentin dvipolio tranzistoriaus schema bendros bazs jungimo grandinje, kuri yra papildyta vairi triuksm saltini atitinkamais lygiaverciais triuksm generatoriais, jimo signalo u s ( t ) saltiniu su vidaus varza Rs bei apkrovos rezistoriumi Ra kolektoriaus grandinje Paprastumo dlei priimsime, jog apkrovos rezistorius Ra yra idealus- nekuriantis siluminio triuksmo. Tokiu atveju tranzistoriaus isjime suminio triuksmo galios P trs is sandus Ptrs x is galima uzrasyti siuo pavidalu: Ptrs x is I x2·Ra, ir is cia bei (1.422) turime: Ktrs ( I x2 ) /( K p· I in2 ) 1 + ( I x2 ) / I 12,

x 1

x 2

(1.423)

N

N

(1.424)

kur: I 12 K p· I in2·- jimo signalo u s ( t ) saltinio vidaus varzo Rs generuojamas triuksmo srovs sandas, einantis sumin triuksmo srov I apkrovoje Ra ),. Is (1.424) seka: norint paskaiciuoti tranzistoriaus triuksm koeficient Ktrs, pakanka surasti bendr triuksm srovs dispersij I 2 apkrovos varzoje Ra ir paimti jos santyk su ta triuksmo srovs dispersijos dalimi I 12, kuri apkrovoje Ra sudaro pats jimo signalo u s ( t ) saltinis. Isnagrinsime dvipolio n-p-n tranzistoriaus darinyje, parodytame 1.128 pav., judanci krvinink slygotas sroves ir j keliamus triuksmus. 207

2

x 1

I x2

N

isjime ( tranzistoriaus

Is emiterio ominio kontakto E injektuoti elektronai () (1) emiterio srityje difunduoja link emiterins p-n sandros ir per j patenka bazs srit (3). Sie elektronai emiterio srityje sukuria emiterio srovs I E sand I E n, kuris, savo ruoztu, dl j kelyje esancio barjero sukuria sratin triuksm I 2sr E n 2·q·I E n·. Kita vertus, per tiesiogin kryptimi (UEB < 0) jungt emiterio p-n sandr is bazs emiter yra injektuojamos skyls () (2, 5), kurios emiterio srityje arba prie jo ominio kontakto E rekombinuoja su elektronais (5). Sios skyls emiterio srityje sukuria emiterio srovs I E sand I E p, kuris, savo ruoztu, dl jau minto barjero sukuria sratin triuksm I

2 sr E p

2·q·I

2

E p·

ir dl rekombinacinio proceso sukuria generacin-g

rekombinacin triuksm U

(-g ) E

Si

( )·R

2

, kur spektrinis tankis Si

-g

yra

paskaiciuojamas is (1.403). Cia ir tolimesniame nagrinjime yra smoningai pasirenkami triuksm uzrasymo pavidalai- srovs arba tampos triuksm generatoriais. Akivaizdu, jog nuosekliai sujungtuose rezistoriuose ( pvz., rezistoriuose Rs ir RE bei triuksm fizikiniai procesai emiterio srityje ) silumin ir generacin-rekombinacin triuksmus yra patogiau atvaizduoti lygiaverciu tampos triuksm generatoriumi (1.126 pav.), kai tuo tarpu sratin triuksm p-n sandroje- lygiaverciu srovs triuksm generatoriumi (1.127 pav.), nes jis yra suntuojamas atitinkamos p-n sandros diferencialine ( difuzine ) varza. Laikantis sios nuostatos silumin triuksm rezistoriuje Rs ir emiterio srities varzoje RE uzrasome taikydami Naikvisto formul (1.393) tampai: U

2 T Rs

4·k·T·Rs· ir U

2

T Re

4·k·T·R E· ,

atitinkamai. Visus siuos triuksmus ekvivalentinje dvipolio tranzistoriaus schemoje (1.129 pav.) skaitome atitinkamais lygiaverciais triuksm generatoriais u trs 1 ( t ) ir i trs 1 ( t ), kuri atitinkami dydziai, taikant taisykles (1.420) ir (1.421), yra uzrasomi taip: u trs 1 ( t ) [ U 2(-g ) E + U 2T Rs + U 2T Re ] 1/2 {4 I 2Ep·R 2E·· ef E /[ N E (1 + 2· 2ef E )] + 4·k·T· ·( Rs + RE )} 1/2, (1.425) itrs 1 ( t ) [ I 2sr E n + I 2sr E p ] 1/2 [ 2 q I E ] 1/2, kur israiskoje (1.426) yra pasinaudota akivaizdzia lygybe: I E I E n + I E p (1.193). Anksciau parodme, jog emiterio efektyvumo koeficientas

E

(1.426)

1 (1.197), nes to

reikalauja efektyvi tranzistoriaus veika. Todl I E p /I E n 1 ir I E p I E. Kita vertus, si slyga reiskia, jog emiter legiruojanci priemais ( nagrinjamu atveju donor ) tankis N E taip pat yra labai didelis ( N E 10 19 10 21 cm 3 ). Todl israiskoje (1.425) paprastumo dlei pirmj nar galima atmesti ir turime apytiksl israisk: u trs 1 ( t ) 2·[ k·T· ·( Rs + RE )] 1/2. (1.427)

208

Cia reikia pastebti, jog kai kada yra stebima ryski atmestojo nario triuksm taka suminiam tranzistoriaus triuksmui jo isjime. Tai siejama su blogu emiterio kontaktu E, kuriame vyksta intensyvi skyli generacija ir po to vykstanti j rekombinacija su emiterio srities elektronais. Todl aprasant s proces atmestasis pirmasis narys israiskoje (1.425) yra paliekamas ir padauginamas is emiterio ominio kontakto neidealumo koeficiento E 1, kur

E tikroji vert yra surandama is eksperimento.

Anksciau parodme, jog per tiesiogin kryptimi jungt emiterio p-n sandr is bazs emiter injektuojamas skyles kompensuoja kitos skyls, kurios yra injektuojamos baz is bazs ominio kontakto B (1.128 pav.- (2)). Sios skyls (2) sukuria bazes srovs I B sand I B p ( I B p I E p ). Kita vertus, tam tikr dalis is emiterio baz injektuot elektron rekombinuoja su skylmis bazje (1.128 pav.- (6)), k nusako pernasos koeficientas B (1.200)). Todl is bazs kontakto B bazs p- srit yra injektuojamas toks pat skaicius skyli, kurios sukuria bazs srovs I

B

rekombinacin sand I

r B

(1.194). Sis srovs sandas savo ruoztu sukuria

generacin-rekombinacin triuksm U 2 (-g ) B S i -g ( )·RB2· , kur spektrinis tankis S i -g taip pat yra paskaiciuojamas is (1.403). S triuksm ir bazs srities varzoje RB silumin triuksm U 2T R b 4·k·T·RB· ekvivalentinje dvipolio tranzistoriaus schemoje (1.129 pav.) skaitome lygiaverciu tampos triuksm generatoriumi u trs 2 ( t ): u trs 2 ( t ) [ U 2 (-g ) B + U 2T R b ] 1/2 {4 I 2r B·R 2B· · ef B /[ NB (1 + 2· 2ef B )] + 4·k·T·RB· }1/2. (1.428) Cia pirmojo nario atmesti negalime, nes I B I B p I r B I *K s (1.195), ir kadangi srovs sandas I B p I *K s, tai I r B I B. Kita vertus zinome, jog baz legiruojanci priemais tankis N B N E ( N B 10 16 10 18 cm 3 ). Todl gautoje israiskoje (1.428) srov I r B tolimesniuose skaiciavimuose pakeiciame bazs srov I B. Tai susij dar ir su tuo, jog tranzistori jungus bendro emiterio schemoje, bazs srov I nagrinjant tokios grandins keliam triuksm koeficient K btina. Anksciau, nagrinjant fizikinius procesus dvipolio tranzistoriaus bazje, buvo parodyta, jog is emiterio injektuot elektron slygotos srovs I

n e B trs,

yra jimo srov. Todl, bazs srov I

B

skaityti

I

E n

sandas I

n k

yra

proporcingas pernasos koeficientui B (1.200) ( I n k B·I n e ). Sios srovs sando elektronai pasiekia kolektoriaus p-n sandr ir yra ekstrahuojami kolektori (1.128 pav.- (4)), kur sukuria kolektoriaus srovs I K sand I K n I n k I K / K (1.210). Sis srovs sandas slygoja sratin triuksm I 2sr K n 2·q·I K n·. Kita vertus, normalioje dvipolio tranzistoriaus veikoje kolektoriaus p-n sandra yra jungta atgaline kryptimi ( UKB 0 ). Todl per j teka atgalin kolektoriaus soties srov I

* K s,

kuri slygoja salia kolektoriaus p-n sandros nuskurdintos 209

srities termiskai generuojami elektronai bazje ir skyls kolektoriuje (1.128 pav.- (7)), bei nuskurdintoje sios p-n sandros srityje generuojamos krvinink poros (1.128 pav.- (8)). Sis kolektoriaus srovs I K sandas I *K s sukuria sratin triuksm I 2sr K s 2·q·I *K s·. Siuos visus triuksmus ekvivalentinje dvipolio tranzistoriaus schemoje (1.129 pav.) skaitome lygiaverciu srovs triuksm generatoriumi i trs 2 ( t ): itrs 2 ( t ) [ I 2sr K n + I 2sr K s ] 1/2 [ 2·q·I K· ]1/2, kur yra padarytas akivaizdus pakeitimas- I K I K n + I *K s. Anksciau, nagrindami p-n sandr, parodme, jog atgalinei tampai p-n sandroje pasiekus tam tikr- didziausij vert Umax , vyksta p-n sandros gritinis pamusimas. S reiskin nusakome grities didjimo faktoriumi M (1.62). Todl, esant btinumui, sio reiskinio tak tranzistoriaus triuksm koeficientui Ktrs vertiname israiskoje (1.429), kurioje srov I K padauginame is grities didjimo faktoriaus M. Silumin triuksm U

2 T Rk

(1.429)

4·k·T·RK· kolektoriaus srities varzoje RK ( esant

btinumui ir apkrovoje Ra : U 2T Ra 4·k·T·Ra· ) ekvivalentinje dvipolio tranzistoriaus schemoje (1.129 pav.) skaitome lygiaverciu tampos triuksm generatoriumi u trs 3 ( t ): u trs 3 ( t ) [ U 2T Rk + U 2T Ra ] 1/2 2·[ k·T· ·( RK + Ra )] 1/2. (1.430) Lygiavercio tampos triuksm generatoriaus u trs 1 ( t ) (1.129 pav.) slygota triuksm srov i 1 ( t ) teka tranzistoriaus emiterio-bazs grandine, nes priimame, jog kolektoriaus p-n sandros diferencialin varza r KB b (1.128). Taigi is Omo dsnio visai siai grandinei ir israiskos (1.427) randame: i 1 u trs 1 /( Rs + RE + r EB b + RB ) 2·[ k·T· ·( Rs + RE )] 1/2/( Rs + RE + r EB b + RB ). (1.431)

Si srov yra tiesiogine kryptimi jungto emiterio p-n sandros difuzins srovs I E dif sandas ( dvipolio tranzistoriaus ekvivalentinje schemoje (1.129 pav.) si srov atitinka srov, tekanti rezistoriumi r EB b ) ir todl jis suzadina ekvivalentin srovs generatori ·I E dif, kuris, savo ruoztu, bazs-kolektoriaus isjimo grandinje sukuria srov I 1, 2 ( )· i 1, o tuo paciu ir apkrovoje Ra sukuria triuksm srovs dispersij I 21, 2: I 21, 2 4·( ( )) 2·k·T· ·( Rs + RE ) /( Rs + RE + r EB b + RB ) 2. (1.432) Lygiavercio srovs triuksm generatoriaus i trs 1 ( t ) (1.129 pav.) slygota triuksm srov i 2 ( t ) teka dvejomis lygiagreciai sujungtomis grandinmis: per diferencialin varz 210

r

EB b

ir per nuosekliai sujungtus rezistorius- RE, Rs ir RB. Todl, pasinaudoj Kirchhofo

taisyklmis ir (1.425), randame tekancios per rezistori r EB b srovs i 2 sand i 2 e, kuris isjimo grandins apkrovoje Ra sukuria srovs I 3 ( )· i 2 e triuksm dispersij I 32: I 32 2· ( ) 2·q·I E· ·[ ER /(1 + ER )] 2, kur: ER ( Rs + RE + RB ) /r EB b - srovs i 2 persiskirstymo koeficientas. Is diferencialins varzos r EB b israiskos (1.125) seka: didjant srovei I E 1 mA, varza r

EB b

(1.433)

eksponentiskai mazja ir todl sparciai artja prie nulio. Todl, kai r

EB b

0,

koeficientas ER ir israiskos (1.433) paskutinysis lauztiniuose skliaustuose esantis narys artja prie vieneto. Todl tolimesniuose skaiciavimuose s nar laikysime lygiu vienetui. Lygiavercio tampos triuksm generatoriaus u trs 2 ( t ) (1.129 pav.) slygota triuksm srov i 3 ( t ) teka bazs-emiterio grandine, nes ir toliau priimame, jog r KB b (1.128). Taigi, is Omo dsnio visai siai grandinei ir (1.428) randame: i 3 u trs 2 /( Rs + RE + r EB b + RB ) {4·I 2B·R 2B· · ef B /[ N B·(1 + 2· 2ef B )] + 4·k·T·RB· } 1/2/ /( Rs + RE + r EB b + RB ). (1.434)

Si srov yra emiterio p-n sandros difuzins srovs I E dif sandas, t. y. srov tekanti rezistoriumi r EB b, ir todl yra suzadinamas ekvivalentinis srovs generatorius I E dif, kuris, savo ruoztu, sukuria srov I

4

( )· i

3

bazs-kolektoriaus isjimo grandinje, o tuo

paciu ir apkrovoje Ra sukuria triuksm srovs dispersij I 42: I 42 ( ( )) 2·{4·I 2B·R 2B· · ef B /[ N B·( 1 + 2· ef B2 )] + 4·k·T·R B· }/ /( Rs + RE + r EB b + RB ) 2. (1.435)

Lygiavercio srovs triuksm generatoriaus i trs 2 ( t ) (1.129 pav.) slygota triuksm srov i 4 ( t ) taip pat persiskirsto dvejas lygiagreciai sujungtas grandines: per diferencialin varz r

EB b

emiterio grandin ir per rezistori RB bazs grandin. Todl, pasinaudoj

Kirchhofo taisyklmis ir israiska (1.429), randame tekancios per rezistori r EB b srovs i 4 sand i 4 e, kuris isjimo grandins apkrovoje Ra sukuria srovs I 5 ( )· i 4 e triuksm dispersij I 52: I 52 2·( ( )) 2·q·I K· ·[ KR /( 1 + KR )] 2, kur: KR RB /( Rs + RE + r EB b ) - srovs i 4 persiskirstymo koeficientas. 211 (1.436)

Kita vertus, lygiavercio srovs triuksm generatoriaus i

trs 2

( t ) slygota srov

i 4 ( t ) teka betarpiskai per apkrov Ra ir joje sukuria triuksm srovs dispersij I 62: I 62 2·q·I K·. Is diferencialins varzos r

KB b

(1.437)

israiskos (1.127) seka: atgaline kryptimi (UKB 0)

jungtoje p-n sandroje varzos r KB b vert artja begalyb. Todl tranzistoriaus kolektoriausbazs isjimo grandinje lygiavercio tampos triuksm generatoriaus u trs 3 ( t ) (1.129 pav.) slygota srov i 5 ( t ) 0 ir jos sukuriam triuksm srovs dispersij I 72 0. Taigi, zemuose ir vidutiniuose dazniuose ( 3 MHz ) lygiavercio tampos triuksm generatoriaus u trs 3 ( t ) kuriam triuksm galima nepaisyti. Aukstuose ir labai aukstuose dazniuose ( 3 MHz ) pasireiskia kolektoriaus p-n sandros barjerins talpos CKB (1.76 pav.) taka, kuri nagrinjamoje ekvivalentinje schemoje (1.129 pav.) neparodyta. Siuo atveju kolektoriausbazs isjimo grandinje lygiavercio tampos triuksm generatoriaus u

trs 3

( t ) slygota

srov i 5 ( t ) 0. Si srov teka per kondensatoriaus CKB talpin varz 1/( ·CKB ) ir yra perskirstoma dvejas lygiagreciai sujungtas grandines: per diferencialin varz r EB b emiterio grandinje ir per rezistori RB bazs grandinje. Tekantis per rezistori r I ( )· i

EB b

srovs i

5

sandas i 5 e jau aprasytu bdu patenka isjimo grandins apkrov Ra ir joje sukuria srovs

7 5 e

triuksm dispersij I 72. Akivaizdu, jog siuo atveju triuksm srovs

dispersijos I 72, o tuo paciu ir triuksm galios spektrinio tankio S i 7 daznin·priklausomyb skiriasi nuo lygiavercio tampos triuksm generatoriaus u skaiciavimus randame triuksm srovs dispersij I 72 : I 72 4·( ( )) 2·k·T· ·( RK + Ra )·( Rs + RE + r EB b + RB ) 2·[ KR /(1 + KR )] 2/ /[( RK + Ra )·( Rs + RE + r EB b + RB ) + R B·( Rs + RE + r EB b ) + + ( Rs + RE + r EB b + RB )/( ·CKB )] 2. (1.438)

trs 3

( t ) dazni spektro. Atlik

Kita vertus, lygiavercio tampos triuksm generatoriaus u trs 3 ( t ) slygota triuksm srov i 5 ( t ) teka betarpiskai per apkrov Ra ir joje sukuria triuksm srovs dispersij I 82 : I 82 4·k·T· ·( RK + Ra )·( Rs + RE + r EB b + RB ) 2/ /[( RK + Ra )·( Rs + RE + r EB b + RB ) + RB·( Rs + RE + r EB b ) + + ( Rs + RE + r EB b + RB )/( ·CKB )] 2. (1.439)

Is (1.432) surandame jimo signalo saltinio u s ( t ) vidaus varzos Rs slygot triuksm srovs dispersij I 12 apkrovoje Ra : 212

I 12 4·( ( )) 2·k·T· ·Rs /( Rs + RE + r EB b + RB ) 2.

(1.440)

i

(1.424) is israisk (1.432), (1.433), (1.435) (1.440) stat triuksmo srovi I dvipolio tranzistoriaus triuksm koeficient Ktrs : Ktrs 1 + RB /Rs + I E·( Rs + RB ) 2/{2· T·Rs·( 1 + 1/ ( ))} + + ( )·I E·RB2 /( 2· T·Rs ) + (1 ( )) 2·I E2·RB2· ef B / /[ k·T·NB·Rs·(1 + 2· ef B2 )] + Ra·{ RB2 + ( Rs + RB )2/( ( )) 2}/ /{ Rs·[ Ra + Rs·RB /( Rs + RB ) + 1/( ·CKB )]2} + A/ ,

dispersij I i2 israiskas ( kur i 1, 2, ... ,8 ) randame bendros bazs (BB) schemoje jungto

(1.441)

kur, gautos israiskos supaprastinimo tikslu, varz sumose atmestos varzos: RE, RK ir r EB b, nes dazniausiai yra tenkinamos slygos: RE RK RB, o taip pat ir r EB b RB, kai I E 1 mA. Cia taip pat pasinaudojome anksciau pateiktomis tapatybmis: T k·T /q, I K ( )·I E, I K ( )·I B ir ( ) ( )/(1 ( )), o gautos israiskos (1.441) pabaigoje patikslinimo tikslu yra pridtas 1/f triuksm aprasantis papildomas narys A/ (1.404). Akivaizdu, jog visiskai tokiu pat bdu triuksm koeficientas Ktrs yra isvedamas ir tranzistoriaus jungimo bendro emiterio (BE) grandinje atveju. Tam uztenka 1.129 pav. parodytoje ekvivalentinje schemoje srovs generatori ·I E d pakeisti ·I B. Siuo atveju gaunama triuksm koeficiento Ktrs israiska mazai skiriasi nuo (1.441) ir is cia seka: dvipolio tranzistoriaus keliami triuksmai beveik nepriklauso nuo jo jungimo schemos ir todl gauta triuksm koeficiento K trs israiska (1.441) yra universali. Is (1.441) paskaiciuota triuksm koeficiento Ktrs priklausomyb nuo daznio yra parodyta 1.130 pav., kur koeficientas Ktrs yra pateiktas decibelais (dB): K *trs 10·lg K trs.

K *trs, dB 40 20 102 104 106 108 1/f

0

f, Hz

1.130 pav. Is (1.441) paskaiciuota dvipolio tranzistoriaus triuksm koeficiento Ktrs priklausomyb nuo daznio ( K *trs 10·lg K trs ) 213

Is 1.130 pav. pateiktos priklausomybs K *trs ( ) matome: zemuose dazniuose ( 1 kHz ) yra stebimas zymus triuksm didjimas, kai 0. Si priklausomyb yra apsprsta 1/f triuksmo ( paskutinis israiskos (1.441) narys ). Aukstuose dazniuose ( 1 MHz ) triuksm didjim apsprendzia israiskos (1.441) nariai, kurie yra atvirksciai proporcingi koeficientui

( )·bei narys, kuris yra proporcingas dydziui (1 ( )), nes didjant dazniui ,

koeficientas ( ) mazja (1.237). Kita vertus, aukstuose dazniuose triuksm koeficiento Ktrs papildom didjim lemia priespaskutinis israiskos (1.441) narys, kuris yra atvirksciai proporcingas dydziui 1/( ·CKB ). Is gautos israiskos (1.441) taip pat seka stipri triuksm koeficiento Ktrs priklausomyb nuo emiterio srovs I E ( arba bazs srovs I B bendro emiterio schemoje ) bei jimo signalo saltinio u s ( t ) vidaus varzos Rs, o taip pat nuo varz RB ir Ra. Cia reikia atkreipti dmes tai, jog, nagrinjant priklausomyb Ktrs ( I pav.). Anksciau parodme, jog didjant srovei I

E

), btina skaityti

bazs varzos RB bei koeficiento priklausomybes nuo emiterio srovs I E ( arba I K ) (1.73

E

bazs varza RB mazja dl injektuot

salutini krvinink baz, nes tokiu pat kiekiu padidja pagrindini krvinink tankis joje. Sias priklausomybes teoriniame modelyje galima aprasyti tokio pavidalo aproksimacinmis israiskomis: ( I E ) o·[ 1 exp ( I E /I E )]- maz ir vidutini emiterio srovi diapazone ( I E 10 mA ) ir RB ( I E ) RB o /( 1 + I E /I E Rb ), kur varza RB o RB, kai emiterio srov I E 0, o I E ir I E Rb yra srovi koeficientai, nustatomi is eksperimento ( dazniausiai j verts yra artimos atgalinei emiterio soties srovei I *E s (1.112)). Taikant sias aproksimacijas is (1.441) paskaiciuotos triuksm koeficiento Ktrs priklausomybs nuo parametr: I E ( arba I K ), RB, Rs ir Ra, kai daznis yra intervale: 2··(10 4 10 6) Hz (1.130 pav.), yra parodytos 1.131 pav. K *trs, dB 40 20 100 102 104 IE Rs Ra RB

0

I E 10, A; RB, Rs, Ra,

1.131 pav. Is (1.441) paskaiciuotos dvipolio tranzistoriaus triuksm koeficiento Ktrs priklausomybs nuo parametr: I E ( arba I K ), RB, Rs ir Ra, kai daznis yra intervale- 2··(10 4 10 6) Hz (1.130 pav.) ir skaiciavimuose yra panaudotos tokio pavidalo aproksimacins israiskos: ( I E ) o·[1 exp ( I E /I E )], RB ( I E ) RB o /(1 + I E /I E Rb ) 214

1.131 pav. stebim triuksm koeficiento Ktrs ( I E ) didjim maz emiterio srovi I E srityje ( I

E

10 mA ) lemia koeficiento ( I

E

) priklausomybs pobdis (1.73 pav.)

atitinkamuose israiskos (1.441) nariuose, proporcinguose atitinkamiems dydziams: 1/ ( I E ) bei (1 ( I E )). Is 1.131 pav. pateikt grafik matome, jog, parenkant srovs I E vert bei jimo signalo saltinio u s ( t ) vidaus varzos Rs vert, galima pasiekti tranzistorins stiprinimo pakopos triuksm koeficiento Ktrs minimali vert- Ktrs

min.

Is ten taip pat seka, jog btina

manomai mazinti dvipolio tranzistoriaus bazs srities varz RB, o tai nepriestarauja anksciau parodytai takai (1.231), (1.232) bei tranzistoriaus greitaveikai bendro emiterio schemoje j valdant tampos saltiniu. 2.3.2 Vienpolio ( lauko ) tranzistoriaus triuksmai Vienpolio tranzistoriaus triuksm koeficiento Ktrs matematin israiska yra randama pasinaudojus anksciau aprasyta metodika dvipolio tranzistoriaus atveju. Tuo tikslu pasinaudosime anksciau aprasytomis atidarytojo sandrinio n- kanalo vienpolio tranzistoriaus struktrinio darinio pjviu bei jo ekvivalentine schema bendros istakos (BI) jungimo grandinje, parodytomis 1.101 pav. ir 1.109 pav., atitinkamai. Nagrinjamo atidarytojo sandrinio n- kanalo vienpolio tranzistoriaus struktrinis darinys su nurodytomis krvinink ( elektron ()) judjimo kryptimis ir j sukurt srovi slygojamais triuksmais yra parodytas 1.132 pav., o 1.133 pav. yra parodyta ekvivalentin vienpolio tranzistoriaus schema bendros istakos jungimo grandinje, kuri yra papildyta vairi triuksm saltini atitinkamais lygiaverciais triuksm generatoriais, jimo signalo u s ( t ) saltiniu su vidaus varzu Rs bei apkrovos rezistoriumi Ra santakos grandinje. UGS + S

n

+

UDS + ID

n

+

IS

n

IG

p

G

+

D

Padklas

1

2

1.132 pav. Nagrinjamo atidarytojo sandrinio n- kanalo vienpolio tranzistoriaus struktrinis darinys su nurodytomis krvinink ( elektron ()) judjimo 215

kryptimis ir j sukurt srovi slygojamais triuksmais I Dc G u trs 1(t) I GS RG IG CGS R GS S* u s(t) UGS IS + RS S I Sc Rk (UG*S*,UD*S*) CDS G* I GD R GD Ik CGD D* ID RD U + UDS Ra u trs 2(t) D

itrs 1(t) itrs 2(t)

Rs

1.133 pav. Ekvivalentin vienpolio tranzistoriaus schema bendros istakos jungimo grandinje, kuri yra papildyta vairi triuksm saltini atitinkamais lygiaverciais triuksm generatoriais, jimo signalo u s ( t ) saltiniu su vidaus varzu Rs bei apkrovos rezistoriumi Ra santakos grandinje Isnagrinsime judanci krvinink slygotas sroves ir j keliamus triuksmus vienpolio tranzistoriaus darinyje, parodytame 1.132 pav. Is istakos S ominio kontakto n+- srities injektuoti elektronai () (1) kanalo srityje dreifuoja link santakos D ominio kontakto n+- srities ir per j isorinje grandinje slygoja vienodo dydzio, kai 0, santakos bei istakos sroves I S ir I D, atitinkami, ( I S I D ). Sie elektronai kanalo srityje slygoja kanalo srov I

k

I

S

I D, kai 0. Priimsime, jog

santakos D ir istakos S ominiai kontaktai yra idealus, o j n+-n sandros neturi potencinio barjero ( 0 ). Todl siuo atveju dreifuojanci elektron slygotos srovs nekuria sratinio triuksmo. Kita vertus, uztros G p+-n sandra yra jungta atgaline kryptimi ( UGS 0 ). Todl per j teka labai maza atgalin soties srov I G s I G ((1.74), (1.75)), kuri slygoja uztros srovs sratin triuksm I 2sr I G s 2·q·I G s·. Anksciau parodme, jog vienpolio tranzistoriaus kanalo varza Rk yra netiesin funkcija nuo UG ((1.289), (1.328)). Todl silumini triuksm aprasymui tokioje varzoje Naikvisto formuls (1.393) nebetinka. Nagrindamas netiesini radiotechnini element keliamus triuksmus M. Gupta parod, jog tokiu atveju netiesinio varzinio elemento Rx, kurio varza netiesiskai priklausancio nuo srovs i n arba ( ir ) tampos u m, kur n ir m nelygus vienetui ir parodo netiesiskumo laipsn, siluminio triuksmo tampos fluktuacij dispersija U 2T x yra isreiskiama taip: 216

U 2T x S u x· 4·k·T·Px· / i 2,

(1.442)

kur: Px U·I Uo·I o - issklaidytoji vidutin perteklin galia netiesiniame varze R x, atsiradusi dl fluktuacins srovs i ( t ) I ( t ) I o tekjimo netiesiniame varzos elemente R x ( i n, u m ), kai juo teka nuolatin srov I o. Is (1.442) yra gaunamos netiesinio varzos elemento R x ( i n, u m ) siluminio triuksmo tampos U ir srovs I fluktuacij U ir I spektrini tanki S u x ir S i x, atitinkamai, israiskos: S u x 4·k·T·[dU/d I + 0,5·I·(d 2U /d I 2 )]| I I o, (1.443)

S i x S u x·(d I /dU ) 2 4·k·T·[d I /dU 0,5·I·(d 2I /dU 2 )/(d I /dU )]| I I o. (1.444) Is (1.444) ir (1.284) randame lauko tranzistoriaus kanalo varzos Rk slygojam silumin triuksm I 2T k, kai lauko tranzistoriaus veikos taskas yra jo isjimo VACh pradinje dalyje ( UDS Uk ): I 2T k S i· 4·k·T·{2·|Uk |·I D max·( 1 |UDS |/|Uk |)/Us2 + + I k /[ 2·|U k |·(1 |U DS |/|U k |)]}·. (1.445)

Is (1.445) seka akivaizdi isvada: kai tampa UDS Uk, t. y., kai kanalas yra pilnai uzdaromas, vienpolio tranzistoriaus kanalo slygojamas siluminis triuksmas labai stipriai padidja- teoriskai artja prie . Todl pirmosios stiprinimo pakopos lauko tranzistoriaus veikos taskas turt bti jo isjimo VACh pradinje srityje. Taciau anksciau parodme, jog sioje srityje vienpolio tranzistoriaus tampos stiprinimo koeficientas Ku (1.297) labai sumazja (1.96 pav. b) ir tampa mazesnis uz vienet ( Ku 1). Todl lauko tranzistoriaus veikos taskui esant isjimo VACh ssmaukos srityje (UDS Uk ) israiska (1.445) nra taikoma. Siuo atveju vienpolio tranzistoriaus uzdaryto kanalo slygojamas siluminis triuksmas I uzrasomas taip: I 2T k B*·4·k·T·S·, kur: S - statumas (1.282), B*- koeficientas, nustatomas eksperimentiskai. Pazvelg anksciau aprasytas vairi vienpoli tranzistori darini konstrukcijas (1.101 pav., 1.102 pav., 1.104 pav., 1.108 pav., 1.119 pav.) matome, jog kanalas ( ir ypac uzdarytoje bsenoje ) yra salia ribos tarp puslaidininkio ir izoliatoriaus ( dielektriko )padklo. Todl cia vyksta gana intensyvi pagrindini krvinink kanale sveika su vairi priemaisini atom jonais bei kitais liktiniais defektais puslaidininkio ir dielektriko pavirsi slycio plokstumose. To paskoje atsiranda pagrindini krvinink tankio n

k 2 T k

yra

(1.446)

kanale 217

fluktuacijos n k, kuri slygot triuksm I

2

k

tranzistoriaus kanale galima aprasyti

analogiskai srovs rekombinacinio-generacinio triuksmo israiskai (1.403): I 2 k 4·I 2k· ef k· /{ N k· 1 + ( · ef k ) 2 }, kur:

ef k

(1.447)

k

- pagrindini krvinink efektyvioji pagavimo trukm uzdarytame kanale; N

-

vairi priemaisini atom jon bei kit liktini defekt tankis puslaidininkio ir dielektriko slycio pavirsi plokstumose, patenkanciose uzdaryto kanalo srit. Visi jau aprasyti ir kiti siluminiai triuksmai vienpolio tranzistoriaus atitinkam srici varzose bei jungimo schemos grandins rezistoriuose Rs ir Ra yra skaityti ekvivalentinje schemoje (1.133 pav.) atitinkamais lygiaverciais triuksm generatoriais. Vienpolio tranzistoriaus atitinkam puslaidininkini srici varzas aprasantys rezistoriai RS ir RG bei jimo signalo u siluminius triuksmus: U

2 T RS s

( t ) tampos saltinio vidaus varza Rs slygoja

2 T RG

4·k·T·RS·, U

4·k·T·RG·, ir U

2

T Rs

4·k·T·Rs·, atitinkamai, kurie ekvivalentinje schemoje (1.133 pav.) yra skaityti lygiaverciu tampos triuksm generatoriumi u trs 1( t ): u trs 1( t ) (U 2T Rs + U 2T RS + U 2T RG ) 1/2 2· k·T· ·( Rs + RS + RG ) 1/2. (1.448) Uztros G atgalins soties srovs I G s slygojamas srovs sratinis triuksmas I 2sr I G s lauko tranzistoriaus ekvivalentinje schemoje (1.133 pav.) yra skaitytas lygiaverciu srovs triuksm generatoriumi i trs 1( t ): i trs 1( t ) ( 2·q·I G s· ) 1/2. (1.449)

Vienpolio tranzistoriaus uzdaryto kanalo slygojamas siluminis triuksmas I 2T k bei srovs I k rekombinacinis-generacinis triuksmas I 2 k ekvivalentinje schemoje (1.133 pav.) yra skaityti lygiaverciu srovs triuksm generatoriumi i trs 2 ( t ): i trs 2 ( t ) ( I 2T k + I 2 k ) 1/2 2· ·{B*·k·T·S + I k2· ef k /{ N k· 1 + ( · ef k ) 2 }}1/2.(1.450) Lauko tranzistoriaus santakos D puslaidininkins srities varzos RD ir, esant reikalui, apkrovos rezistoriaus Ra slygojami siluminiai triuksmai : U 2T RD 4·k·T·RD· ir U 2T Ra 4·k·T·Ra·, atitinkamai, ekvivalentinje schemoje (1.133 pav.) yra skaityti lygiaverciu tampos triuksm generatoriumi u trs 2 ( t ): u trs 2 ( t ) ( U 2T RD + U 2T Ra ) 1/2 2· k·T· ·( RD + Ra ) 1/2. (1.451) 218

Paprastumo dlei priimsime, jog apkrovos rezistorius Ra yra idealus- nesukeliantis silumini triuksm. Tokiu atveju lauko tranzistoriaus isjime- santakoje D suminio triuksmo galios Ptrs is sandus Ptrs n is galima uzrasyti siuo pavidalu: Ptrs n is Un2 /Ra, ir is cia bei (1.422) randame: Ktrs ( Un2 )/( Kp·Uin2 ) 1 + ( Un2 )/U12,

n 1

n 2

(1.452)

N

N

(1.453)

kur: U12 K p·Uin2·- isjimo tampos triuksmas tranzistoriaus apkrovoje Ra, slygotas jimo signalo u s ( t ) tampos saltinio vidaus varzos Rs, kuris tuo paciu yra vienas is sumins triuksmo tampos U2

N

n 1

Un2 tranzistoriaus isjime- apkrovoje Ra sand.

Is (1.453) seka: norint paskaiciuoti vienpolio tranzistoriaus triuksm koeficient Ktrs, pakanka paskaiciuoti bendr triuksm tampos dispersij U2 apkrovoje Ra ir gaut rezultat padalinti is triuksmo tampos dispersijos U12, kuri apkrovoje Ra sudaro jimo signalo u s ( t ) tampos saltinio vidaus varza Rs. Lygiavercio tampos triuksm generatoriaus u slygojama tampos triuksm dispersija U 21, 2, 3 yra: U 21, 2, 3 Ku· u trs 1 ( t ) 2 4·Ku2·k·T· ·( Rs + RS + RG ), (1.454) kur: Ku - vienpolio tranzistoriaus diferencialinis tampos stiprinimo koeficientas ((1.296), (1.297), (1.365), (1.377)). Cia reikia pastebti, jog placiame dazni diapazone uztros G talpos CG sand CGD ir CGS (1.133 pav.) tak suminiam triuksm koeficientui Ktrs skaitome koeficiento Ku daznine priklausomybe Ku ( ) (1.377). Lygiavercio srovs triuksm generatoriaus i trs 1 ( t ) (1.133 pav.) apkrovos varzoje Ra slygojam triuksm tampos dispersij U42 surasime priimdami, jog varzos RGD RGS . Siuo atveju triuksm srov i trs 1 ( t ) teks isimtinai vienpolio tranzistoriaus jimo grandineuztra G ir rezistoriuose RG, RS bei Rs slygos triuksm tamp u*trs 1 ( t ): u*trs 1 ( t ) i trs 1 ( t )·( Rs + RS + RG ). Si triuksm tampa yra stiprinama ir tranzistoriaus apkrovoje Ra atsiranda triuksm tampos dispersij U42:

trs 1

( t ) (1.133 pav.) apkrovoje Ra

219

U42 Ku· u*trs 1 ( t ) 2 2·q·Ku2·I G s· ·( Rs + RS + RG ) 2. (1.455) Cia taip pat placiame dazni diapazone uztros G talpos CG sand CGD ir CGS (1.133 pav.) tak suminiam triuksm koeficientui Ktrs skaitome koeficiento Ku daznine priklausomybe Ku ( ) (1.377). Lygiavercio srovs triuksm generatoriaus i trs 2 ( t ) (1.133 pav.) apkrovos varzoje Ra slygojam tampos triuksm dispersij U52 surasime priimdami, jog uzdaryto kanalo varza Rk . Siuo atveju triuksm srov i trs 2 ( t ) teks isimtinai vienpolio tranzistoriaus isjimo grandine- santaka D ir apkrovos rezistoriuje Ra slygos tampos dispersij U52: U52 i trs 2 ( t )·Ra 2 4·Ra2· ·{B*·k·T·S + I k2· ef k /{N k· 1 + ( · ef k ) 2 }}. (1.456) Lygiavertis tampos triuksm generatorius u trs 2 ( t ) (1.133 pav.) veikia betarpiskai vienpolio tranzistoriaus isjimo grandinje- santakoje D ir apkrovos rezistoriuje Ra slygoja tampos triuksm dispersij U62: U62 u trs 2 ( t ) 2 4·k·T· ·( RD + Ra ). (1.457)

Is (1.454) surandame jimo signalo u s ( t ) tampos saltinio vidaus varzos Rs apkrovoje Ra slygojam tampos triuksm dispersij U12: U12 4·Ku2·k·T·Rs·. (1.458)

Taigi, (1.453) stat atitinkamas tamp triuksmo dispersij Un2 israiskas (1.454) (1.458), randame bendros istakos (BI) schemoje jungto vienpolio tranzistoriaus triuksm koeficient Ktrs : Ktrs 1 + ( RS + RG )/Rs + I G s·( Rs + RS + RG ) 2/( 2· T·Rs ) + + Ra2·{B*·S + I 2D· ef k /{ k·T·N *k· 1 + ( · ef k ) 2 }}/( Rs·K 2u ) + + ( RD + Ra )/( Rs·K 2u ) + A/ , (1.459)

kur sios formuls isvedimo metu pasinaudojome anksciau pateikta tapatybe: T k·T /q, bei I k I D, o taip pat gautos israiskos (1.459) patikslinimo tikslu jos pabaigoje pridjome 1/f triuksm aprasant nar A/ (1.404). Is (1.459) paskaiciuota lauko tranzistoriaus triuksm koeficiento Ktrs priklausomyb nuo daznio yra parodyta 1.134 pav., kur triuksm koeficientas Ktrs yra pateiktas decibelais (dB): K *trs 10·lg K trs.

220

K *trs, dB 40 20 1/f

f, Hz 1.134 pav. Is (1.459) paskaiciuota lauko tranzistoriaus triuksm koeficiento Ktrs priklausomyb nuo daznio 1.134 pav. pateiktoje priklausomybje Ktrs ( ) zemuose dazniuose ( 1 kHz ) stebim triuksm didjim apsprendzia 1/f triuksmas ( paskutinis israiskos (1.459) narys). Tuo tarpu aukstuose dazniuose ( 1 MHz ) stebim triuksm didjim apsprendzia israiskos (1.459) nariai, kurie yra atvirksciai proporcingi tampos stiprinimo koeficiento Ku ( ) kvadratui, nes didjant dazniui koeficientas Ku ( ) mazja (1.377). Is gautos israiskos (1.459) taip pat seka stipri vienpolio tranzistoriaus triuksm koeficiento Ktrs priklausomyb nuo tampos stiprinimo koeficiento Ku, jimo signalo u s ( t ) saltinio vidaus varzos Rs bei apkrovos varzos Ra. Todl 1.135 pav. yra parodytos is (1.459) paskaiciuotos lauko tranzistoriaus triuksm koeficiento Ktrs priklausomybs nuo parametr: Rs, Ra ir Ku, kai daznis

0

10 2

10 4

10 6

10 8

yra intervale: 2··(10 4 10 6 ) Hz (1.134 pav.).

K *trs, dB 40 20 10 0 10 2 10 4 Rs 10 6

Ku

Ra

0

Ku,¨; Rs, Ra,

1.135 pav. Is (1.459) paskaiciuotos lauko tranzistoriaus triuksm koeficiento Ktrs priklausomybs nuo parametr: Rs, Ra ir Ku, kai daznis yra intervale: 2··(10 4 10 6 ) Hz (1.134 pav.) Atliekant priklausomybi Ktrs ( Ku, Rs, Ra ) skaiciavimus pasinaudojome koeficiento Ku priklausomybe nuo Ra RD (1.297) bei is (1.282), (1.290) ir (1.297) sekanciu proporcingumu: Ku S ·Ra·r

DS

/( Ra + r

DS

). Taigi, is 1.135 pav. pateikt priklausomybi matome, jog,

skirtingai nuo dvipolio tranzistoriaus (1.131 pav.), vienpolio tranzistoriaus stiprinimo pakopos triuksm koeficientas Ktrs gauna minimumo vert Ktrs min parenkant tik apkrovos rezistoriaus 221

Ra varz, kai tuo tarpu jimo signalo u s ( t ) saltinio vidaus varza Rs bei tampos stiprinimo koeficientas Ku turi bti manomai maksimals. Kita vertus, srovi I G s ir I D santykin taka suminiam triuksm koeficientui Ktrs yra palyginti nedidel, taciau pageidautina manomai mazinti uztros atgalin soties srov I

G s.

Cia reikia pastebti, jog bendru atveju vienpoli

tranzistori triuksm koeficientas Ktrs yra mazesnis uz dvipoli tranzistori. Todl mazatriuksmiuose stiprintuvuose pirmojoje stiprinimo pakopoje dazniausiai yra jungiami mazatriuksmiai lauko tranzistoriai. Anksciau parodme, jog selektyviai terpto arba indukuoto n- kanalo sandrinio Sotkio tranzistoriaus (1.121 pav.) statumas S, o tuo paciu ir tampos stiprinimo koeficientas Ku yra didziausi tarp vis vienpoli tranzistori. Todl tokio lauko tranzistoriaus triuksm koeficientas Ktrs yra maziausias tarp vienpoli ir dvipoli tranzistori. Dl sios priezasties selektyviai terpto arba indukuoto n- kanalo sandriniai Sotkio tranzistoriai placiai taikomi mazatriuksmi superaukstojo daznio ( 3 30 GHz ) stiprintuv pirmosiose stiprinimo pakopose, pvz. palydovini televizini sistem superaukstojo daznio imtuvuose-keitikliuose ( konverteriuose ) ir t. t.

3. PUSLAIDININKINI TAIS TEORINIO MODELIAVIMO BDAI

3.1. Soklio sesi fundamentali lygci sistema Is bendrosios fizikos elektros skyriaus zinome, jog visi gamtoje vykstantys elektromagnetiniai reiskiniai yra aprasomi fundamentaliomis Maksvelo lygtimis. Remiantis siomis lygtimis fizikiniai procesai, vykstantis bet kokiame puslaidininkiniame taise, gali bti aprasyti Soklio sesi fundamentali lygci sistema- parasyta vienos is trij Dekarto koordinaci sistemos, pvz. x- asies kryptimi: n p x / t [ j n ( x )/ x]/q + g n x r n x, j n x q·[ n x·n x·E x + Dn x·( n / x)], p n x / t [ j p ( x )/ x]/q + g p x r p x, j p x q·[ p x·px·E x Dp x·( p / x)], j x j n x + j p x + j C x, 2 ( x )/ x2 E ( x )/ x (q / x· o )·( p x + Nd x n x Na x ), 222 (1.460)

kur: indeksas "x" nurodo atitinkamo dydzio vert puslaidininkio taske x arba jo krypt ( pvz. xasies kryptimi ); j x - sumins srovs I x tankis; j n x ir j p x - elektronin ir skylin sumins srovs I x tankio j x sandai, atitinkamai; j C x x· o·( E x / t)- slinkties srovs I C x tankis; g n, p x - elektron arba skyli generacijos sparta, atitinkamai; r n, p x - elektron arba skyli rekombinacijos sparta, atitinkamai; x - elektrinio lauko E potencialas taske x; E x - elektrinio lauko stiprio E sandas x- asies kryptimi; n x v drf n x /E x ir p x v drf p x /E x - elektron ir skyli judrumas taske x, atitinkamai ( v drf n, p x - elektron arba skyli dreifinio greicio v drf n, p sandas x- asies kryptimi, atitinkamai ); Dn x ir Dp x - elektron ir skyli difuzijos koeficientai taske x, atitinkamai; n x arba n p x ir p x arba p n x- elektron ir skyli tankis taske x, atitinkamai ( indeksas "n" arba "p" nurodo puslaidininkio laidumo tip ); Nd akceptorini priemais tankis taske x, atitinkamai. Akivaizdu, jog uzrasant lygci sistem (1.460) y- bei z- asi kryptimis, kintamasis x bei indeksas "x" keiciami atitinkamus kintamuosius y arba z su atitinkamais si didzi indeksais "y" bei "z". Sistemos (1.460) pirmoji ir trecioji lygtys yra vadinamos tolydumo lygtimis. Jos apraso salutini krvinink ( elektron arba skyli ) tankio n p arba p n, atitinkamai, pokyt n p / t arba p n / t per laiko vienet puslaidininkio taske {x, y, z}, atsirandanti dl sumins srovs I elektronins I n bei skylins I p srovi sand tankio j n ir j p, atitinkamai, pokycio j n / ( x, y, z) arba j

p x

ir Na

x

- donorini ir

/( x, y, z ), atitinkamai, to tasko {x, y, z} aplinkoje bei salutini krvinink

padidjimo ir sumazjimo tame taske dl generacijos ( g n, g p ) ir rekombinacijos (r n, r p ) proces, atitinkamai. Cia reikia pastebti, kad sumins srovs I elektronins I n bei skylins I p srovi sand tankio pokyciai tasko {x, y, z} trio V = x· y· z aplinkoje atsiranda dl skirtingo einanci ir iseinanci salutini krvinink skaiciaus tame elementariajame tryje V nagrinjamame taske {x, y, z}. Sistemos (1.460) antroji ir ketvirtoji lygtys yra vadinamos srovs tankio lygtimis. Jos apraso elektron ir skyli slygot srovi tankio sandus j n ir j p, atitinkamai, atsirandancius dl elektrinio lauko E poveikio, t. y. dreifins sumins srovs I

drf

tankio j

drf

sand

komponentes j n drf ir j p drf, kurios yra isreiskiamos taip: j n drf q· n·n·E ir j p drf q· p·p·E. Kita vertus dl krvinink tanki n ir p netolygaus pasiskirstymo puslaidininkio tryje, kas yra nusakoma gradientais: grad n ( x, y, z) ir grad p ( x, y, z), atsiranda difuzin sumin srov I dif, kurios tankio j dif elektronins j n dif ir skylins j p dif sand komponents yra isreiskiamos tokio pavidalo israiskomis: j n dif q·Dn·[ n / ( x, y, z)] ir j p dif q·Dp·[ p / ( x, y, z)]. Sistemos (1.460) penktoji lygtys yra vadinama sumins srovs tankio lygtimi. Ji apraso sumins srovs I tank j puslaidininkyje, kurios yra sudarytos is elektronins bei skylins srovi I n ir I p sand tanki j n ir j p, atitinkamai, bei slinkties srovs I C tankio j C. 223

Sistemos (1.460) sestoji lygtys yra vadinama Puasono lygtimi. Si lygtis surisa tasko {x, y, z} potencial ( x, y, z) su suminiu erdviniu krviu Q x, y, z to tasko trio V aplinkoje. Lygci sistemoje (1.460) skylins srovs I p tankio j p israiskose minuso zenklas "" isreiskia t fakt, jog skylins srovs I p kryptis sutampa su atitinkamos asies x-, y- arba zkryptimi tik tuo atveju, kai skyli tankis p ( x, y, z) ta kryptimi mazja- yra tenkinama nelygyb: p /( x, y, z) 0, nes skyli judjimo kryptis ir j slygotos srovs kryptis yra priesingos. Kartu su sistemos (1.460) lygtimis yra naudojamos sios tapatybs: L n ( Dn· n ) 1/2, bei Einsteino srysis: L p ( Dp· p ) 1/2, (1.461)

n q·Dn /( k·T ),

kur: L

n

p q·Dp /( k·T ),

(1.462)

ir L

p

- elektron ir skyli difuzijos nuotoliai, atitinkamai, t. y. atstumas, kuriame ) p- puslaidininkyje ir skyli ( p ) n- puslaidininkyje gyvavimo trukm,

atitinkam krvinink tankis sumazja e 2,718... kart; n ir p - salutini krvinink, t. y. elektron ( n

p n

atitinkamai, kas atitinka laiko trukm, per kuri atitinkam salutini krvinink tankis n p arba p n sumazja e kart. Dydziai n ir p priklauso nuo rekombinacini proces puslaidininkio tryje V ir jo pavirsiuje S. Si priklausomyb yra isreiskiama taip: 1/ n 1/ n V 1/ n S, 1/ p 1/ p V 1/ p S, (1.463)

kur: n, p V ir n, p S - atitinkam salutini krvinink gyvavimo trukm tryje V ir pavirsiuje S, atitinkamai. Salutini krvinink ( elektron arba skyli ) rekombinacijos sparta r n, p yra tiesiog proporcinga j pertekliniam tankiui n p n p n p o arba p n p n p n o, bei atvirksciai proporcinga gyvavimo trukmei n, p : r n n p / n ( n p n p o )/ n, kur: n

p o

r p p n / p ( p n p n o )/ p,

(1.464)

ir p

n o

- salutini krvinink pusiausvyriniai tankiai, priklausantys nuo aplinkos

temperatros T ( temperatrai didjant, salutini krvinink pusiausvyriniai tankiai taip pat didja ). Cia reikia pastebti, jog israiskos (1.464) apraso ir temperatrin salutini krvinink generacijos spart, kai j tankis tampa mazesnis uz pusiausvyrin tank. Elektron arba skyli generacijos sparta g

n, p

uzrasoma priklausomai nuo fizikinio 224

generacijos proceso pobdzio. Pvz., optinio suzadinimo metu puslaidininkyje yra

generuojamos elektron-skyli poros, kuri skaicius N n-p per laiko vienet t yra lygus arba mazesnis uz puslaidinink pasiekusi optini foton h· skaici N h per t pat laiko vienet t, t. y. galima uzrasyti: g n g p k h·N h, kur: k h 1- optinio zadinimo koeficientas. Nagrinjant puslaidininkio srit, kurioje vyksta gritinis pramusimas (1.62), joje generuojam krvinink por generacijos spart g n, p galima uzrasyti per grities didjimo faktori M (1.62): g n g p ( M 1). Cia priimame, kad elektron ir skyli indelis faktori M yra vienodas. Taciau dl skirting elektron ir skyli judri

n, p

(1.462) ( dazniausiai

n p ) elektron ir skyli indelis faktoriaus M vert yra skirtingas ir todl dydzi g n ir g p

verts skiriasi. S fakt galima skaityti taip: g n Mn ( E ) 1 ir g p Mp ( E ) 1, kur funkcijos Mn, p ( E ) yra parenkamos is eksperimento. Cia pastebsime, jog funkcij Mn, p ( E ) verts bendru atveju priklauso nuo krypties puslaidininkyje. Krvinink judriai n, p (1.462), o tuo paciu ir difuzijos koeficientai Dn, p, taip pat nra pastovs didziai- jie priklauso nuo legiruojanci priemais tanki Na, d. Puslaidininkiuose, didjant Na, d, krvinink judriai n, p mazja. Si priklausomyb gali bti aprasyta vairaus pobdzio aproksimacijomis, pvz.: n, p n, p i / 1 + ( Na, d /N * ) , kur: n, p i - atitinkam krvinink judriai savitojo laidumo i-puslaidininkyje; ir N *- parenkami koeficientai. Is pirmosios ir antrosios bei is treciosios ir ketvirtosios sistemos (1.460) lygci galima uzrasyti salutini krvinink tankio n p ( arba p n ) priklausomyb nuo koordinats {x, y, z} ir laiko t, pvz. x- asies kryptimi tokio pavidalo lygci sistema: n p x / t g n x ( n p x n p o x )/ n x + n p x· n x· E ( x )/ x + + n x·E x· n p( x )/ x + D n x· 2n p ( x )/ x 2 , p n x / t g p x ( p n x p n o x )/ p x + p n x· p x· E ( x )/ x + + p x·E x· p n ( x ) / x + D p x· 2p n ( x )/ x 2 , kur matematinio isvedimo metu pasinaudojome tapatybmis (1.464). Lygtys (1.465) ir atitinkamos lygtys sistemoje (1.460), turincios narius su elektrinio lauko stipriu E, galioja tik iki tam tikr elektrinio lauko stiprio Emax verci. Esant stipriam elektriniam laukui E Emax, sandauga ·E tampa pastovi ir nebepriklauso nuo E (1.120 pav.). Todl prie stipri elektrinio lauko E verci E Emax, visose sistemos (1.460) bei (1.465) lygtyse atitinkamos sandaugos ·E yra pakeiciamos atitinkamomis krvinink dreifinio greicio v drf soties vertmis v s. Akivaizdu, jog bendru atveju lygtys (1.465) neturi analizinio sprendinio. Kita vertus, lygci sistema (1.460) ir is jos gaunamos lygtys (1.465) apraso tik makroskopinius procesus, t. y. tokius, kuriems galioja Einsteino srysis (1.462). Is cia seka, kad teoriskai modeliuojamo 225 (1.465)

puslaidininkinio taiso atitinkamos srities matmenys turi bti nemazesni, kaip simtosios mikrono ( m ) dalys. Todl lygci sistema (1.460) neapraso magnetini reiskini ir puslaidininkinio kristalo defekt, nes joje nra tam btin lygties nari. Kita vertus, sios lygtys gali bti taikomos, kai yra tenkinamos slygos: legiruojanci priemais tankio Na, signal kitimo daznis- 2··10

12 d

gradientas- grad Na, d 10 24 cm 4 ( Si, Ge ); srovs I tankis- j 10 6 A /cm 2; elektrini Hz. Sie apribojimai prastiniuose puslaidininkiniuose taisuose dazniausiai nra virsijami, todl lygci sistema (1.460) ir is jos gautos lygtys (1.465) yra placiai taikomos teoriniuose puslaidininkini tais skaiciavimuose. Matematinis Soklio lygci (1.460) sprendimas ir is j gaut lygci (1.465) sudarytos sistemos sprendimas reikalauja krastini slyg, kurias bendriausiu atveju galima formuluoti sekanciai: 1) prie laisvo puslaidininkio pavirsiaus, neturincio kontakto su laidininku, elektronins I n ir skylins I p sumins srovs I I n + I p sand statmenos pavirsiui komponents I n ir I p , atitinkamai, yra pilnai apsprstos pavirsinio generaciniorekombinacinio proceso. Tai seka is to, jog sumins srovs I tankio j statmena pavirsiui komponent j krvinink skaiciui Nn,

per tok pavirsi yra lygi nuliui ( j

0 ). Todl

krvinink srautas link pavirsiaus turi bti lygus rekombinavusi prie pavirsiaus

p

per laiko vienet t, t. y krvinink rekombinacijos

spartos r n, p S ir generacijos spartos g n, p S prie pavirsiaus skirtumui, kur uzrasome taip: ( j n, p / )/q r n, p S g n, p S, kur: - normal nagrinjamo pavirsiaus taske {x, y, z}. Taip pat, nesant isorini elektrini lauk ( E E yra lygi nuliui: E / 0; 2) kai puslaidininkio pavirsius lieciasi su dielektriko sluoksniu ir per j veikia isorinis elektrinis laukas Eisor ( si situacija atitinka MOP (MDP) tranzistorius), tai siuo atveju krastins slygos yra nusakomos elektrinio lauko Eisor vektoriui, riboje tarp dielektriko ir puslaidininkio, tokio pavidalo israiskomis:

isor

0 ), nagrinjamo

pavirsiaus taske {x, y, z} elektrinio lauko stiprio E statmena pavirsiui komponent

d· o·Eisor d p· o·Eisor p S ir

kur:

S

Eisor d Eisor p ,

- pavirsinis krvinink tankis riboje tarp dielektriko ir puslaidininkio

( indeksai "d" ir "p" nurodo parametr vertes dielektrike ir puslaidininkyje, atitinkamai, o indeksas "" nurodo tangentins ( liestins ) komponents vert ); 3) kai puslaidininkio pavirsius lieciasi su metalo sluoksniu ( si situacija atitinka omin arba Sotkio kontaktus ), tai siuo atveju krastins slygas riboje tarp metalo ir puslaidininkio nusako termodinamin pusiausvyr ir jos yra isreiskiamos taip:

226

n

n, p·p n, p

n i2 bei pavirsiniam krvinink tankiui x tokio pavidalo tapatybe:

x q·( p x + Nd x n x Na x ) 0;

4) srov I per puslaidininkio omin kontakt yra nusakoma integralu: I j ( x, y, z )·d S, kur: S- ominio kontakto plotas; j (x, y, z)- srovs tankis

S

ominio kontakto taske {x, y, z}. Esant atitinkamoms krastinms slygoms yra sprendziama lygci sistema (1.460) bei, esant btinybei, kitos papildomos lygtys. Sprendimo metu yra randamos parametr n, p, ir E funkcins priklausomybs nuo laiko t ir koordinats {x, y, z}. Is gaut priklausomybi yra paskaiciuojami atitinkam srovi I tanki j sandai j su atitinkamomis krastinmis slygomis apraso

n, p

ir is j sumins srovs per taiso statines

puslaidininkinio darinio atitinkamus ominius kontaktus. Bendru atveju lygci sistema (1.460) puslaidininkinio ( nepriklausomas nuo laiko t ) ir dinamines ( kintamas laike t ) charakteristikas mazo bei didelio jimo signalo slyg atvejais ( mazo jimo signalo slygos atvejis atitinka tiesini grandini savyb- t. y., kai puslaidininkinio taiso elektriniai parametrai ir charakteristikos nepriklauso nuo srovi ir tamp jo isvaduose, o didelio jimo signalo slygos atvejis atitinka netiesini grandini savyb- t. y., kai puslaidininkinio taiso elektriniai parametrai ir charakteristikos priklauso nuo srovi ir tamp jo isvaduose ( kontaktuose )). Skaiciuojant daznines puslaidininkinio taiso charakteristikas, t. y. j priklausomyb nuo daznio , mazo jimo signalo slygos atveju lygci sistemoje (1.460) kintamieji dydziai dazniausiai yra uzrasomi pavidalu: 0 + o·e j· ·t, kur indeksu "0" yra pazymta pastovi komponent, o indeksu "o"- kintamosios komponents amplitud, kurios daugyba is e laikrodzio rodykl (1.4 pav. ir 1.6 pav.). Jau minjome, jog lygci sistemos (1.460) su atitinkamomis krastinmis slygomis bei kitomis btinomis lygtimis bendras sprendimas yra susijs su dideliais matematiniais sunkumais ir reikalauja ypac galing kompiuteri bei daug skaiciavimo laiko su jais. Todl vairs matematiniai modeliai skiriasi padarytais lygci sistemos (1.460) supaprastinimais ir prielaidomis, leidzianciomis zinomais matematiniais bdais gauti pakankamai tikslius sprendinius konkretiems puslaidininkiniams taisams bei j klasms. Dazniausiai konkreciai puslaidininkini tais klasei ( pvz., diodams, vienpoliams arba dvipoliams tranzistoriams ir t.t.) is lygci sistemos (1.460) yra isskiriama pagrindin arba kelios pagrindins lygtys, kurios pakankamai tiksliai apraso pagrindinius fizikinius procesus puslaidininkiniame taise arba atskirose to prietaiso srityse. Pvz., dvipolio tranzistoriaus atveju yra apsiribojama fizikini proces aprasymu jo bazje. Todl uztenka issprsti pirmj arba trecij lygci sistemos (1.460) lygt su krastinmis slygomis prie emiterio ir kolektoriaus bazje, t. y. apsiribojama 227

j· ·t

reiskia vektoriaus o sukim kompleksinje plokstumoje { Re, Im } kampiniu greiciu pries

tolydumo lygties salutiniams krvininkams bazs srityje sprendimu. Tai jau parodme anksciau, nagrindami dvipolio tranzistoriaus fizikinius veikos pagrindus ((1.201) (1.209)). Vienpolio tranzistoriaus atveju ( pvz. sandrinio ) uztenka issprsti pirmj arba trecij lygci sistemos (1.460) lygt kanalo srityje su krastinmis slygomis prie istakos S ir santakos D, t. y. apsiribojama tolydumo lygties pagrindiniams krvininkams kanale sprendimu, bei Puasono lygties nuskurdintoje uztros G p-n sandros srityje sprendimu. Tai taip pat jau parodme anksciau, nagrindami puslaidininkinio diodo ((1.37) (1.42)) bei vienpolio tranzistoriaus ((1.324) (1.330)) fizikinius veikos pagrindus. Remiantis anksciau isdstytomis prielaidomis konkretaus puslaidininkinio taiso matematinis modelis gali bti sudarytas trimis bdais (1.136 pav.). 1. Tiesioginis Soklio lygci sistemos sprendimas- tai pagrindini sistemos (1.460) lygci sprendimas prastais metodais, kai atskirais atvejais galima rasti analizin sprendin zinomais matematiniais lygci analizs metodais. Kitais atvejais, kai diferencialini lygci sistema yra netiesin, naudojami vairs skaitmeniniai toki lygci sprendimo metodai. Fundamentalios lygtys (1.460) ir papildomos tapatybs Pagrindini lygci isskyrimas

Tiesioginis sprendimas (analizins israiskos)

Pagrindini lygci pakeitimas baigtinio laiko ir koordinaci skirtumo lygtimis

Apytiksliai sprendimo bdai

Linvilo modelis

Paskirstytos RC- grandins modelis

Krvio metodas

Nykstamai maz trikdzi metodas

1.136 pav. Puslaidininkinio taiso matematiniai modeliai bei galimi sprendimo bdai Dazniausiai dalini laiko F/ t ir koordinats F/ ( x, y, z ) isvestini netiesins diferencialins lygtys yra pakeiciamos baigtini laiko F/ t ir koordinats F/ ( x, y, z ) skirtum lygtimis, kur: F- atitinkamo parametro funkcija. Pailiustruosime tai vienmate tolydumo lygtimi (1.465), aprasancia fizikinius procesus dvipolio n-p-n tranzistoriaus bazje. Lygtyje (1.465) dydziai kolektoriaus K. 228

n x,

n x ir Dn x yra funkcijos nuo legiruojanci priemais tankio

Na ( x ) pasiskirstymo bazje (1.137 pav.), kur x- asis yra nukreipta nuo emiterio E link

Nd Na, cm 3

E (n-)

B ( p-)

K (n-)

0* 0 d pn E W *E W *B

WB d pn K W *K x, m

1.137 pav. Legiruojanci priemais tankio Na ( x ) ir Nd ( x ) pasiskirstymas x- asies kryptimi dvipolio n-p-n tranzistoriaus emiteryje E, bazje B ir kolektoriuje K Krastines slygas salutiniams krvininkams bazje B prie emiterio E ( x 0* ) ir prie kolektoriaus K ( x W B ) riboje su atitinkamomis p-n sandr nuskurdintomis sritimis galima uzrasyti taip: n p (0, t ) n p o (0)·exp ( UEB / T ), n p (WB, t ) n p o (W B)·exp ( UKB / T ), (1.466) kur: n p o (0) ir n p o ( WB )- pusiausvyrini ( termodinamins pusiausvyros prasme ) elektron tankio n

p o

( x ) pasiskirstymo verts p- laidumo bazje prie emiterio E ir kolektoriaus K

nuskurdint p-n sandr srici, atitinkamai; WB - neutralios bazs storis. Pradiniu laiko momentu t 0, kol dar nra jimo signalo tampos u in ( t ) arba srovs i in ( t ) suolio emiteryje, elektron tankio n p ( x, 0) pasiskirstymas p- bazje atitinka stacionar pusiausvyrin pasiskirstym: n p ( x, 0) n p o ( x ) n i2 /p p o ( x ) n i2 /| Na ( x )|, (1.467)

ir tai sudaro krastin slyg salutini krvinink tankio pasiskirstymui bazje, kur: p p o ( x )skyli ( pagrindini krvinink ) stacionarus tankis bazje. Pusiausvyrini elektron tankio n

p o

( x ) pasiskirstymas p- laidumo bazje bendru

atveju nra pastovus. Jis priklauso nuo tamp UEB ir UKB, bei nuo legiruojanci priemais tankio Na ( x ) bazje pasiskirstymo pobdzio. Kai tampos UEB 0 ir UKB 0, t. y. emiterio ir kolektoriaus p-n sandros jungtos atgaline kryptimi, nepriklausomai nuo tankio Na ( x ) bazje pasiskirstymo pobdzio, pusiausvyrini elektron tankis n p o (0) 0 ir n p o (WB ) 0. Taciau

( n p o (0)) / x 0 ir ( n p o ( WB )) / x 0, t. y. per emiterio bei kolektoriaus p-n sandras teka

atgalins soties srovs: I *E s ir I israiskai (1.467). Todl

* K s,

atitinkamai, ir tai yra papildomos krastins slygos tranzistoriaus bazs srityje 0* x WB

difuzinio

(cia ir vliau x verts imamos neutralios bazs srityje: 0* WB (1.137 pav.), t. y. tarp 229

nuskurdint p-n sandr srici, kurios 1.137 pav. yra pavaizduotos uzbrksniuotomis sritimis) priklausomyb n p o ( x ) galima aprasyti tiesine funkcija: n p o ( x ) n i2 /| N a | const, kurioje, kai x 0* ir x WB, priimame vert n p o 0. Kita vertus, kai x 0* ir x WB, tankis n p o ( x ) mazja taip, kad isvestin ( n

p o

( x )) / x j

*

E s n

/(q·Dn ) prie emiterio ir

( n p o ( x )) / x j *K s n /(q·Dn ) prie kolektoriaus p-n sandr, atitinkamai, kur: j *E s n ir j *K s n - emiterio bei kolektoriaus p-n sandr atgalini soties srovi I *E s ir I *K s tanki j *E s ir j

* K s

elektronins dedamosios, atitinkamai. Akivaizdu, jog dreifinio tranzistoriaus bazje

p o

pasiskirstimui n

( x ) tiesins aproksimacijos taikyti negalima dl joje egzistuojancio

elektrinio lauko EB (1.239). Anksciau buvo parodyta, jog sis laukas susidaro dl legiruojanci priemais tankio N a ( x ) bazje netolygaus pasiskirstymo ( brksniuota-taskin kreiv 1.137 pav.). Anksciau nagrindami fizikinius procesus dvipolio tranzistoriaus bazje parodme, jog dl tankio Na ( x ) gradiento ( N a ( x )) / x 0 takos, p- laidumo bazje nusistovi elektrinis laukas EB, veikiantis salutinius krvininkus- elektronus. Sio lauko stipr EB randame is nusistovjusios pagrindini krvinink- skyli p- bazje pusiausvyros slygos, kuriai esant pusiausvyrini skyli sumins srovs I Todl is (1.460) galima uzrasyti: j p x j p dif x j p drf x q·[ Dp x·( p p o ( x )/ x ) p x·p p o ( x )·EB ( x )] 0, ir is cia randame: EB ( x ) Dp x·( p p o ( x ) / x )/( p x·p p o ( x )). (1.468)

p x

tankio j

p x

difuzinio sando j

p dif x

modulis j p dif x tampa lygus j kompensuojanciam skyli dreifinio sando j p drf x moduliui j p drf x.

Is formuli (1.462), (1.467) ir (1.468) gauname anksciau pateikt elektrinio lauko EB ( x ) israisk (1.239). Sio elektrinio lauko takoje pusiausvyrini elektron tankio n p o ( x ) pasiskirstymas dreifinio tranzistoriaus p- laidumo neutralios bazs srityje- 0* x WB turi tenkinti slyg: j n x j n drf x + j n dif x q·[ n x·n p o ( x )·EB ( x ) + Dn x·( n p o ( x )/ x )], ir is cia bei (1.462) ir (1.239) randame: j n x q·Dn x·[ n p o ( x )·( Na ( x )/ x ) /Na ( x ) + ( n p o (x) / x )], bei is cia, esant krastinei slygai: n p o ( x ) 0, kai x WB, gauname dreifinio tranzistoriaus p- laidumo neutralios bazs srityje- 0* x WB pusiausvyrini elektron tankio n pasiskirstym: 230

p o

(x)

n p o ( x ) [ j n x /(q·Dn x·Na ( x ))]·

W B x

Na ( x )·d x.

Sioje israiskoje, kai x WB, srovs tankis j n x j *K s, o kai x 0*, srovs tankis j b

n x E

j

*

E s.

Tuo atveju, kai Na ( x ) Na e·exp ( b E·x )- eksponentinis pasiskyrimas, kur:

e

(1/WB )·ln ( Na

/Na

k

)- elektrinio lauko EB bazje faktorius, srovs tankio j

n x

priklausomybei nuo x neutralioje bazs srityje- 0* x WB galima taikyti tiesin aproksimacij: j n ( x ) j *E s·( 1 x /WB ) j *K s·x /WB. Cia reikia pastebti, jog difuziniame ir dreifiniame tranzistoriuose bazs srovs I B tankis j *B j *E s + j *K s, nes tampos UEB 0 ir UKB 0, t. y. emiterio ir kolektoriaus p-n sandros yra jungtos atgaline kryptimi. Elektrinio lauko EB ( x ) israisk (1.239) galima uzrasyti ir taip: EB ( x ) ( k·T /q )·(d Na ( x )/d x )/Na ( x ) ( k·T /q )·(d ( ln | Na |)/d x ), is kur, esant eksponentiniam Na ( x ) pasiskirstymui dreifinio tranzistoriaus bazje, gauname elektrinio lauko stiprio EB ( x ) israisk: EB ( x ) k·T·b E /q k·T·(1/WB )·ln ( Na e /Na k )/q, kur: Na

e

(1.469)

ir Na

k

- legiruojanci priemais tankio Na ( x ) bazje verts prie emiterio E ir

kolektoriaus K p-n sandr rib, atitinkamai. Is (1.469) seka: esant eksponentiniam legiruojanci priemais tankio Na ( x ) bazje pasiskirstymui, dreifinio tranzistoriaus neutralioje bazje nusistovi pastovaus stiprio elektrinis laukas EB ( x ) const, kuris veikia tik salutinius krvininkus bazje. Kita vertus akivaizdu, jog siuo atveju yra gaunama maziausia salutini krvinink lkio trukm t (1.240). 2. Baigtini skirtum metodas- tai toks diferencialini lygci sprendimo bdas, kai vienmats tolydumo lygties (1.465) dalins isvestins yra pakeiciamos baigtini laiko F/ t ir koordinats F/ ( x, y, z ) skirtum lygtimis, kur: F- atitinkamo parametro baigtinis pokytis. Taikant s metod, pvz. n-p-n tranzistoriaus neutralios bazs sriciai, vienmats tolydumo lygtys (1.465) yra uzrasomos tokiu pavidalu: n p x / t ( n p ( k, i + 1) n p ( k, i ))/ t, n p ( x )/ x ( n p ( k + 1, i ) n p ( k, i ))/ x, 2 n p ( x )/ x 2 ( n p ( k + 1, i ) 2·n p ( k, i ) + n p ( k 1, i ))/ x 2, (1.470)

d B

per baz

231

kur: t ir x - laiko ir koordinats "zingsniai", atitinkamai; k ir i - koordinats ir laiko "zingsnio" indeksai, atitinkamai, nurodantys tankio n momento t taske { k, i } (1.138 pav. a).

p ( k, i )

vert koordinats x ir laiko

t k, i + 1 ti k 1, i k, i k + 1, i k, i 1 x My

y

t

ti

x

Mx a b

1.138 pav. Diferencialini lygci sprendimo bdas baigtini skirtum metodu, kuriame puslaidininkinio taiso atitinkama sritis yra suskaidoma { My Mx } dali-"tinklelio" metodu ( b), taikant laiko t ir koordinats x "zingsnius" t i ir x k, atitinkamai (a) 1.138 pav. pavaizduota situacija yra vadinama "tinklelio" metodu, kurio esm sudaro tai, jog puslaidininkinio taiso atitinkama sritis yra suskaidoma { My Mx } dali, t. y. taip, kaip yra parodyta 1.138 pav. b. Gautos israiskos (1.470) yra statomos lygt (1.465) ir taip yra gaunama lygtis, kuri atitinkamoje tranzistoriaus srityje, pvz. neutralioje bazje, tinklelio metodu apraso salutini krvinink tankio n p ( k, i ) priklausomyb nuo koordinats { x, y, z } ir laiko t : n p ( k, i + 1) n p ( k, i ) t·( n p ( k, i ) n p o ( k, i ))/ n k + + n k·EB k·( n p ( k + 1, i ) n p ( k, i ))/ x + + Dn k·( n p ( k + 1, i ) 2·n p ( k, i ) + n p ( k 1, i ))/ x 2 . (1.471)

Gauta lygtis (1.471) yra nuosekliai taikoma kiekviename tinklelio { My Mx } taske ( siuo atveju x-asies kryptimi ) ir tokiu bdu galima paskaiciuoti elektron tankio n p ( x, t ) pasiskirstym p- laidumo bazje kiekvienu laiko momentu t i. Cia reikia pastebti, jog dl bazs, o tuo paciu ir kit tranzistoriaus srici suminio krvio neutralumo islaikymo slygos, didjant salutini krvinink tankiui n p, tiek pat padidja ir pagrindini krvinink p p tankis tranzistoriaus bazje: p p p p o + n p. Todl prie dideli srovi, kai n p p p o, pagrindini krvinink ( skyli ) tankio p p ( x ) pasiskirstymas bazje pasikeicia ir takoja elektrin lauk EB ( x ) (1.468) dreifinio tranzistoriaus bazje. Si taka yra skaitoma tada, kai kartu su 232

salutinius krvininkus ( elektronus ) aprasanciomis lygtimis (1.471) yra sprendziamos pagrindinius krvininkus ( skyles ) aprasancios lygtys, pvz. p- laidumo bazje vienu metu yra sprendziamos tolydumo (1.465) ir Puasono (1.460) lygtys: p p x / t ( p p x p p o x )/ p x + p p x· p x·( EB ( x )/ x ) + + p x·EB x·( p p ( x )/ x ) + Dp x·( 2 p p ( x )/ x 2 ), ( x )/ x EB ( x )/ x

2 2

(1.472)

[q /( x· o )]·( p p x n p x Na x ). Vienmaci lygci sistemos (1.472) atitinkam nari dalins isvestins anksciau aprasytu bdu (1.470) yra pakeiciamos baigtini laiko F/ t ir koordinats F/( x, y, z ) skirtum lygtimis: p p x / t ( p p ( k, i + 1) p p ( k, i ) )/ t, p p ( x )/ x ( p p ( k + 1, i ) p p ( k, i ) )/ x, p p ( x )/ x ( p p ( k + 1, i ) 2·p p ( k, i ) + p p ( k1, i ) )/ x , EB ( x )/ x ( EB ( k + 1, i ) EB ( k, i ) )/ x. Gautas israiskas (1.473) stat (1.472), gauname tinklelio metodu bendriausiu atveju aprasancias n-p-n tranzistoriaus neutralioje bazje pagrindini krvinink ( skyli ) tankio p p ( k, i ) priklausomybes nuo koordinats { x, y, z } ir laiko t baigtini skirtum lygtys: p p ( k, i + 1) p p ( k, i ) t·( p p ( k, i ) p p o ( k, i ) )/ p k + + p p ( k, i )· p k·( EB ( k + 1, i ) EB ( k, i ) )/ x + + p k·EB k·( p p ( k + 1, i ) p p ( k, i ) )/ x + + Dp k·( p p ( k + 1, i ) 2·p p ( k, i ) + p p ( k 1, i ) )/ x 2 , EB ( k + 1, i ) EB ( k, i ) + x·[q /( k o )]·( p p ( k, i ) n p ( k, i ) N a k ). Gautos lygtys (1.472) (1.474) apraso fizikinius procesus tranzistoriaus bazje nuo jos sudarymo momento t o, t. y. nuo legiruojanci priemais Na ( x, y, z ) vedimo ( terpimo ) baz momento. Todl j sprendimas automatiskai duoda elektrinio lauko EB pasiskirstymo EB ( x, y, z ) vertes visuose bazs srities taskuose { x, y, z }. Is cia seka: esant atitinkamoms krastinms slygoms (1.466) (1.467) bendras lygci (1.471) ir (1.474) sprendimas duoda salutini krvinink ( elektron ) tankio n p ( x, t ) pasiskirstym p- laidumo bazje kiekvienu laiko momentu t t o visame per baz tekanci srovi verci diapazone. Cia pastebsime, jog 233 (1.474)

2 2 2

(1.473)

lygci sistema (1.474) yra sprendziama kartu su krastinmis slygomis (1.466) (1.467) bei anksciau pateiktomis papildomomis krastinmis slygomis salutiniams krvininkams bazje. Kita vertus, pagrindiniams krvininkams bazje pradiniu laiko momentu t o 0, kai tampos UEB 0 ir UKB 0 ( tranzistoriaus emiterio ir kolektoriaus p-n sandros yra jungtos atgaline kryptimi ), su is lygci (1.467) gaunama tapatybe p p o ( x ) | Na ( x )| tuo paciu metu yra taikomos sios papildomos krastins slygos: ( p p o ( 0* )) / x 0 ir ( p p o ( WB )) / x 0. Krvinink gyvavimo trukms n k (1.471) ir p k (1.474) tranzistoriaus bazje yra suristos sia priklausomybe: n p k / n k p p k / p k g n-p - krvinink poros generacijos sparta. Nusistovjus termodinaminei pusiausvyrai n-p-n tranzistoriaus bazje, kitu laiko momentu t *o 0 bendros bazs (BB) schemoje jungto tranzistoriaus emiterio p-n sandra yra veikiama neigiamo poliaringumo tampos suoliu u EB ( t ) UEB o·1( t ), kur: 1( t )- vienetinio suolio funkcija, o UEB o - tampos suolio amplitud. Esant siai slygai is emiterio injektuojam salutini krvinink ( elektron ) tankis n p ( 0*, t ) bazje prie emiterio p-n sandros taip pat suoliu padidja iki verts, kuri yra nusakoma atitinkama krastine slyga (1.466). Todl, dl krvio neutralumo islaikymo slygos bazje, atitinkamai padidja ir pagrindini krvinink ( skyli ) tankis p p ( 0*, t ) p p o ( 0* )·exp ( UEB / T ), taciau taip, kad bt tenkinama papildoma krastin slyga: p p p p ( 0*, t ) p p o ( 0* ) n p n p ( 0*, t ) n p o ( 0* ). (1.475) Nagrinjamu atveju per emiterio p-n sandr teka tiesiogine emiterio srov i kurios tankio j

E E

( t ),

( t ) i

E

( t ) /SE elektroninis sandas j

E n

( t ) yra isreiskiama taip:

j E n ( t ) q·Dn·[ ( n p ( x, t )) / x ]| x 0, kur: SE - emiterio p-n sandros plotas. Analogiskai, sprsdami atitinkamas lygtys emiterio srityje randame srovs tankio j

E

( t ) skylinio sando

vert: j E p ( t ) q·Dp·[ ( p n ( x, t )) / x ]| x 0, kur: p n ( x, t )- skyli tankio priklausomyb nuo koordinats {x, y, z} ir laiko t tranzistoriaus n-laidumo emiteryje ( cia priimame, jog tiesiogine kryptimi jungto emiterio p-n sandros nuskurdinto sluoksnio storis d pn E 0 ). Is atlikt emiterio srovs i

E

( t ) suminio tankio j

E

( t ) atitinkam srovi tanki sand

E

skaiciavimo rezultat randame sumin emiterio srov: i

(t)(j

E n

(t)+j

E p

( t ))·SE.

Akivaizdu, kad tokiu pat bdu yra paskaiciuojama ir per uztvarine kryptimi jungt kolektoriaus p-n sandr tekanti kolektoriaus srov: i K ( t ) ( j K n ( t ) + j K p ( t ))·SK, kur atitinkami sandai yra: j K n ( t ) q·Dn·[ ( n p ( x, t )) / x ]| x WB - kolektoriaus srovs tankio elektroninis sandas; j K p ( t ) q·Dp·[ ( p n ( x, t )) / x ]| x WB + d pn K - kolektoriaus srovs tankio skylinis sandas; SK - kolektoriaus p-n sandros plotas. Cia srovs tankis j K p ( t ) yra randamas tranzistoriaus n-laidumo kolektoriuje, t. y. taske x WB + d

pn K,

kur: d

pn K

-

234

kolektoriaus p-n sandros nuskurdinto sluoksnio storis. Kadangi kolektoriaus p-n sandra yra jungta atgaline kryptimi (UKB 0), tai skaiciuojant salutini krvinink tankio p n ( x, t ) pasiskirstym kolektoriuje yra taikoma papildoma krastin slyga: p n {( WB + d pn K ), t } 0. Siuo atveju abejuose nagrinjamuose dvipoliuose tranzistoriuose ( difuziniame ir dreifiniame ) bazs srovs i B ( t ) tankis j B ( t ) yra isreiskiamas taip: j B ( t ) j E ( t ) j K ( t ). Akivaizdu, jog esminis isnagrinto tiesioginio pagrindini sistemos (1.460) lygci skaitmeninio sprendimo metodo privalumas yra jo universalumas. Taciau, is kitos puss, akivaizdu ir tai, jog tokiu atveju reikia labai sparci ir didels operatyvins atminties skaiciavimo masin, nes pakankamai tikslus skaitmeninis sistemos (1.460) lygci sprendimas tinklelio metodu reikalauja labai maz koordinats ( x, y, z ) ir laiko t ,,zingsni". Vienas is bd sumazinti skaiciavimo masinos operatyvins atminties apimt, reikalingos skaitmeniniam sprendimui tinklelio metodu, yra atsisakymas skaiciuoti pagrindini krvinink tankio pasiskirstym ( arba salutini krvinink tankio pasiskirstym vienpolio tranzistoriaus atveju ) kai tai neturi esmins takos gaut teorini tranzistoriaus charakteristik tikslumui. Difuzinio tranzistoriaus atveju paprastai uztenka aprasyti tik salutinius krvininkus atitinkamose srityse. Dreifinio tranzistoriaus atveju taip pat galima aprasyti tik salutinius krvininkus atitinkamose darinio srityse. Taciau siuo atveju nagrinjant fizikinius procesus bazje btina vertinti elektrinio lauko EB ((1.239), (1.469)) priklausomyb nuo salutini krvinink tankio ( p n arba n p ) bazje. Si priklausomyb gali bti uzrasoma atitinkama aproksimacija, pvz.- EB ( n p ( k, i ) ) EB o·[1 ( n p ( k, i ) /p p o ) ], kur: EB

o

- pradin EB modulio vert (1.469), kai n

p

n

p o;

- parenkamas koeficientas. Cia

elektron tankis n p ( k, i ) p- bazje kinta intervale: n p o n p ( k, i ) p p o. Kitas bdas sumazinti skaiciavimo masinos operatyvins atminties apimt, reikalingos skaitmeniniam sprendimui tinklelio metodu, yra kintamo dydzio koordinats ( x, y, z ) ir laiko t ,,zingsni" taikymas, juos parenkant skaiciavimo metu. Tuo tikslu, pvz. vienmats tolydumo lygties (1.465) antros eils dalin isvestin 2 n p ( x ) / x 2 yra pakeiciama baigtini koordinats F/ ( x, y, z ) skirtum lygtimi, pvz. tokiu pavidalu: 2 n p ( x )/ x 2 2·( n p ( k + 1, i ) n p ( k, i ) ) / x ( k + 1) ( n p ( k, i ) n p ( k 1, i ) )/ x k /( x k + x ( k + 1) ), (1.476)

kur: x k ir x ( k + 1) - koordinats x "zingsniai" kair ir desin, atitinkamai, nuo tasko "k " (1.138 pav.). Is (1.476) matyti, jog "zingsnis" x skaiciavimo metu gali bti kintamas, t. y. parenkamas priklausomai nuo tankio n p ( x ) kitimo spartos, kuri nusakome grad n p ( x ). Si priklausomyb galima uzrasyti tokio pavidalo proporcija: x k 1/grad n p ( x )| x k. stat 235

israisk (1.476) sistemos (1.465) pirmj lygt, gauname tinklelio metodu aprasanci salutini krvinink ( elektron ) tankio n p ( k, i ) priklausomyb nuo koordinats { x, y, z } ir laiko t atitinkamoje tranzistoriaus srityje, pvz. p- bazje, baigtini skirtum lygt: n p k / t ( n p ( k, i ) n p o ( k, i ) )/ n k + n k·EB k·( n p ( k + 1, i ) n p ( k, i ) )/ x k + + 2·Dn k·( n p ( k + 1, i ) n p ( k, i ) )/ x ( k + 1) ( n p ( k, i ) n p ( k 1, i ) )/ x k /( x k + x ( k + 1) ), kur priimta: EB ( x ) const (1.469). Gauta israiska (1.477) yra pertvarkoma taip, kad bt parodyta akivaizdi ssaja su fizikiniais procesais nagrinjamoje puslaidininkinio taiso srityje, pvz. dvipolio tranzistoriaus bazje. Tuo tikslu difuzins srovs I n dif x bei dreifins srovs I n drf x sandai yra uzrasomi taip: I n dif x q·SB x ·Dn x·[ ( n p ( x, t )) / x ], I n drf x q·SB x · n x·EB ( x )·n p ( x ), (1.478) (1.477)

kur: SB x - nagrinjamos bazs srities skerspjvio, statmeno x-asiai, plotas taske x. 3. Linvilo metodas ( Linvilo modelis ) - sio modelio esm sudaro tai, jog tinklelio metodu israiskos (1.478) yra uzrasomos skirtuminiu pavidalu: I n dif k (q·SB k ·Dn k / x k )·( n p ( k 1, i ) n p ( k, i ) ) Hn dif k·( n p (k 1, i) n p (k, i) ), I n drf k Hn drf k·n p ( k, i ), kur: Hn dif k q·SB k ·Dn k / x k - diskretinis "difuzijos elementas", aprasantis is kairs puss tekancios task "k" difuzins srovs I n dif x sand; Hn drf k q·SB k · n k·EB ( k, i ) / x k diskretinis "dreifo elementas", aprasantis tekancios per task "k" dreifins srovs I n drf x sand. Is lygci (1.479) uzrasymo pavidalo seka, jog formaliai vesti "elementai" gali bti taikomi formali elektronini grandini sudarymui, kurios, savo ruoztu, yra sprendziamos taikant Kirchhofo taisykles arba is j sekanciais kontrini srovi arba mazgini tamp metodais. Sis pakeitimo bdas yra vadinamas Linvilo metodu ( Linvilo modelis ). Be jau aprasyt diskretini "element", galima vesti "generacijos element"- Hn g k, "rekombinacijos element"- Hn

r k

(1.479)

[q·S

B k

/( 2·

n k

)]·( x

( k + 1)

+ x k ) ir "kaupimo

element"- Hn Q k (q·S B k /2 )·( x ( k + 1) + x k ), kuri israiskos yra gautos padauginus lygties (1.477) abejas puses is q·S B k . Cia reikia pastebti, jog "generacijos elementas" Hn g k gali bti isreikstas analogiskai "rekombinacijos elementui" Hn r k, o formalioje elektroninje grandinje jo srov turi istekti is nagrinjamo tasko "k". Visi sie "elementai" yra vadinami Linvilo elementais ir lygtis (1.477), taikant Linvilo elementus, gali bti uzrasyta taip: 236

Hn Q k·( n p k / t ) Hn r k·n p ( k, i ) + Hn r k·n p o ( k, i ) + + I n drf ( k + 1, i ) I n drf ( k, i ) + I n dif ( k + 1, i ) I n dif ( k, i ) 0,

(1.480)

kur visi lygties nariai turi srovs dimensij ir si lygtis isreiskia pirmj Kirchhofo taisykl mazginiam taskui "k". Linvilo element scheminiai pazymjimai yra parodyti 1.139 pav., o 1.140 pav. yra parodyta lygci (1.479) ir (1.480) atitikmuo formalija ekvivalentine grandine. Hn r k n (k) n (k) a b c n (k) d n (k) e Hn Q k Hn g k

Hn dif k n (k 1) n (k)

Hn drf k n (k 1)

1.139 pav. Linvilo element scheminiai pazymjimai: a- "difuzijos elementas", b- "dreifo elementas", c- "rekombinacijos elementas", d- "kaupimo elementas", e- "generacijos elementas"

Hn r k Hn dif k n (k 1) I n dif k

Hn Q k

Hn g k Hn dif (k+1) n (k + 1)

nk I n drf k

I n dif (k + 1)

I n drf (k + 1) Hn drf (k + 1)

Hn drf k

1.140 pav. Lygci (1.479) ir (1.480) atitikmuo formalija ekvivalentine grandine, sudaryta is Linvilo element Pagrindinis Linvilo modelio privalumas yra tame, jog simboliniai Linvilo elementai vienareiksmiskai atitinka tam tikr fizikin proces nagrinjamoje puslaidininkinio darinio srityje ir tuo paciu yra elektronins grandins taisai. Todl vairi puslaidininkini tais atitinkamose srityse fizikiniai procesai yra aprasomi prastomis elektronini grandini teorinio modeliavimo lygtimis, kurios, savo ruoztu, yra sprendziamos atitinkamais standartiniais metodais. Taciau dazniausiai standartiniuose elektronini grandini teorinio sprendimo metoduose kintamieji dydziai yra srov I ir tampa U, kai tuo tarpu Linvilo metode- srov I ir krvinink tankis n p arba p n. Sis Linvilo metodo trukumas yra pasalinamas kintamj n p arba p n pakeitimu tok pavidal: 237

n p, p n n i·exp ( n, p i ) / T , kur:

n, p

=

F n, p /q - atitinkamo Fermi lygmens kvazipotencialas n- arba p- laidumo

i

puslaidininkyje, atitinkamai;

=

F i /q

- Fermi kvazipotencialas savitojo i- laidumo

puslaidininkyje; zenklas "+" yra rasomas skylms, o zenklas ""- elektronams ir is cia galima uzrasyti:

n = i T·ln ( n /n i ),

p = i + T·ln ( p /n i ).

(1.481)

Is israisk (1.462), (1.481) ir is Puasono lygties (1.460) yra gaunama elektrinio lauko E israiska: E ( x ) = ( x ) / x, ir is cia bei tapatybs- T k·T /q, srovs tankio lygtys (1.460) taske "k" galima uzrasyti taip: j n k q· n k· n k·Ek + T·( n / x )| k q· n k·n k·( n / x )| k, (1.482) j p k q· p k· p k·Ek T·( p / x )| k q· p k·p k·( p / x )| k. Kaupimo srov I Q n, p taske "k" galima uzrasyti tokiu pavidalu: I Q n, p k Q n, p k / t, kur: Q n, p k - krvis, kaupiamas tasko "k" aplinkoje Vk. Is cia, panaudoj akivaizdzi israisk krviui Q n k q·n p k· x k·SBk - elektronams p- bazje ( arba skylms, pvz. n- emiteryjeQ p k q·p n k· x k·SE k ), kaupimo srov I Q n, p taske "k" uzrasome taip: I Q n k q· x k·SB k ·( n p / t ) (q·n p k· x k·SB k / T )· ( n k k )/ t , (1.483) kur: k - elektrostatinis potencialas taske "k". Is (1.483) matyti, jog kaupimo srovs I Q n k israiskos pavidalas yra analogiskas per kondensatori C tekancios slinkties srovs israiskai. Todl galima uzrasyti: I Q n k Cn k· ( n k k )/ t , (1.484)

kur: Cn k (q·n i· x k·SB k / T )·exp [( n k k ) / T - netiesin talpa C (U ), priklausanti nuo tampos U tarp kondensatoriaus C isvad ( kontakt ). Analogiskai, is (1.482) elektron srov I n k, pvz. p- bazje, uzrasome tokiu pavidalu: I n k q· n k·SB k ·( n k n ( k + 1) )·( n k n ( k + 1) )/( 2· x k ), is kur seka, jog sios srovs israiska yra analogiska per rezistori R tekancios srovs israiskai ir todl galima uzrasyti: I n k ( n k n ( k + 1) ) /R n k, (1.485) 238

kur: R n k 2· x 2k /[ Dn k·(Cn k + Cn ( k + 1) )]- netiesin varza R (Ci-j ), priklausanti nuo talp Ci ir Cj , prijungt prie netiesinio rezistoriaus isvad ( kontakt ). Krvinink rekombinacijos srov I

n, p r k

tasko "k" aplinkoje galima uzrasyti tokio

pavidalo israiska: I n,p r k Q n, p k / n, p k, kur: Q n, p k - perteklini krvinink krvis. Is cia, pvz. perteklini elektron p- laidumo bazje, rekombinacijos srov I n r k tasko "k" aplinkoje yra uzrasoma tokiu pavidalu: I n r k q· y k·SB k ·( n p ( k, i ) n p o ( k, i ) )/ n k q· y k·SB k · n i·exp ( n k k )/ T n p o ( k, i ) / n k, kur: y

k

(1.486)

- koordinats "zingsnis" y-asies krytimi (1.138 pav.), nes dvipolio tranzistoriaus yra orientuotas

atveju rekombinacin srov bazje teka bazs ominio kontakto kryptimi ( p-n-p tranzistoriuje ) arba jam priesinga kryptimi ( n-p-n tranzistoriuje ). Todl plotas SB statmenai y- asiai. Analogiskai israiskai (1.485), rekombinacin elektron srov I n r k (1.486) taip pat gali bti uzrasyta pavidalu, atitinkanci tekancios per netiesin rezistori Rn r k ( n k, k ) srovs israisk: I n r k ( n k ( k + 1) ) /Rn r k ( n k, k ), kur netiesinio rezistoriaus R n r k ( nk, k ) VACh atitinka israisk (1.486). 4. Paskirstytos RC- grandins modelis- kai naudojant simbolinius netiesinius "elementus" Rn k, Rn r k ir Cn k yra sudaroma formalioji fizikin ekvivalentin grandin. Sios formaliosios ekvivalentins grandins gretimi mazgai turi kvazipontencial

n, p k k

(1.487)

ir

elektrostatin potencial k. Siuo metodu tasko "k" aplinkoje sudaryta ekvivalentin RC- grandin yra parodyta 1.141 pav. Si grandin apraso fizikinius procesus nagrinjamo puslaidininkinio taiso atitinkamoje srityje, pvz. dvipolio n-p-n tranzistoriaus bazje. Taikydami formalij RC- grandin visuose tinklelio metodu suskirstytuose bazs taskuose gauname paskirstytos RC- grandins model. Tolydumo lygtis (1.460) elektronams p- bazje yra uzrasoma taikant pirmj Kirchhofo taisykl kiekvienam mazginiam taskui "k" (1.141 pav.): Cn k·[ ( n k k ) / t ] + I n r k ( n k, k ) ( n k n ( k + 1) ) /Rn k + + ( n ( k 1) n k ) /Rn ( k 1) 0. (1.488)

Rn (k 1) E I n (k 1) IQnk

nk

Rn k K Ink 239

Rnrk

Inrk

1.141 pav. Bazs srities tasko "k" aplinkoje sudaryta formalioji n-p-n tranzistoriaus fizikin ekvivalentin RC- grandin 5. Apytiksliai Soklio lygci sistemos sprendimo bdai- t. y. pagrindini lygci (1.460) apytiksliai sprendimo bdai remiasi vairiais galimais supaprastinimais ir prielaidomis, leidzianciomis daugeliu atveju gauti pakankamai tikslias analizines israiskas. Pvz., zemojo ir vidutiniojo dazni diapazonuose ( iki 3 MHz ) elektronini schem aktyvieji elementaitranzistoriai gali bti laikomi neinertiskais, nes daugeli atvej fizikini proces nusistovjimo trukms tranzistoriuose yra zymiai trumpesns uz pereinamj proces trukmes elektronins schemos grandinse. Siuo atveju srovs tranzistoriaus isvaduose ( kontaktuose ) is karto "seka" tamp kitim atitinkamuose elektronins grandins mazguose, t. y. srovi verts atitinka stacionar krvinink tankio pasiskirstym atitinkamose tranzistoriaus srityse. Todl teoriskai aprasant elektronini schem dinamines savybes uztenka turti tranzistoriaus statines charakteristikas- VACh. Toks elektronini grandini sprendimo metodas yra vadinamas kvazistatiniu artiniu. 5.1. Krvio metodas- tai vienas is apytiksli pagrindini lygci (1.460) sprendimo kvazistatiniu artinio bd, kurio esm sudaro tai, jog atitinkamo sprendimo keliu yra randamas suminis krvis Q nagrinjamoje puslaidininkinio taiso srityje, pvz. bazje- Q B. Skaiciuojant krv Q yra laikoma, kad nagrinjamoje puslaidininkinio taiso srityje krvinink pasiskirstymas tryje V ir laike t yra artimas stacionariam. Viena is pagrindini krvio metodo prielaid yra tai, jog potencialo ir salutini krvinink tankio n p arba p n nestacionarus pasiskirstymas tryje V ir laike t yra uzrasomas, pvz. elektronams n p- laidumo bazje x- koordinats kryptimi, tokiu pavidalu:

p

( x, t ) 0 ( x )·F ( 1( t ), 2 ( t ) ),

(1.489) n p ( x, t ) n p 0 ( x )·F n ( n p 1( t ), n p 2 ( t ) ), kur: 0 ( x ) ir n p 0 ( x )- potencialo ir elektron tankio stacionars pasiskirstymai, atitinkamai; F ( 1( t ), 2 ( t ) ) ir F n ( n p 1( t ), n p 2 ( t ) )- atitinkam krastini slyg funkcijos. 240

Is (1.489) seka, jog krvio metode funkcij ( x, t ) ir n p ( x, t ) priklausomybs nuo laiko t yra apsprstos tik krastini slyg kitimo laike t. Pvz., n-p-n difuzinio tranzistoriaus bazje elektron tankio n

p

( x, t ) stacionar pasiskirstym nuo x galima isreiksti tiesine

priklausomybe: n p 0 ( x ) n p 0 e·[ 1 ( x /WB )] ir n p ( x, t ) n p e ( t )·[ 1 ( x /WB )], kur: n p 0 e ir n p e ( t )- elektron tankio stacionari reiksm ir priklausomyb nuo laiko t, atitinkamai, prie emiterio p-n sandros ribos bazje, o x kinta intervale: 0* x WB (1.137 pav.). Suminis krvis Q, pvz. p- bazje- Q B, yra randamas integruojant elektron tankio n p ( x, t ) pasiskirstym visame bazs tryje V B pagal koordinat x (1.489):

WB 0

Q B q·SB ·

n p ( x )·d x q·SB ·Q B n p 1( t ), n p 2 ( t ) q·SB ·WB·n p e ( t )/2, (1.490)

kur: n p 1( t ) ir n p 2 ( t )- elektron tankis bazje prie emiterio ir kolektoriaus p-n sandr, atitinkamai, o tai ir yra krastins slygos nagrinjamoje puslaidininkinio taiso srityje, pvz. n-p-n tranzistoriaus bazje. Diferencijuojant funkcij Q B ( n p 1 ( t ), n p 2 ( t ) ) pagal laik t galima rasti tekancias per puslaidininkinio taiso isvadus ( ominius kontaktus ) sroves: I 1 ( Q B / n p 1 )·( n p 1/ t ), I 2 ( Q B / n p 2 )·( n p 2 / t ). (1.491)

Kita pagrindini krvio metodo prielaid yra tai, jog tekancios arba istekancios is nagrinjamos puslaidininkinio taiso atitinkamos srities srovs I k yra tiesiog proporcingos toje srityje sukauptam krviui Q k. Pvz., dvipolio tranzistoriaus atveju emiterio i E, kolektoriaus i K ir bazs i B srovs aktyvioje veikoje ( tranzistoriaus veikos taskas yra tarp soties ir atkirtos srici (1.58 pav.)) krvio metode yra uzrasomos taip: i E ( t ) |Q B ( t )|/ E, i K ( t ) |Q B ( t )|/ K, i B ( t ) |Q B ( t )|/ B, (1.492) kur: E, K ir B - emiterio, kolektoriaus ir bazs srovi, atitinkamai, trukms konstantos. Is jau anksciau zinomos srovi balanso slygos tranzistoriuje (1.108)- i E i K + i B ir is (1.492) seka: 1/ E 1/ K + 1/ B. (1.493)

Nesunku pastebti, jog padaugin abejas pirmosios lygties (1.465) puses is q ir atlik integravim visame, pvz. bazs tryje V B, kai g n x 0, gauname tokio pavidalo israisk: ( Q B / t ) Q B / n B + i E i K Q B / n B + i B, is kur, esant pastoviai srovei ( stacionarus atvejis ), seka- Q B / t 0 ir is cia randame: 241

i B |Q B |/ n B, ir is cia bei (1.492) gauname, jog: B n B ef B. Pasinaudojus srysiu (1.150) ir srovi balanso slyga (1.108), is (1.492) galima uzrasyti: i E ·i B + i B ( 1 + )·|Q B( t )|/ B |Q B( t )|/ E, is kur seka: E B /( 1 + ) ef B /( 1 + ). Analogiskai, is srysio (1.126) ir (1.492) randame: i K / i K + i B |Q B ( t )|/ K + |Q B ( t )|/ B |Q B ( t )|/( · K ), is kur seka: K B·( 1 )/ ef B /. 5.2. Nykstamai maz trikdzi metodas - tai kitas pagrindini lygci (1.460) apytikslio sprendimo kvazistatinio artinio bdas, kurio esm sudaro tai, jog netiesins diferencialins lygties dalins laiko F / t ir koordinats F / ( x, y, z ) isvestins yra uzrasomos stacionaraus sprendinio F o ( x ), kurio priklausomyb nuo laiko Fo ( t )| x apsprendzia krastins slygos- F1( t ) ir F2 ( t ), ir papildomo dinaminio nario F ( x, t ) aritmetine suma: F/ t F ( F, F , F ), F ( x1 ) F1, F ( x2 ) F2, F ( x, t ) Fo ( x ) + F ( x, t ), (1.494) kur: F F/ x - pirmoji isvestin, F 2F/ x 2 - antroji isvestin. Viena is pagrindini nykstamai maz trikdzi metodo prielaid yra si nelygyb: F / t Fo / t. (1.495)

' '' ' ''

Sios prielaidos fizikin esm yra ta, jog lygties (1.494) nestacionarus sprendinys yra artimas stacionariam sprendiniui Fo ( x ), kuris, savo ruoztu, priklauso tik nuo isorini nagrinjamos puslaidininkinio taiso srities krastini slyg- F1 ( t ) ir F2 ( t ). Is cia seka, kad ieskomas netiesins diferencialins lygties apytikslis sprendinys F ( x, t ) turi isreikstin pavidal: F ( x, t ) F ( x, F1 ( t ), F2 ( t ) ). Dalini isvestini metodu lygt (1.494), panaudojus nelygyb (1.495), galima uzrasyti taip: F / t Fo / t ( Fo /F1 )·( F1/ t ) + ( Fo /F2 )·( F2 / t ). (1.496) Pradin lygt (1.494) atzvilgiu funkcijos F ( x, t ), pritaik gaut israisk (1.496), uzrasome tokiu pavidalu: 242

( Fo /F1 )·F 1 + ( Fo /F2 )·F 2 F (( Fo + F ), ( F o + F ), ( F kur: F

'

1

'

'

'

'

''

o

+ F )), (1.497)

''

F1 / t, F

'

2

F2 / t, o nagrinjamos atitinkamos puslaidininkins srities ribose

funkcija F yra lygi nuliui- F ( x1, t ) 0, F ( x 2, t ) 0. Issprend lygt (1.496), randame funkcijos F priklausomyb- F ( x, F1( t ), F2 ( t ) ) ir is cia- tekancias per nagrinjamos atitinkamos puslaidininkins srities ribas sroves I 1 ir I 2 bei j priklausomybes nuo tamp U1 ir U2 bei j isvestini U 1 U1 / t ir U 2 U2 / t ir is cia srovs I 1 ir I 2 yra isreiskiamos tokio pavidalo israiskomis: I 1 F1 ( U1, U2, U 1, U 2, x 1 ), I 2 F2 ( U1, U2, U 1, U 2, x 2 ). (1.498) simintini p-n sandros ( diodo ) ir dvipolio tranzistoriaus teorini skaiciavim rezultatai yra pateikti toliau p-n sandros ( diodo ) bei dvipolio tranzistoriaus bazs srities atvejais. 1.142 pav. vertikalioje pozicijoje A, esant termodinaminei pusiausvyrai, yra parodytos staigiosios p-n sandros legiruojanci priemais suminio tankio N Nd | Na | pasiskirstymo priklausomyb nuo x (a), elektrinio lauko stiprio E priklausomyb nuo x ( b), elektrostatinio potencialo priklausomyb nuo atstumo x (c) ir staigiosios p-n sandros energetin diagrama (d), o 1.142 pav. vertikalioje pozicijoje B- atitinkamai tolydins p-n sandros atveju. Kontaktinis p-n sandros potencialas k, kuris sukuria barjer ir neleidzia perteklini elektron ( Nd n n ) bei skyli (| Na | p p ) difuzijos is n- p- sritys ir atvirksciai, yra randamas taip:

' ' ' ' ' '

k g /q ( n + p ) T·ln ( Nc·Nv /n i2 ) T·ln ( Nc /n n o ) + T·ln ( Nv /p p o )

k T·ln ( n n o p p o /n i2 ) T·ln (| Na | Nd /n i2 ). (1.499)

Esant termodinaminei pusiausvyrai galioja srysis: n n o·p p o n p o·p n o n i2 ir todl is (1.499) galima uzrasyti:

k T·ln ( n n o /n p o ) T·ln ( p p o /p n o ).

Is (1.500) seka: n p o n n o·exp ( k / T ), Nd | Na | a) xp 0 xn x a) p n o p p o·exp ( k / T ). Nd | Na | xp 0 xn

(1.500)

(1.501)

x 243

E

0

E

0

1.142 pav. Esant termodinaminei pusiausvyrai teoriskai paskaiciuotos staigiosios p-n sandros (A) bei tolydins p-n sandros (B) legiruojanci priemais suminio tankio N Nd | Na | pasiskirstymo priklausomyb nuo x (a), elektrinio lauko stiprio E priklausomyb nuo x ( b), elektrostatinio potencialo priklausomyb nuo atstumo x (c) ir atitinkamos p-n sandros energetin diagrama (d) Nuskurdintoje p-n sandros srityje ( uzbrksniuoti plotai 1.142 pav. A-a ir B-a ) donor Nd ir akceptori Na jonizuot atom krviai yra lygs: Nd·x n Na·x p. (1.502)

Elektrinio lauko E priklausomyb nuo atstumo x simetrins staigiosios p-n sandros atveju (1.142 pav. A-b) yra randama is israisk: E ( x ) q·| Na |·( x x p )/( · o ), kai x p x 0,

E ( x ) E max + q·Nd·x /( · o ) q·Nd·( x x n )/( · o ), kai 0 x x n. Elektrostatinio potencialo priklausomyb nuo atstumo x staigiosios p-n sandros atveju (1.142 pav. A-c) yra randama is israisk:

(1.503)

( x ) q·| Na |·( x + | x p |) 2/( 2· · o ), kai x p x 0,

244

( x ) q·Nd·( 2·x n·x x )/( 2· · o + q·| Na |·x p /( 2· · o ), kai 0 x x n.

2 2

(1.504)

Is (1.504) seka: k | Emax |·( x n + | x p |)/2 | Emax |·dpn /2, kur: Emax q·Nd·x n /( · o ) arba Emax q·Na·x p /( · o ) - elektrinio lauko E stiprio E ( x ) maksimali modulio vert, kai x 0. Todl staigiosios p-n sandros atveju nuskurdintos srities storiui dpn gauname: dpn x n + | x p | 2· · o· k·(| Na | + Nd )/(q·| Na |·Nd )1/2. (1.505)

Is sios israiskos seka svarbi isvada: kai | Na | Nd, tai x n | x p | ir storis dpn x n. Ir atvirksciai, kai Nd | Na |, tai | x p | x n ir storis dpn | x p |, t. y. nuskurdinta p-n sandros sritis randasi puslaidininkio srityje su mazesniu legiruojanci priemais tankiu. Bendriausiu atveju kno elektrin talpa C d Q /d U ir is cia nesimetrins staigiosios p-n sandros atveju barjerin talpa Cpn yra randama is israiskos: Cpn Spn·d [q·| Na, d |·dpn )/d [q·| Na, d |·d pn2 /( 2· · o )] · o·Spn /dpn Spn·{q· · o·| Na, d |/[ 2·( k Unp 2· T )} 1/2, kur: | Na, d | | Na |, kai | Na | Nd ir | Na, d | Nd, kai Nd | Na |. Gautoje israiskoje (1.506) p-n sandros tampos Unp poliaringumas "" yra nusakomas p- srities atzvilgiu, t. y. atitinka tampos zenkl n- srityje- katode ,,K". Elektrinio lauko E priklausomyb nuo atstumo x simetrins tolydins p-n sandros atveju (1.142 pav. B-b) yra randama is israiskos: E ( x ) q·a·( dpn /2 ) 2 x 2 /( 2· · o ), (1.507) (1.506)

kur: a d | Na, d |/d x - legiruojanci priemais tankio Na, d gradientas, o koordinat x kinta ribose: dpn /2 x dpn /2. Elektrinio laiko E ( x ) modulis E ( x ) maksimumo vert | Emax | gyja taske x 0: Emax q·a·d 2pn /( 8· · o ). (1.508)

Elektrostatinio potencialo priklausomyb nuo atstumo x simetrins tolydins p-n sandros atveju (1.142 pav. B-c) yra randama is israiskos:

( x ) | Emax |·(| x p | + x ) q·a·(| x p | 3 + x 3 ) /(6· · o ),

kur: x p x x n.

(1.509)

Is (1.509) seka: simetrins tolydins p-n sandros atveju kontaktinis p-n sandros potencialas k yra: 245

k q·a·d 3pn /( 12· · o ) T·ln [( a·dpn /( 2·n i )] 2,

ir is cia: dpn [ 12· · o· k /(q·a )] 1/3.

(1.510)

(1.511)

Simetrins tolydins p-n sandros atveju (1.142 pav. B-b) barjerin talpa Cpn yra randama is israiskos: Cpn Spn·d (q·a·d 2pn /8)/d [q·a·d 3pn /( 12· · o )] · o·Spn /dpn Spn·{q·a·( · o ) 2/[12·( k Unp )} 1/3. Kai a const, pvz. a

n

(1.512)

d Nd /d x a

p

d | Na |/d x, tai elektrinio lauko E

priklausomyb nuo atstumo x nesimetrins tolydins p-n sandros atveju yra aprasoma taip: E ( x ) q·a p·( x 2 x p 2 ) /( 2· · o ), kai x p x 0, E (x) q·( a n·x 2 a p· x p 2 ) /( 2· · o ), kai 0 x x n,

(1.513)

is kur seka: Emax q·a p·x 2p /( 2· · o ), kai x 0. Kita is cia sekanti isvada yra ta, jog galioja srysis: a n·x 2n a p·x 2p 0, arba a n /a p x 2p /x 2n, kas is esms reiskia t fakt, jog jonizuot donor ir akceptori suminiai krviai Q d ir Q a, atitinkamai, nuskurdintose p-n sandros atitinkamose srityse yra lygs- | Q a | Q d. Elektrostatinio potencialo priklausomyb nuo atstumo x nesimetrins tolydins p-n sandros atveju yra randama is israisk:

( x ) q·a p·( 2·| x p | 3/3 + | x p | 2·x ) x 3/3) /( 2· · o ), kai x p x 0, ( x ) q·( a p·| x p | 2·x a n·x 3/3)/( 2· · o + q·a p·| x p | 3/( 3· · o ), kai 0 x x n,

is kur seka nesimetrins tolydins p-n sandros kontaktinis potencialas k :

(1.514)

k q·a p·x 2p·dpn /( 3· · o ) q·a p·d 3pn /( 3· · o ),

kur apytiksl lygyb, kai a p a n, ir is cia: dpn [ 3· · o· k /(q·a p )] 1/3.

(1.515)

(1.516)

246

Nesimetrins tolydins p-n sandros atveju barjerin talpa Cpn yra randama is israiskos: Cpn Spn·d (q·a p·d 2pn /2) /d [q·a p·d 3pn /( 3· · o)] · o·Spn /dpn Spn·{q·a p·( · o ) 2/[ 3 ( k Unp )} 1/3. Srovs stipris I per p-n sandr yra isreiskiamas taip: I I p + I n I s·{exp [( Upn /( m T )] 1}, I s q·( Dp·p n o /L p + Dn·n p o /L n )·Spn, kur: m 1 2, o zenklas "" atitinka tampos zenkl p- srityje, t. y. anode ,,A". 1.143 pav. yra parodytos salutini krvinink tankio n p arba p n (a) ir srovs I tankio J sand J n ir J p ( b) priklausomybs nuo koordinats x, kai p-n sandra yra jungta tiesiogine (A) ir atgaline (B) kryptimis, atitinkamai. 1.144 pav. yra parodytos is (1.518) paskaiciuotos p-n sandros VACh, kurios yra pateiktos tiesiniame (a) ir pusiau logaritminiame ( b) masteliuose, atitinkamai. (1.517)

(1.518)

n p, p n

ppn np

n-

n p, p n

p-

n-

a) npo 0

pno

a) npo pn np 0 xp xn

pno

xp

xn

x

x

Jp , Jn J b)

pJp

n-

Jp , Jn

p-

n-

b)

Js

Jp Jn 0 xp B xn x

Jn 0 xp xn A x

1.143 pav. Salutini krvinink tankio n p arba p n (a) ir srovs I tankio J sand Jn ir Jp ( b) priklausomybs nuo koordinats x, kai p-n sandra yra jungta tiesiogine (A) ir atgaline ( B) kryptimis, atitinkamai 247

I /Is 4 2 1 4 2 1 a 0 2 4 Upn / T

| I /Is | 10 5 10

3

Upn 0

10 1 10

1

Upn 0 0 2 4 6 8 |Upn |/ T

b

1.144 pav. Is (1.518) paskaiciuotos p-n sandros VACh, kurios yra pateiktos normuotuose tiesiniame (a) ir pusiau logaritminiame ( b) masteliuose 1.145 pav. yra parodytos elektron tankio n

p

stacionaraus pasiskirstymo

priklausomybs nuo x dvipolio n-p-n difuzinio tranzistoriaus bazje ( 0 x WB ), esant vairioms tampoms emiterio ir kolektoriaus p-n sandrose ir priimant, jog emiterio efektyvumo koeficientas E 1 (1.196). np UEB2 UEB1 0 UEB 0 npo 0 a UKB 0 WB x npo 0 WB2 WB b x npo 0 c np UEB 0 np

UKB2 UKB1 0

UEB 0 UEB 0 UKB 0 WB x

np UEB 0 IK 0 npo 0 d

IK 0

np UKB3 UKB2 UKB2 UKB1 npo 0 e UEB 0 UKB 0 WB x

np UEB 0 UEB 0 I Kso I DKs 0 f

I Kes UKB 0 x

I K 0 UKB1 0 WB x

npo

WB

1.145 pav. Elektron tankio n p stacionaraus pasiskirstymo priklausomybs nuo x dvipolio n-p-n difuzinio tranzistoriaus bazje (0 x WB ), esant vairioms tampoms emiterio UEB ir kolektoriaus UKB p-n sandrose ir priimant, jog emiterio efektyvumo koeficientas E 1 (1.196) 248

Is 1.145 pav. pateikt priklausomybi n p ( x ) seka pagrindins ( pamatins ) dvipolio tranzistoriaus veikos princip isvados: 1) salutini krvinink tankis bazje prie emiterio ( x 0 ) ir kolektoriaus ( x WB ) p-n sandr yra tiesiog proporcingas faktoriui- exp ( Upn / T ) (1.466); 2) emiterio ir kolektoriaus srovs I

E

ir I K, atitinkamai, yra tiesiog proporcingos

salutini krvinink tankio bazje gradientui ( n p / x arba p n / x ) prie emiterio ( x 0 ) ir kolektoriaus ( x WB ) p-n sandr, atitinkamai; 3) aktyviosios veikos metu (emiterio p-n sandra yra atidaryta, o kolektoriaus p-n sandra- uzdaryta) bazs srov I B I E I K, o soties ( abejos p-n sandros yra atidarytos ) ir atkirtos ( abejos p-n sandros yra uzdarytos ) atvejais bazs srov yra isreiskiama taip: I B I E + I K. Akivaizdu, jog 1.145 pav. pateiktos priklausomybs n p ( x ) leidzia paaiskinti dvipolio tranzistoriaus VACh. Dvipolio tranzistoriaus emiterio ir kolektoriaus srovs I atitinkamai, yra pridt tamp UEB ir UKB funkcijos: I

E E

ir I K,

F1 ( UEB, UKB ) ir atitinkamai

I K F2 ( UEB, UKB ). Bendros bazs (BB) ir bendro emiterio (BE) jungimo schemose n-p-n tranzistoriaus atveju sias funkcijas atitinkancios isjimo VACh yra parodytos 1.146 pav. a ir b, atitinkamai. IK IE 0 IK IB 0

IE 0 0 a UKB max UKB UE 0 b UKE max

IB 0 UKE

1.146 pav. Bendros bazs (BB) ir bendro emiterio (BE) jungimo schemose n-p-n tranzistoriaus atveju funkcijas I E F1 ( UEB, UKB ) ir I K F2 ( UEB, UKB ) atitinkancios isjimo VACh Bendros bazs jungimo schemoje isjimo VACh (1.146 pav. a) pavidalas atitinka tai, jog kolektoriaus srov I

K

I E, nes

o

1 (1.109) ir kolektoriaus srov I

K

praktiskai

nepriklauso nuo tampos UKB. Kita vertus, sioje jungimo schemoje kolektoriaus srov I K I E ir prie UKB 0, nes kolektoriaus p-n sandra ir siuo atveju atlieka salutini krvinink ekstrakcij is bazs, k patvirtina salutini krvinink tankio pasiskirstymo pobdis bazje, parodytas 1.145 pav. c. Kad srov I

K

tapt lygi nuliui btina pradaryti kolektoriaus p-n

sandr, t. y. pridti tamp tiesiogine kryptimi ( Si atveju |UKB | 1 V ). To paskoje salutini 249

krvinink tankis bazje prie kolektoriaus ( x WB ) tampa lygus j tankiui prie emiterio ( x 0 ). Tai iliustruoja salutini krvinink tankio n p ( x ) pasiskirstymo pobdis bazje, parodytas 1.145 pav. d. Kolektoriaus p-n sandros atgalin soties srov I

K s o

( matuojama bendros bazs

schemoje, esant atjungtam emiteriui, t. y., kai I E 0 ) yra daug mazesn uz atgalin diodo soties srov I s (1.28), nes salutini krvinink tankio n

p

gradientas n p / x bazje prie

emiterio ( x 0 ) lygus nuliui ir tai sumazina salutini krvinink tankio n p gradient bazje prie kolektoriaus ( x WB ) (1.145 pav. f ). Dl tos pacios priezasties atgalin soties srov I K s o taip pat mazesn ir uz kolektoriaus p-n sandros atgalin soties srov I DK s (1.113), kuri yra matuojama bendros bazs schemoje, esant trumpajam jungimui emiterio p-n sandroje ( UEB 0 ). Bendro emiterio jungimo schemoje isjimo VACh (1.146 pav. b) pobdis atitinka tai, jog kolektoriaus srov I K I B, nes o 1 (1.107) ir siuo atveju kolektoriaus srov I K gana stipriai priklauso nuo tampos UKE. Kita vertus, kai UKE 0, kolektoriaus srov I K 0, nes kolektoriaus p-n sandra atsidaro ir siuo atveju isnyksta salutini krvinink ekstrakcija is bazs kolektori, k patvirtina salutini krvinink tankio n p ( x ) pasiskirstymo pobdis bazje, kuris yra parodytas 1.145 pav. c ir d. Kolektoriaus p-n sandros atgalin soties srov I

K e s

(1.143) ( matuojama bendro

emiterio schemoje, esant atjungtai bazei, t. y., kai I B 0 ) yra daug didesn uz atgalin diodo soties srov I s ((1.28), (1.75)), o tuo paciu ir uz sroves I K s o be I DK s (1.145 pav. f ). Tai matyti is 1.147 pav. parodyt dvipolio tranzistoriaus isjimo VACh kreivi I E 0 ir I B 0 eigos pobdzio iki pramusimo tamp UKB max ir UKE max bendros bazs bei bendro emiterio jungimo schemose, atitinkamai. Bendro emiterio jungimo schemoje isjimo VACh (1.146 pav. b) pobdzio stipri priklausomyb nuo tampos UKE yra apsprsta bazs srovs I

B

stiprinimo koeficiento

o

priklausomybe nuo UKE. Si priklausomyb paaiskinama tuo, jog didjant tampai |UKE |, tuo paciu didja tampa |UKB | kolektoriaus p-n sandroje, ko paskoje didja sios p-n sandros nuskurdintos srities storis d pn K (1.69 pav. b, o taip pat zirk (1.41)). Todl tuo paciu mazja bazs storis WB (1.145 pav. b) ir to paskoje didja B (1.209), o (1.214) bei o (1.110). Sis reiskinys yra vadinamas Erlio efektu ir jis charakterizuojamas Erlio tampa UE (1.146 pav. b). Kai dvipolio tranzistoriaus bazs storis WB yra daug didesnis uz kolektoriaus p-n sandros nuskurdintos srities storio dpn K (1.137 pav.) sando dal dpn K (B) bazje, Erlio tampa UE yra paskaiciuojama taip: UE q·NB·WB2 /( · o ). (1.519) 250

E

n

p B

n

K

E

n

p B

n

K

IK

UKE +

UKB +

IKes IKso 0 |UKE max | I DK s |UKB max | |UKB, KE |

1.147 pav. Dvipolio tranzistoriaus isjimo VACh kreivi I E 0 ir I B 0 eigos pobdziai iki pramusimo tamp UKB max ir UKE max bendros bazs (BB) bei bendro emiterio (BE) jungimo schemose, atitinkamai Srysis tarp tamp UKB max ir UKE max yra nusakomas israiska (1.213). 1.148 pav. a yra parodytos stacionaraus salutini krvinink tankio ( pvz. elektron n p p- bazje ) pasiskirstymo priklausomybs nuo x dvipolio n-p-n tranzistoriaus bazje, esant vairioms elektrinio lauko EB bazje faktoriaus b I E const.

E

(1.469) vertms ir palaikant slyg:

np bE = 0 bE > 0 npo 0 a UKB 0 WB x

np

t 1 t 2 ... t m t

UEB Uo t 1 t 2 ... t m t npo

np

IE Io npo 0

WB b

x

0 c

WB

x

1.148 pav. Stacionaraus salutini krvinink tankio ( pvz. elektron n p p- bazje) pasiskirstymo priklausomybs nuo x dvipolio n-p-n tranzistoriaus bazje, esant vairioms elektrinio lauko EB bazje faktoriaus b E (1.469) vertms ir palaikant slyg: I E const Is 1.148 pav. a pateikt priklausomybi n p ( x ) matyti, jog didjant elektrinio lauko EB bazje faktoriui b E, salutini krvinink tankis n p bazje mazja. Tai paaiskinama tuo, jog pastovus emiterio srovs stipris I dreifinio greicio v

n, p E

const yra palaikomas didjancio salutini krvinink

bazje, kurio vert didja dl atsirandancio vis stipresnio elektrinio 251

lauko EB bazje (1.469). Is cia seka, jog dreifinio tranzistoriaus atveju ( b E > 0 ) tokio pat stiprio emiterio srov I E yra uztikrinama mazesne tampos UEB verte, palyginus su difuzinio tranzistoriaus atveju ( b E = 0 ). Kita vertus, 1.148 pav. a parodytos kreivs n p ( x ) iliustruoja stacionaraus salutini krvinink tankio n

p

pasiskirstymo priklausomybs nuo x kitim

E

dreifinio tranzistoriaus bazje, priklausomai nuo emiterio srovs I

stiprio. Matome, jog

didjant srovei I E, dreifinio tranzistoriaus bazje stacionaraus salutini krvinink tankio n p pasiskirstymo priklausomyb nuo x artja prie pasiskirstymo, kuris yra bdingas difuziniam tranzistoriui (1.145 pav. a, b). Tai reiskia, kad prie dideli srovi I

E

( arba I

K

) dreifinio

tranzistoriaus savybs tampa tapacios difuzinio tranzistoriaus savybms (1.116 pav.). 1.148 pav. b yra parodytos salutini krvinink tankio n

p

pasiskirstymo

priklausomybs nuo x difuzinio n-p-n tranzistoriaus bazje vairiais laiko t momentais, kai emiter yra paduodamas vienetinis emiterio srovs I E ( t ) suolis: i E I o·1( t ) ir analogiskai, 1.148 pav. c- kai yra paduodamas vienetinis emiterio tampos UEB ( t ) suolis: u EB Uo·1( t ). Is 1.148 pav. pateikt grafik n p ( x, t ) matome, kad perjungiant dvipol tranzistori jimo srovs suoliu, tampa jo jime nusistovi per tam tikr laik t. Ir atvirksciai, kai dvipolis tranzistorius yra perjungiamas jimo tampos suoliu, jimo srov pradiniu laiko momentu t 0 yra didziausia ir bgant laikui mazdama nusistovi per t pat laik t. Tai slygoja dvipolio tranzistoriaus impulsini bei daznini savybi priklausomyb nuo jo valdymo bdo, k esame parod anksciau. 3.2. Fizikins ekvivalentins ( lygiaverts) schemos metodas Elektronini skaiciavimo masin programose, skirtose puslaidininkini tais teoriniam modeliavimui bei vairi grandyn su jaus skaiciavimui, yra placiai taikomas puslaidininkini tais modeliavimas fizikins ekvivalentins (lygiaverts) schemos metodu. Jo esm sudaro tai, jog puslaidininkinis taisas yra pakeiciamas elektronine grandine, kuri yra sudaryta is prast radiotechnini element, kurie manomai tiksliai atspindi fizikinius procesus vairiuose puslaidininkinio taiso srityse. Is cia seka, kad puslaidininkinio taiso ir j aprasancios fizikins ekvivalentins schemos elektrins charakteristikos ir parametrai turi sutapti kuo didesniu tikslumu. Priklausomai nuo modeliuojam elektrini parametr bei charakteristik, fizikins ekvivalentins schemos yra taikomos mazo arba didelio jimo signalo atvejams. Mazo jimo signalo slygos atvejis atitinka tiesini grandini savyb- t. y., kai puslaidininkinio taiso elektriniai parametrai ir charakteristikos nepriklauso nuo srovi ir tamp jo isvaduose. 252

Didelio jimo signalo slygos atvejis atitinka netiesini grandini savyb- t. y., kai puslaidininkinio taiso elektriniai parametrai ir charakteristikos priklauso nuo srovi ir tamp jo isvaduose. 3.2.1. Keturpoli metodas ( tiesiniai keturpoliai )- tai teorinio modeliavimo bdas, kai elektronini grandini teoriniuose skaiciavimuose puslaidininkiniai taisai bei schemos su jais gali bti pakeiciami keturpoliais, kurie, priklausomai nuo aprasomo puslaidininkinio taiso, gali bti tiesiniai arba netiesiniai, pasyvs arba aktyvs. Keturpolis elektroninse grandinse yra vaizduojamas taip, kaip yra parodyta 1.149 pav. Keturpoli teorija nagrinja bendras elektrini schem savybes isorini isvad ( kontakt ) atzvilgiu, nepriklausomai nuo keturpoliu atvaizduotos konkrecios elektronins schemos ar puslaidininkinio taiso vidaus struktros. Elektrinio parametro indekso skaitmuo I1 U1 I2 U2

1.149 pav. Keturpolio zymjimas elektroninse grandinse ( cia kaip ir anksciau elektrini signal parametr pajuodintas sriftas atitinka j laikini diagram harmonin pavidal ) "1" zymi jo vert jime, o skaitmuo "2"- isjime. Bet kuriuos du is keturi elektrini parametr laikome nepriklausomais kintamaisiais, o likusius dufunkcijomis, priklausanciomis nuo pasirinkt kintamj dydzi. Akivaizdu, kad is keturi elektrini parametr: I 1, I 2, U1 ir U2 galime sudaryti sesias keturpol aprasancias lygci sistemas: U1 = F1( I 1, I 2 ), U2 = F 1( I 1, I 2 ), I 1 = F2 (U1, U2 ), I 2 = F *2 (U1, U2 ), U1 = F3 ( I 1, U2 ), I 2 = F *3 ( I 1, U2 ), U2 = F4 (U1, I 2 ), I 1 = F 4 (U1, I 2 ), U1 = F5 (U2, I 2 ), I 1 = F 5 (U2, I 2 ), 253

* * *

Z- parametr sistema

(1.520)

Y- parametr sistema

(1.521)

H- parametr sistema

(1.522)

G- parametr sistema

(1.523)

A- parametr sistema

(1.524)

U2 = F6 (U1, I 1 ), I 2 = F 6 (U1, I 1 ).

*

B- parametr sistema

(1.525)

Dazniausiai yra naudojamos sios tiesin keturpol aprasancios parametr sistemos: 1) tuscios eigos parametr sistema ( Z- parametrai ), kuri yra nusakoma, esant tusciajai eigai kintamajam signalui jime arba isjime. Cia tuscioji eiga reiskia, jog atitinkama keturpolio grandin- jimo arba isjimo yra nutraukta. Siuo atveju pasinaudosime lygci sistema (1.520), kuri uzrasysime tokiu pavidalu: U1 = Z11·I 1 + Z12·I 2, U2 = Z21·I 1 + Z22·I 2, kur: Z11, Z12, Z21 ir Z22 - charakteringosios keturpolio varzos, kurios bendru atveju yra kompleksiniai dydziai. Is Z- parametr apibrzties ( tuscioji eiga ) seka: Z11 = U1/I 1| I 2 = 0, keturpolio jimo varza, esant tusciajai eigai jo isjime ( I 2 = 0 ); Z12 = U1/I 2 | I 1 = 0, keturpolio grztamojo rysio varza, esant tusciajai eigai jo jime ( I 1 = 0 ); Z21 = U2 /I 1| I 2 = 0, keturpolio tiesioginio perdavimo varza, esant tusciajai eigai jo isjime ( I 2 = 0 ); Z22 = U2 /I 2 | I 1 = 0, keturpolio isjimo varza, esant tusciajai eigai jo jime ( I 1 = 0 ). 2) uztrumpintos eigos ( trumpojo jungimo ) parametr sistema ( Y- parametrai ), kuri yra nusakoma, esant uztrumpintai eigai kintamajam signalui jime arba isjime. Cia uztrumpinta eiga nurodo, jog keturpolio jimo arba isjimo isvadai yra sujungti tarpusavyje. Siuo atveju pasinaudosime lygci sistema (1.521), kuri uzrasysime tokiu pavidalu: I 1 = Y11·U1 + Y12·U2, I 2 = Y21·U1 + Y22·U2, kur: Y11, Y12, Y21 ir Y22 - charakteringieji keturpolio laidumai, kurie bendru atveju yra kompleksiniai dydziai. 254 (1.530) (1.529) (1.528) (1.527)

(1.526)

(1.531)

Is Y- parametr apibrzties ( uztrumpintoji eiga ) seka: Y11 = I 1 /U1| U2 = 0, keturpolio jimo laidumas, esant trumpajam jungimui jo isjime ( U2 = 0 ); Y12 = I 1 /U2 | U1 = 0, keturpolio grztamojo rysio laidumas, esant trumpajam jungimui jo jime ( U1 = 0 ); Y21 = I 2 /U1| U2 = 0, (1.534) (1.533) (1.532)

keturpolio tiesioginio perdavimo laidumas, esant trumpajam jungimui jo isjime ( U2 = 0 ); Y22 = I 2 /U2 | U1 = 0, keturpolio isjimo laidumas, esant trumpajam jungimui jo jime ( U1 = 0 ). 3) misrioji ( hibridin ) parametr sistema ( H- parametrai ), kuri yra nusakoma, esant tusciajai eigai kintamajam signalui jime arba trumpajam jungimui isjime. Siuo atveju pasinaudosime lygci sistema (1.522), kuri uzrasysime tokiu pavidalu: U1 = H11·I 1 + H12·U2, I 2 = H21·I 1 + H22·U2, kur: H11, H12, H21 ir H22 - misrieji keturpolio parametrai, kurie bendru atveju yra kompleksiniai dydziai. Is H- parametr apibrzties ( tuscioji eiga jime arba trumpasis jungimas isjime ) seka: H11 = U1 /I 1| U2 = 0, keturpolio jimo varza, esant trumpajam jungimui jo isjime ( U2 = 0 ); H12 = U1 /U2 | I 1 = 0, (1.538) (1.537) (1.535)

(1.536)

keturpolio tampos grztamojo rysio koeficientas, esant tusciajai eigai jo jime ( I 1 = 0 ); H21 = I 2 /I 1| U2 = 0, (1.539)

keturpolio srovs perdavimo koeficientas, esant trumpajam jungimui jo isjime ( U2 = 0 ); H22 = I 2 /U2 | I 1 = 0, (1.540) 255

keturpolio isjimo laidumas, esant tusciajai eigai jo jime ( I 1 = 0 ). Akivaizdu, kad bet kurios tiesinio keturpolio lygci sistemos parametrai gali bti perskaiciuojami kitos lygci sistemos parametrus. Pvz., is Z- parametr lygci sistemos (1.526) randame srovi I 1 ir I 2 israiskas per likusius parametrus: I 1 = ( Z22·U1 Z12·U2 )/ Z, I 2 = ( Z21·U1 + Z11·U2 )/ Z, kur: Z = Z11·Z22 Z12·Z21- lygci sistemos (1.526) determinantas. Gaut lygci sistem (1.541) palyginame su (1.531) ir randame Y- bei Z- parametr srysio israiskas: Y11 = Z22 / Z, Y21 = Z21 / Z, Y12 = Z12 / Z, Y22 = Z11 / Z.

(1.541)

(1.542)

Analogiskai randame vis trij: Z-, Y- ir H- parametr sistem tarpusavio srysio israiskas, kurios yra pateiktos 4- oje lentelje, kur atitinkam lygci sistem (1.531) ir (1.536) determinantai Y ir H yra: Y = Y11·Y22 Y12·Y21 ir H = H11·H22 H12·H21. 4 lentel Perskaiciuojamieji parametrai Zinomi parametrai, per kuriuos yra isreiskiami perskaiciuojamieji parametrai ( indeksai "i " ir "j " atitinka arba "1" arba "2" ) || Zi j || || Zi j || Z11 Z21 ||Yi j || Z22 / Z Z21 / Z || Hi j || Z/Z22 Z21 /Z22 Z12 Z22 Z12 / Z Z11 / Z Z12 /Z22 1/Z22 Y22 /Y Y21 /Y Y11 Y21 1/Y11 Y21 /Y11 ||Yi j || Y12/Y Y11 /Y Y12 Y22 Y12 /Y11 Y/Y11 || Hi j || H/H22 H21 /H22 1/H11 H21 /H11 H11 H21 H12 /H22 1/H22 H12 /H11 H/H11 H12 H22

Galios sklaidos parametr sistema ( Sp - parametrai )- taikoma superaukstame ir didesni dazni diapazone ( f 3 GHz ), nes realizuoti Z-, Y- ir H- parametr sistem nusakomas slygas: tuscioji eiga arba trumpasis jungimas, tampa sudtinga arba praktiskai nemanoma. Todl superaukstame ir didesni dazni diapazone yra taikoma galios sklaidos parametr sistema ( Sp - parametrai ), kuri bendru atveju yra nusakoma esant nesuderintai matavimo sistemai, kai jimo ir isjimo signal perdavimo trakt bangins varzos Zo

in

ir

256

Zo is, atitinkamai, nra lygios jimo signalo Us generatoriaus ( saltinio) vidaus varzai Rs ir isjimo signalo apkrovos rezistoriaus varzai Ra, atitinkamai ( Rs Zo

in

ir Ra Zo

is

).

Suderintos matavimo sistemos atveju sios varzos tenkint slygas: Rs Zo in ir Ra Zo is. Nesuderintos matavimo sistemos slygas tenkinanti grandin yra parodyta 1.150 pav., kur yra pateikta apibendrinta keturpolio grandin su skirtingais jimo ir isjimo signal traktais ( pvz., bendraasis ( koaksialinis ) kabelis arba bangolaidis ), kur jimo signalo Us generatoriaus ( saltinio ) vidaus varza yra pavaizduota rezistoriumi Rs; isjimo signalo apkrova- rezistoriumi Ra; signal perdavimo skirting trakt bangins varzos yra pazymtos simboliais: Zo in- jimo trakto ir Zo is- isjimo trakto, atitinkamai; keturpolio jimo ir isjimo varzos- Z11 ir Z22, atitinkamai, bei jimo ir isjimo srovs I atitinkamai. Rs Us Zo in A1 B1 I1 U1 Z11 Zs I2 U2 Z22 Za A2 B2 Zo is Uis Ra

1

ir I

2

bei tampos U1 ir U2,

1.150 pav. Sp- parametr nesuderintos matavimo sistemos slygas tenkinanti grandin Tegul 1.150 pav. parodytos matavimo sistemos jimo trakte Zo in sklinda krentanti A1 ir atsispindjusi B1 jimo signalo Us elektromagnetins bangos, o isjimo trakte Zo is, atitinkamai, sklinda krentanti A2 ir atsispindjusi B2 isjimo signalo Uis bangos. Krentanci ir atsispindjusi bang galios Pa i ir Pb i, atitinkamai, yra isreiskiamos per galios parametrus Ai ir Bi tokiu bdu ( kur indeksas i 1 arba 2 ): | Pa i | | Ai | 2 ~ U 2/R, | P b i | | Bi | 2 ~ U 2/R.

in

(1.543)

Esant suderintai signal perdavimo trakt varzai- Rs Zo pavidalo israiskomis:

ir Ra Zo is, atitinkam

signal galios parametrai Ai ir Bi gali bti isreiksti per keturpolio sroves I i ir tampas Ui tokio

Ai ( Ui + I i ·Zo in, is )/( 2·Z 1/2o in, is ), Bi ( Ui I i ·Zo in, is )/( 2·Z 1/2o in, is ), (1.544) kur indeksas i 1 atitinka varz Zo in, o indeksas i 2 atitinka varz Zo is. Kai signal perdavimo trakt varza Zo israiskos (1.544) yra uzrasomos taip: A1 ( U1 + I 1·Zs )/( 2·|Re Zs |1/2 ), B1 ( U1 I 1·Z s )/( 2·|Re Zs |1/2 ), A2 ( U2 + I 2·Za )/( 2·|Re Za |

1/2 in, is

nra suderinta ( Rs Zo in, Ra Zo

is

),

), B2 ( U2

I 2·Z a )/( 2·|Re Za |1/2 ),

(1.545) 257

kur: Zs ir Za - perskaiciuotos jimo signalo Us generatoriaus ir apkrovos varzos Rs ir Ra, atitinkamai, keturpolio jimo ir isjimo gnybt plokstumas (1.150 pav.), o Z yra priesingi, atitinkamai. Israiskos (1.545) yra parasytos pasinaudojus harmoninio signalo A laiko funkcijos A ( t ) A o·cos ( ·t + ) atvaizdavimu kompleksine forma tokiu zinomu pavidalu: A ( t ) ( A o /2 )·e j· ·t + ( A o /2 )·e j· ·t. Paprastai parametrai Ai yra laikomi nepriklausomais, o parametrai Bi - funkcijomis nuo kintamj Ai. Kai matavimo sistema nra suderinta ( Rs Zo in, Ra Zo is ) priklausomos funkcijos Bi ( A1, 2 ) bendru atveju yra uzrasomos tokiu pavidalu: B1 Sp11·A1 + Sp12·A2, B2 Sp21·A1 + Sp22·A2, kur: Sp11, Sp12, Sp21 ir Sp22 - keturpolio galios sklaidos parametrai ( Sp - parametrai ), kurie bendru atveju yra kompleksiniai dydziai. Akivaizdu, kad keturpolio galios skaidos parametrai Sp (1.546), tuo tikslu priimant slyg- Ai 0: Sp11 B1 /A1 A2 0, Sp21 B2 /A1 A2 0, Sp12 B1/A2 A1 0, Sp22 B2 /A2 A1 0.

i j s

ir Z

a

-

kompleksini dydzi Zs ir Za jungtiniai kompleksiniai dydziai, kuri menamj dali zenklai

(1.546)

yra lengvai randami is

(1.547)

Priimta slyga Ai 0 yra lengvai realizuojama matavim metu suderinant apkrovos varzos Ra ir jimo signalo Us generatoriaus vidaus varzos Rs vertes su signal perdavimo trakt bangine varza Zo is ir Zo in, atitinkamai ( Rs Zo in ir Ra Zo is ). Is israisk (1.547) matyti, jog keturpolio galios sklaidos parametrai Sp11 ir Sp22 savo esme atitinka galios atspindzio koeficientus nuo keturpolio jimo ir isjimo, atitinkami, esant suderintai apkrovai ( Ra Zo is ) arba suderintai jimo signalo Us generatoriaus vidaus varzai ( Rs Zo in ), atitinkamai. Kita vertus, galios sklaidos parametrai Sp12 ir Sp21 savo esme atitinka keturpolio galios perdavimo-stiprinimo koeficient atgaline ( Kp kryptimis, atitinkamai. Akivaizdu, jog nuo keturpolio jimo ir isjimo atsispindjusi signal galios P b i, o tuo paciu ir jas nusakantys galios parametrai Bi (1.543), priklauso nuo keturpolio jimoisjimo varz Z11 ir Z22, atitinkamai, ir signal perdavimo trakt bangini varz Zo in ir Zo is atitinkam santyki, kur atskiru atveju jimo ir isjimo signal trakt varzos Zo in, is gali bti 258

i

) ir tiesiogine ( Kp )

vienodos ( Zo in Zo is Zo ). Taigi, suderintoje matavimo sistemoje tiesinio keturpolio galios sklaidos parametrai Sp i j gali bti isreiksti tokio pavidalo israiskomis: Sp11 ( Z11 Zo in )/( Z11 + Zo in ) A2 0, Sp21 Ki ·I 2 /I 1 A2 0, kur: Ki 2·Zo

in

Sp12 Ki i ·I 1/I 2 A1 0,

(1.548)

Sp22 ( Z22 Zo is )/( Z22 + Zo is ) A1 0,

is

/( Z11 + Zo

in

) ir Ki i 2·Zo

/( Z22 + Zo

is

)- tiesinio keturpolio srovs

perdavimo-stiprinimo koeficientai tiesiogine ir atgaline kryptimis, atitinkamai. tampos sklaidos parametr sistema ( Su - parametrai )- suderintos matavimo sistemos tiesinio keturpolio tampos sklaidos parametrai Su vietoje keturpolio galios sklaidos parametr Sp nesuderintoje matavimo sistemoje. Su - parametrai yra randami uzrasant tokio pavidalo lygci sistem: UB1 Su11·UA1 + Su12·UA2, UB2 Su21·UA1 + Su22·UA2, kur: UA

i i j i j,

kurie yra daznai naudojami

(S

p

- parametr ), aprasanci keturpol

(1.549)

ir UB

i

- krentanci ir atsispindjusi nuo keturpolio jimo ir isjimo

elektromagnetini bang tampos, atitinkamai ( indeksas i 1 arba 2 ). Cia reikia atkreipti dmes tai, jog skirtingai nuo Sp - parametr (1.546), naujai vestoje Su - parametr sistemoje (1.549) nra atspindzio nuo suderint varz Rs Zo

in

ir

Ra Zo is, kur jimo ir isjimo signal trakt varzos Zo in, is gali bti vienodos ( Zo in Zo is ). Todl is cia seka, kad tampa UA2 0, kai UA1 0, ir atvirksciai, kai UA2 0, tampa UA1 0. Paskutinioji slyga yra realizuojama sukeitus vietomis jimo signalo Us generatori su apkrovos rezistoriumi Ra. Is cia seka, jog tiesinio keturpolio tampos skaidos parametrai Su i j lengvai randami is (1.549), priimant slyg UA i 0: Su11 UB1 /UA1UA2 0, Su21 UB2 /UA1UA2 0, Su12 UB1 /UA2 UA1 0, Su22 UB2 /UA2 UA1 0.

(1.550)

Slyga UA i 0, analogiskai slygai Ai 0, yra realizuojama suderinant apkrovos varzos Ra ir jimo signalo Us generatoriaus vidaus varzos Rs vertes su atitinkam signal perdavimo trakt banginmis varzomis Z o is ir Z o in ( Rs Zo in ir Ra Zo is ). Is israisk (1.550) seka, jog keturpolio tampos sklaidos parametrai Su11 ir Su22 savo esme atitinka tampos atspindzio koeficientus nuo keturpolio jimo ir isjimo, atitinkami, esant suderintai apkrovai Ra ( Ra Zo is ) arba suderintai jimo signalo Us generatoriaus vidaus 259

varzai Rs ( Rs Zo in ), atitinkamai. Kita vertus, tampos sklaidos parametrai Su12 ir Su21 savo esme atitinka keturpolio tampos perdavimo-stiprinimo koeficient atgaline ( Ku i ) ir tiesiogine ( Ku ) kryptimis, atitinkamai. Tiesinio keturpolio tampos skaidos parametrai Su i j (1.550) ( Su - parametrai ), kaip ir keturpolio galios sklaidos parametrai Sp

i j

(1.547) ( Sp - parametrai ), taip pat yra

nedimensiniai dydziai, kai tuo tarpu Z-, Y- ir H- parametrai yra dimensiniai dydziai. Kita vertus, Sp - parametrai skiriasi nuo Su - parametr dar ir todl, jog nesuderintoje matavimo sistemoje, dl daugkartini atspindzi nuo nesuderint varz Zi i, Rs ir Ra, jimo ir isjimo traktuose nusistovi kitokio dydzio krentancios Ai ir atsispindjusios Bi bangos. Akivaizdu, kad tiesinio keturpolio atveju Sp - parametrai gali bti isreiksti per Su - parametrus, ir atvirksciai, o taip pat ir per Z-, Y- ir H- parametrus. Esant suderintai matavimo sistemai ( Rs Zo in ir Ra Zo is ) sklindanci signal galios parametrai Ai ir Bi (1.543) yra vienareiksmiskai isreiskiami per atitinkamas krentanci ir atsispindjusi bang tampas UA i ir UB i (1.549) nuo tiesinio keturpolio jimo ir isjimo: Ai UA i /Z 1/2o in, is, Bi UB i /Z 1/2o in, is, (1.551)

kur indeksas i 1 atitinka varz Zo in, o indeksas i 2 atitinka varz Zo is. Akivaizdu, kad esant suderintai matavimo sistemai tiesinio keturpolio atveju gauname tapatyb: Sp i j Su i j, t. y. Sp - parametrai sutampa su Su - parametrais. Kai turime nesuderint matavimo sistem ( Rs Zo

in

ir Ra Zo

is

), Sp - parametrai

nesutampa su Su - parametrais ir j perskaiciavimui is vienos sistemos kit pasitelksime tampos atspindzio koeficiento a nuo apkrovos varzos Ra ir tampos atspindzio koeficiento s nuo jimo signalo Us generatoriaus vidaus varzos Rs israiskas:

a UA2 /UB2 ( Ra Zo is ) /( Ra + Zo is ), s UA1 /UB1 ( Rs Zo in ) /( Rs + Zo in ).

Nusistovjusi srovi I pavidalo israiskomis: I i (UA i + UB i ) /Zo in, is, Ui (UA i + UB i ).

i

(1.552)

ir tamp Ui vertes lygtyse (1.545) galima uzrasyti tokio

(1.553)

Issprend lygci sistem: (1.545) (1.547), (1.549) (1.553), gauname Sp - parametr perskaiciavimo is zinom Su - parametr israiskas:

260

Sp11 [ *s·(Su11

*

s

+ *s·a·Su22 a· Su )]/

/[ s·(1 s·Su11 a·Su22 + s·a· Su )], Sp12 [ *a·Su12·(1 s 2 )]/[ s·(1 s·Su11 a·Su22 + s·a· Su )], Sp21 [ *s·Su21·(1 a 2 )]/[ a·(1 s·Su11 a·Su22 + s·a· Su )], Sp22 [ *a·(Su22

* a

(1.554)

+ s· *a·Su11 s· Su )]/

/[ a·(1 s·Su11 a·Su22 + s·a· Su )], kur: a, s = [(1

* a, s )·(1

|a, s | 2 ) ½]/|1 a, s |, Su = Su11·Su22 Su12·Su21- lygci sistemos

*

(1.549) determinantas. Israiskose (1.554) kompleksiniai dydziai pazymti indeksu " keturpolio parametrai a

*

" yra j jungtiniai

kompleksiniai dydziai. Cia pastebsime, jog suderintoje matavimo sistemoje tiesinio

a

= s

*

s

= 0 ir is (1.554) seka tapatybs: Sp i j Su i j S.

Sp - parametr perskaiciavimui is zinom Z- parametr (1.526) yra sprendziama lygci sistem: (1.526), (1.544)- cia naudojami tik parametrai Ai , (1.551) ir (1.553). Issprend si lygci sistem atzvilgiu ieskom funkcij Bi (A1, 2 ) gauname tokio pavidalo lygci sistem: B1 ( Zo in Z11 )·( Z22 + Zo is ) Z12·Z21 / /( Z11 + Zo in )·( Z22 + Zo is ) + Z12·Z21 ·A1 + + [ 2·Z12·( Zo in·Zo is )1/2 ]/( Z11 + Zo in )·( Z22 + Zo is ) + Z12·Z21 ·A2, B2 [ 2·Z21·( Zo in·Zo is )

1/2

(1.555)

]/( Z11 + Zo in )·( Z22 + Zo is ) + Z12·Z21 ·A1 +

+ ( Zo is Z22 )/( Z22 + Zo is ) ( 2·Zo is·Z12·Z21 )/ /{( Z22 + Zo is )·( Z11 + Zo in )·( Z22 + Zo is ) + Z12·Z21 }}·A2. Palygin gaut sistem (1.555) su Sp - parametr sistema (1.546), uzrasome Sp parametr perskaiciavimo is zinom Z i j parametr israiskas: Sp11 ( Zo in Z11 )·( Z22 + Zo is ) Z12·Z21 / /( Z11 + Zo in )·( Z22 + Zo is ) + Z12·Z21 , Sp12 [ 2·Z12·( Zo in·Zo is )1/2 ]/( Z11 + Zo in )·( Z22 + Zo is ) + Z12·Z21 , Sp21 [ 2·Z21·( Zo in·Zo is )1/2 ]/( Z11 + Zo in )·( Z22 + Zo is ) + Z12·Z21 , Sp22 ( Zo is Z22 )/( Z22 + Zo is ) ( 2·Zo is·Z12·Z21 )/ /{( Z22 + Zo is )·( Z11 + Zo in )·( Z22 + Zo is ) + Z12·Z21 }. 261 (1.556)

i j

Akivaizdu, jog Sp - parametr perskaiciavimo is zinom Y- ir H- parametr atitinkamos israiskos lengvai gaunamos is sistemos (1.556), padarius joje atitinkamus pakeitimus is 4-os lentels. Cia btina pastebti, kad vienas is pagrindini Sp - bei Su - parametr skirtum nuo Z-, Y- ir H- parametr yra tai, jog tiesinio keturpolio skaidos parametrai Sp i j ir Su i j priklauso nuo signal perdavimo trakt bangini varz Zo

in

ir Zo

is

bei atitinkam tiesinio keturpolio

jimo ir isjimo varz Z11 ir Z22 santykio verci. Tai akivaizdziai seka is tiesinio keturpolio sklaidos parametr Sp11, Su11 ir Sp22, Su22 ((1.547), (1.550)), kurie savo esme atitinka galios Pi atspindzio koeficientus nuo keturpolio jimo ir isjimo, atitinkami. Kai Z11 Zo in ir Z22 Zo is- suderintoje matavimo sistemoje parametrai Sp11, 22 Su11, 22 0, o kai turime slygas: Z11 Zo in ir Z22 Zo is, parametrai Sp11, 22 Su11, 22 1, kas seka is (1.548). Tuo tarpu nesuderintoje matavimo sistemoje, esant slygoms: Z11 Zo nesuderint varz Rs ir Ra. Taikant tiesinio keturpolio parametrus puslaidininkini tais, pvz. tranzistori bei vairi elektronini grandyn su jais, elektrinms charakteristikoms aprasyti, btina vertinti jimo ir isjimo grandini savybes. jimo grandinje dazniausiai yra jungtas jimo signalo Uin ( arba Us, arba Ug ) tampos arba srovs Iin ( Is ) saltinis su vidaus varza Zg arba Zs, o isjimo grandinje yra jungta apkrovos kompleksin varza Za (1.151 pav.). Siuo atveju formalios tiesinio keturpolio lygtys yra sprendziamos kartu su jimo ir isjimo grandines aprasanciomis lygtimis.

in

ir Z22 Zo is,

parametrai Sp11, 22 Su11, 22 0, kas seka is (1.556), nes siuo atveju egzistuoja atspindziai nuo

Zg U in

I1 U1 U2

I2 Za Uis

1.151 pav. Tiesinio keturpolio grandin su jimo signalo Uin saltinio vidaus ir apkrovos kompleksinmis varzomis Zg ir Za, atitinkamai Taigi, 1.151 pav. parodytai grandinei galima uzrasyti: Uin I 1·Zg + U1, U2 I 2·Za Uis, (1.557)

kur minuso zenklas tampos U2 israiskoje atitinka 1.151 pav. pasirinkt srovs I 2 krypt. Pasirinkus, pvz. Z- parametr sistem (1.526), lygtys (1.557) yra uzrasomos tokiu pavidalu: 262

Uin ( Z11 + Zg )·I 1 + Z12·I 2, 0 Z21·I 1 + ( Z22 + Za )·I 2,

(1.558)

kur antrosios lygties nulin vert reiskia tai, jog keturpolio isjimo grandinje nra nepriklausom tampos saltini ( antroji Kirchhofo taisykl ). Is gautos lygci sistemos (1.558) nesunkiai randame: 1) jimo srov I in : I in I 1 Uin / Z11 + Zg Z12·Z21 /( Z22 + Za ); 2) isjimo srov I is : I is I 2 Z21 /( Z22 + Za )·I 1; 3) srovs perdavimo koeficient Ki : Ki I 2 /I 1 Z21 /( Z22 + Za ); 4) tampos perdavimo koeficient Ku : Ku U2 /U1 Z21·Za /( Z11 + Zg )·( Z22 + Za ) Z12·Z21 ; 5) jimo varz Zin : Zin U1 /I 1 Z11 Z12·Z21 /( Z22 + Za ); 6) isjimo varz Zis : Zis U2 /I 2 Uin 0 Z22 Z12·Z21 /( Z11 + Zg ), kur matematinio isvedimo metu pasinaudojome tampos U2 israiska is (1.526). Gauti dydziai (1.559) (1.564) analogisku bdu, arba pasitelkus parametr Z sistemas, pvz. Y- {Y i j } arba H- { H i j }. 3.2.2. Puslaidininkinio taiso ekvivalentin ( lygiavert ) schem- kitas teorinio modeliavimo bdas, kai nagrinjant puslaidininkini tais elektrines charakteristikas vietoje formali tiesini keturpoli (1.149 pav., 1.150 pav., 1.151 pav.) yra sudaromos vairios puslaidininkinio taiso ekvivalentins ( lygiaverts) schemos, kuri elektronins grandins elementai yra sudaryti is atitinkam Z-, Y- arba H- sistem parametrais nusakom dydzi. Dazniausiai yra taikomos dviej pavidal ekvivalentins schemos, kurios gali bti pasyvios arba aktyvios. 263

i j

(1.559)

(1.560)

(1.561)

(1.562)

(1.563)

(1.564)

israiskas is 4- os lentels, nesunkiai gali bti uzrasyti per kitas tiesinio keturpolio parametr

1. Pasyviosios ekvivalentins grandins- kuriuose nra naudojami valdomi tampos arba ( ir ) srovs saltiniai. 1.1. T- pavidalo ekvivalentin schema gali bti sudaryta is varzini Zk, laidumo Yk arba is misrij Hk element ( k 1, 2, 3 ). Pvz. is varzini element Zk sudaryta T- pavidalo ekvivalentin schema yra parodyta 1.152 pav., kur Zk bendru atveju yra skirting dydzi ( nesimetrinis tiesinis keturpolis ).

I1 Z1 Z2

I2 U2

U1

I3

Z3

1.152 pav. Is varzini element Zk sudaryta T- pavidalo ekvivalentin schema 1.152 pav. parodytai grandinei pritaik Kirchhofo taisykles ir Z- sistemos parametr Z i j apibrztys (1.527) (1.530), nesunkiai randame parametr Z i j israiskas per varzinius elementus Zk : Z11 = U1/I 1| I 2 = 0 = Z1 + Z3, Z21 = U2 /I 1| I 2 = 0 = Z3, Z12 = U1/I 2 | I 1 = 0 = Z 3, Z22 = U2 /I 2 | I 1 = 0 = Z2 + Z3.

(1.565)

Analogiskai, 1.152 pav. parodytai grandinei pritaik Kirchhofo taisykles ir Y- sistemos parametr Y i j apibrztys (1.532) (1.535) nesunkiai randame parametr Y i j israiskas per varzinius elementus Zk : Y11 = I 1/U1| U2 = 0 = Z1 + Z2·Z3 /( Z2 + Z3 ) 1, Y12 = I 1/U2 | U1 = 0 = Z3 / Z2·( Z1 + Z3 ) + Z1·Z3 , Y21 = I 2 /U1| U2 = 0 = Z3 / Z1·( Z2 + Z3 ) + Z2·Z3 , Y22 = I 2 /U2 | U1 = 0 = Z2 + Z1·Z3 /( Z1 + Z3 ) 1. Tokiu pat bdu 1.152 pav. parodytai grandinei pritaik Kirchhofo taisykles ir pasinaudoj H- sistemos parametr H

i j

(1.566)

apibrztimis (1.537) (1.540), nesunkiai randame

parametr H i j israiskas per varzinius elementus Zk :

264

H11 = U1 /I 1| U2 = 0 = Z1 + Z2·Z3 /( Z2 + Z3 ), H12 = U1 /U2 | I1 = 0 = Z3 /( Z2 + Z3 ), H21 = I 2 /I 1| U2 = 0 = Z3 /( Z2 + Z3 ), H22 = I2 /U2 | I1 = 0 = ( Z2 + Z3 ) 1. Cia reikia pastebti, jog tiesinio keturpolio kit sistem parametrai Y i j (1.566) ir H i j (1.567) taip pat yra lengvai isreiskiami per Zk kitu bdu- panaudojus atitinkamas israiskas is 4- os lentels gautoms Z- sistemos parametr Z i j israiskoms (1.565) per varzinius elementus Zk. 1.2. - pavidalo ekvivalentin schema gali bti sudaryta is varzini Zk, laidumo Yk arba is misrij Hk element ( k 1, 2, 3 ). Pvz. is varzini element Zk sudaryta - pavidalo ekvivalentin schema yra parodyta 1.153 pav., kur Zk bendru atveju yra skirting dydzi ( nesimetrinis keturpolis ). I1 U1

*

(1.567)

I

*

2

I2

*

Z1

Z2

1

I

Z3

I

3

U2

1.153 pav. Is varzini element Zk sudaryta - pavidalo ekvivalentin schema 1.153 pav. parodytai grandinei pritaik Kirchhofo taisykles ir Z- sistemos parametr Z

i j

apibrztis (1.527) (1.530) nesunkiai randame parametr Z

i j

israiskas per varzinius

elementus Zk : Z11 = U1/I 1| I 2 = 0 = Z1·( Z2 + Z3 )/( Z1 + Z2+ Z3 ), Z12 = U1/I 2 | I 1 = 0 = Z1·Z3 /( Z1 + Z2 + Z3 ), Z21 = U2 /I 1| I 2 = 0 = Z1·Z3 /( Z1 + Z2 + Z3 ), Z22 = U2 /I 2 | I 1 = 0 = Z3·( Z1 + Z2 )/( Z1 + Z2+ Z3 ). Analogiskai, 1.153 pav. parodytai - pavidalo ekvivalentinei schemai pritaik Kirchhofo taisykles ir Y- bei H- sistem atitinkam parametr Y i j ir H i j apibrztis (1.532) (1.535) ir (1.537) (1.540), atitinkamai, randame parametr Y varzinius elementus Zk : 265

i j

(1.568)

bei H

i j

israiskas per

Y11 = I 1/U1| U2 = 0 = ( Z1 + Z2 )/( Z1·Z2 ), Y12 = I 1/U2 | U1 = 0 = 1/Z2, Y21 = I 2 /U1| U2 = 0 = 1/Z2, Y22 = I 2 /U2 | U1 = 0 = ( Z2 + Z3 )/( Z2·Z3 ). H11 = U1/I 1| U2 = 0 = Z1·Z2 /( Z1 + Z2 ), H12 = U1/U2 | I 1 = 0 = Z1 /( Z1 + Z2 ), H21 = I 2 /I 1| U2 = 0 = Z1 /( Z1 + Z2 ), H22 = I 2 /U2 | I1 = 0 = ( Z1 + Z2+ Z3 )/[ Z3·( Z1 + Z2 )]. Akivaizdu, jog israiskas (1.569) ir (1.570) galima gauti panaudojus atitinkamas si parametr israiskas per Z- sistemos parametrus is 4- os lentels ir su gautomis israiskomis (1.568) atlikus nesudtingus aritmetinius veiksmus. 2. Aktyviosios ekvivalentins grandins- kuriuose yra naudojami valdomi tampos arba ( ir ) srovs saltiniai. Pvz. tranzistoriai ( vienpoliai, dvipoliai ir kiti ), skirtingai nuo pasyvi radiotechnini element, pasizymi elektrini signal stiprinimo savybmis. Todl juos teoriskai modeliuojancio keturpolio ekvivalentin schema turi bti stipriai nesimetrin, t. y. jimo signalo Uin ( arba I in ) taka isjimo grandinei turi bti zymiai stipresn uz isjimo signalo Uis ( arba I is ) tak jimo grandinei. Sioms ir kitoms aktyvi puslaidininkini tais savybms teoriskai modeliuoti pasyviosios ekvivalentins keturpoli grandins ( pvz. 1.152 pav., 1.153 pav. ir t. t.) yra pakeiciamos aktyvisias ekvivalentines grandines, kuriuose panaudojami valdomi tampos arba ( ir ) srovs saltiniai. Tokios aktyviosios ekvivalentins grandins su dviem valdomais saltiniais yra parodytos 1.154 pav. Sios aktyviosios ekvivalentins grandins apraso bet kok tranzistori tiesinio keturpolio ekvivalentinje grandinje, atitinkancioje Z- (a) (1.526), Y- ( b) (1.531) bei H- (c) (1.536) sistem atitinkamais parametrais nusakomus ekvivalentins grandins element dydzius. Is 1.154 pav. a pateiktos keturpolio ekvivalentins schemos seka, jog ji yra sudaryta islaikant Z- sistemos (1.526) parametrais Z i j nusakomus srysius tarp atitinkam elektrini dydzi Ul ir I l ( l = 1; 2 ). Sioje schemoje jimo tampa U1 yra sudaryta is dviej tamp sumos- tampos jimo varzoje Z11, per kuri teka jimo srov I 1, ir valdomo tampos saltinio isvaduose atsirandancios tampos Z12·I 2, kuri savo ruoztu priklauso nuo isjimo srovs I 2. Analogiskai, isjimo tampa U2 taip pat yra sudaryta is dviej tamp sumos- tampos isjimo varzoje Z22, per kuri teka isjimo srov I 2, ir antrojo valdomo tampos saltinio isvaduose 266

(1.569)

(1.570)

I1 Z11 U1 Z22

I2

I1 Y111 (Y12·U2) Y221

I2

(Z12·I 2) (Z21·I 1) a I1

U2

U1 (Y21·U1)

U2

b I2 H11 (H21·I 1) U1 (H12·U2) c H221 U2

1.154 pav. Aktyviosios ekvivalentines grandines, kuriuose yra panaudoti du valdomi tampos arba ( ir ) srovs saltiniai atsirandancios tampos Z21·I 1, kuri priklauso nuo jimo srovs I 1. Tokiu pat bdu yra sudarytos ir kitos dvi keturpolio ekvivalentins schemos (1.154 pav. b ir c), islaikant Y- ir Hsistem (1.531) ir (1.536), atitinkamai, parametrais Y

i j

ir H

i j,

atitinkamai, nusakomus

srysius tarp atitinkam elektrini parametr Ul ir I l. Siuose atvejuose skirtumas tik tame, jog atvaizduojant keturpolio ekvivalentinje schemoje priklausom srov, vienas is jos sumos sand yra atvaizduojamas atitinkamu valdomu srovs saltiniu. prastai tranzistoriaus tiesioginio stiprinimo savybs yra nepalyginamai stipresns uz signalo perdavimo savybes atgaline kryptimi ( grztamojo rysio savybs ). Todl tranzistoriui yra taikoma tiesinio keturpolio ekvivalentin schema, kuri yra sudaryta tik is vieno valdomo srovs arba tampos saltinio, kuris atvaizduoja tranzistoriaus tiesioginio stiprinimo savybes. Pvz., is tiesinio keturpolio Z- parametr sistemos (1.526) ir j realizuojancios ekvivalentins schemos 1.154 pav. a seka, jog grztamojo rysio tak galima atmesti, kai Z21 Z12 0, t. y. esant slygai: Z21 Z12. Siuo atveju vedame parametr- Zm Z21 Z12 ir lygci sistem (1.526) uzrasome taip: U1 = Z11·I 1 + Z12·I 2, U2 = ( Zm + Z12 )·I 1 + Z22·I 2, 267

kuri pertvarkome tokiu pavidalu: U1 = ( Z11 Z12 )·I 1 + Z12·( I 1 + I 2 ), U2 = Zm·I 1 + ( Z22 Z12 )·I 2 + Z12·( I 1 + I 2 ). Gauta lygci sistema (1.571) gali bti atvaizduota T- pavidalo tiesinio keturpolio ekvivalentin schema, kuri yra sudaryta tik is vieno valdomo tampos saltinio. Tokia ekvivalentin schema yra parodyta 1.155 pav., kur pazymta: Z1 = Z11 Z12; Z2 = Z22 Z12; Z3 = Z12; Um = ( Z21 Z12 )·I 1 = Zm·I 1. Um

(1.571)

I1 U1

Z1

Z2

I2 U2

I3

Z3

1.155 pav. T- pavidalo tiesinio keturpolio ekvivalentin schema, kuri yra sudaryta tik is vieno valdomo tampos saltinio Cia jimo srove I Z21 Z12. 3.2.3. Puslaidininkini tais fizikins ekvivalentins schemos- tai matematinis modelis, kuris manomai pilnai atitinka vykstancius fizikinius procesus vairiuose puslaidininkinio taiso srityse. Anksciau aprasytos tiesinio keturpolio ekvivalentins schemos savo esme yra formalios, o j parametrai bei grandins elementai nustatomi is eksperimento. Eksperimento metu matavimo slygos yra nustatomos is atitinkamo matuojamojo parametro apibrzties slyg: trumpasis jungimas arba nutraukta ( atvira ), arba suderinta atitinkama keturpolio grandin. Akivaizdu, jog puslaidininkinio taiso gamybos proceso metu, norint keisti jo elektrines charakteristikas ir parametrus reikiama linkme, formalus puslaidininkinio taiso matematinis modelis nra patogus. Siuo ir kitais atvejais btina turti puslaidininkinio taiso matematin model, kuris manomai pilnai atitikt vykstancius fizikinius procesus jame. S reikalavim tenkinancios puslaidininkinio taiso ekvivalentins schemos yra vadinamos fizikinmis ekvivalentinmis schemomis. Fizikines ekvivalentines schemas jau taikme anksciau, nagrindami vairi diod (1.35 pav. ir 1.48 pav.) bei vairi tranzistori (1.76 pav., 1.81 pav., 1.109 pav., 1.129 pav. ir 268

1

valdomas tampos saltinis Um generuoja tamp, kuri yra

proporcinga tiesinio keturpolio varz skirtumui Z21 Z12 ir is cia akivaizdu, jog Um > 0, kai

1.133 pav.) fizikinius veikos pagrindus. Is jau anksciau pateikt fizikini ekvivalentini schem seka j sudarymo principai- konkretaus puslaidininkinio taiso vairios darinio sritys yra atvaizduojamos atitinkamais elektrins grandins pasyviaisiais elementais ( rezistoriais ( varzais ), laidziais, kondensatoriais, indukcinmis ritelmis ( induktyvumais ) ir t. t.), o tiesioginio stiprinimo ir grztamj rysi savybs yra atvaizduojamos atitinkamais valdomais srovs arba tampos saltiniais ( generatoriais ). Sudarant vairi tranzistori fizikines ekvivalentines schemas daznai naudinga juose isskirti vidin ( teorin ) ir pasyvij ( isorin ) grandins dalys. Remiantis siais principais 1.155 pav. yra parodyta bendros bazs (BB) grandinje jungto nekorpusinio dvipolio tranzistoriaus fizikin ekvivalentin schema, kurioje "vidinis" tranzistorius yra isskirtas brksniuotos linijos staciakampiu. I Kc1 I Ed IE E RE e r EBb CEB I Ec b RB1 RB2 B + I Kd CKB1 r KBb IK k RK1 RK2 K

·I Ed

I Kc2 Ra CKB2

Uin

EB

IB

KB

+

1.155 pav. Bendros bazs (BB) grandinje jungto nekorpusinio dvipolio tranzistoriaus fizikin ekvivalentin schema, kurioje "vidinis" tranzistorius yra isskirtas brksniuotos linijos staciakampiu Sioje (1.155 pav.) tranzistoriaus fizikinje ekvivalentinje schemoje maitinimo saltini

EB ir KB pastovij tamp poliaringumai atitinka normaliai jungt n-p-n laidumo dvipol

tranzistori, o radiotechnini element pazymjimai atitinka pazymjimus, aprasytus anksciau 1.76 pav. Palygin sias ekvivalentines schemas matome, jog patikslintoje dvipolio tranzistoriaus fizikinje ekvivalentinje schemoje (1.155 pav.) bazs ir kolektoriaus puslaidininkins sritys yra atvaizduotos paskirstyt parametr RC- grandinmis. Taip daroma todl, jog planariosios konstrukcijos dvipoliame tranzistoriuje (1.83 pav. b, 1.112 pav.) bazs ir kolektoriaus ( ir ypac tuo atveju, kai kolektoriaus ominis kontaktas yra padarytas tame 269

paciame puslaidininkinio kristalo pavirsiuje kartu su emiterio ir bazs srici ominiais kontaktais (1.113 pav.)) puslaidininkins sritys yra sudarytos is aktyviosios ir pasyviosios srici. Aktyviosios bazs ir kolektoriaus sritys randasi betarpiskai po emiterio sritimi ir sios sritys fizikinje ekvivalentinje schemoje (1.155 pav.) yra atvaizduotos rezistoriais RB1 ir RK1, atitinkamai, bei kolektorins p-n sandros aktyvija barjerine talpa CKB1. Tokiu pat bdu bazs ir kolektoriaus pasyviosios puslaidininkins sritys yra atvaizduotos rezistoriais RB2 ir RK2, atitinkamai, bei kolektorins p-n sandros pasyvija barjerine talpa CKB2. Dvipolio tranzistoriaus tiesioginio stiprinimo-perdavimo savyb fizikinje ekvivalentinje schemoje (1.155 pav.) yra atvaizduota valdomu srovs saltiniu ·I E d, kurio generuojama srov yra uzrasyta per emiterio p-n sandros difuzins srovs I E d modul I E d. Si srov teka per tiesiogine kryptimi jungt emiterio p-n sandr ir jos stipris yra atvirksciai proporcingas sios p-n sandros diferencialinei varzai r is emiterio baz. Todl ne visa srov I

EB b

((1.124),(1.125)). Kita vertus ir s reiskin fizikinje

anksciau parodme, jog kolektoriaus srov I K yra apsprsta tik salutini krvinink injekcijos

E d

sukuria srov I

K

ekvivalentinje schemoje (1.155 pav.) aprasome atitinkama koeficiento israiska (1.233), kurioje salutini krvinink slygotos srovs I K modulis I Ko yra nusakomas koeficientu o (1.214). Kita vertus, papildoma dvipolio tranzistoriaus charakteristik priklausomyb nuo daznio yra vertinta emiterio p-n sandros barjerine talpa CEB, kuri suntuoja diferencialin varz r

EB b.

Cia reikia pastebti, kad kai kada vietoje valdomo srovs saltinio ·I

E d

yra

naudojamas jimo tampa Uin valdomas tampos saltinis. Taciau sis dvipolio tranzistoriaus tiesioginio stiprinimo-perdavimo savybs atvaizdavimo bdas nra tinkamas, nes salutini krvinink ekstrakcijos is bazs kolektori reiskinys vyksta per atgalin kryptimi jungt kolektorin p-n sandr, kurios varza r KB b yra labai didel ir is esms atitinka srovs saltinio elektrines savybes. Kita vertus, emiterio grandins fazins charakteristikos taka dvipolio tranzistoriaus dazninms savybms yra zymiai tiksliau vertinama, kai valdomo srovs saltinio israiska yra uzrasoma per emiterio p-n sandros kompleksin difuzin srov- ·I E d. Kai dvipolis tranzistorius yra jungtas bendro emiterio (BE) arba bendro kolektoriaus (BK), arba emiterinio kartotuvo (EK) grandinse, jo fizikin ekvivalentin schema, kuri yra parodyta 1.81 pav., atzvilgiu parodytos 1.155 pav., pakinta nezymiai. Is 1.81 pav. matome, jog pagrindinis skirtumas yra valdomo srovs saltinio uzrasymo pavidale- ·I B, kur siuo saltiniu generuojama srov yra uzrasyta per bazs srovs I B modul I B, o koeficientas gali bti isreikstas anksciau pateikta aproksimacine formule (1.243). Cia taip pat bazs grandins fazins charakteristikos taka dvipolio tranzistoriaus dazninms savybms yra zymiai tiksliau vertinama, kai valdomo srovs saltinio israiska yra uzrasoma per kompleksin srov- ·I B.

270

Anksciau parodme, jog dvipolio tranzistoriaus fizikins ekvivalentins schemos radiotechnini element verts priklauso nuo srovi ir tamp verci jo isvaduose. Tipins kai kuri is si element dydzi priklausomybs nuo kolektoriaus srovs I

K

ir tampos UKB

dvipolio tranzistoriaus planariosios konstrukcijos atveju (1.83 pav. b) yra parodytos 1.156 pav. a ir b, atitinkamai, o barjerini talp CEB ir CKB priklausomybs nuo atitinkam tamp UEB ir UKB buvo aptartos anksciau, nagrinjant p-n sandros veikos fizik, ir yra parodytos 1.23 pav. R i /R i o 1 RK1,2 RE RB2 RB1 0 a IK 0 b UKB 1 RE, RB2, RK2 RK1 R i /R i o

RB1

1.156 pav. Tipins dvipolio tranzistoriaus planariosios konstrukcijos atveju (1.83 pav. b) atitinkam srici varz R i RE, RB, RK priklausomybs nuo kolektoriaus srovs I K ir tampos UKB, kur varz R i atitinkamos priklausomybs yra pateiktos normuotame mastelyje atzvilgiu atitinkamos verts R i o, kai I K 0 ir UKB 0 Remiantys anksciau isdstytais principais yra sudaromos ir vienpoli tranzistori fizikins ekvivalentins schemos, kuri vienas is galim variant yra pateiktas 1.109 pav. Sioje ekvivalentinje schemoje nra valdomo srovs arba tampos saltinio, atvaizduojancio vienpolio tranzistoriaus tiesioginio stiprinimo-perdavimo savybs. Taip pasielgta todl, kad skirtingai nuo dvipolio tranzistoriaus, lauko tranzistoriuje nra krvinink injekcijos ir ekstrakcijos reiskini, ko paskoje, esant tampai UDS 0, visada santakos ( arba istakos ) srov I

D, S

0 (1.92 pav. b), kai tuo tarpu dvipolio tranzistoriaus atveju bendros bazs

grandinje prie UKB 0, srov I K I E 0 (1.56 pav. b). Todl 1.109 pav. pateiktoje vienpolio tranzistoriaus fizikinje ekvivalentinje schemoje pagrindin lauko tranzistoriaus savyb- jo santakos srovs I D priklausomyb nuo uztros tampos UGS yra atvaizduota jimo tampai Uin proporcingo dydzio tampa U *in = UG*S* ((1.370), (1.371)) valdoma kanalo varza R k, kurios dydis vairiuose tranzistoriaus jungimo schemose yra isreiskiamas anksciau pateiktomis priklausomybmis- (1.268) ir (1.291).

271

Kai lauko tranzistoriaus isjimo grandinje maitinimo saltinio tampa |

DS

| 0,

kintamosios jimo tampos Uin pokycio Uin poveikyje (1.109 pav.) kanalo varza R k kinta dydziu R k ir to paskoje apkrovos rezistoriuje Ra atsiranda srovs I D kintamasis sandas I D, kurio dyd isreiskiame taip: I D | DS | /( R k R k +Ra ) |UDS | /( R k + R k + Ra ) 2·| DS |·| R k | /( R k + Ra ) 2 R 2k , kur primme, jog Ra RD RS. Panaudojus vienpolio tranzistoriaus diferencialin statum Ss (1.282) maz dazni srityje ( 0 ), santakos srovs I D pokyt I D (1.572) galima isreiksti per jimo signalui Uin proporcingo dydzio tampos U *in pokyt U *in tokio pavidalo lygtimi: I D Ss·U *in, kur zemadaznio diferencialinio statumo Ss vert imama lauko tranzistoriaus veikos tasko aplinkoje {I D, UD }, laikantis mazo jimo signalo slygos: Ss const, kai I D 0. Taikant s metod daznai vienpolio tranzistoriaus fizikinje ekvivalentinje schemoje vietoje valdomo kanalo rezistoriaus R

k

(1.572)

yra jungiamas valdomas srovs saltinis, kuris generuoja kintamj

srov Ss·U *in. Siuo atveju fizikinje ekvivalentinje schemoje (1.109 pav.) daznai nerodomi pastoviosios tampos maitinimo saltiniai

GS ir DS ( atitinkamos grandins j vietoje yra GS ir DS tamp

sujungtos trumpai ). Taciau diferencialinio statumo Ss vert yra nustatoma lauko tranzistoriaus veikos taske { I D, UD }, kurio vieta priklauso nuo maitinimo saltini

dydzi ir apkrovos rezistoriaus Ra varzos (1.95 pav.). Is cia seka, kad vairi tranzistori fizikins ekvivalentins schemos savo esme yra netiesins grandins, nes jas sudaranci radiotechnini element verts priklauso nuo tranzistoriaus veikos tasko vietos jimo bei isjimo VACh (1.156 pav. ir t. t.). Todl anksciau aprasytos tiesini keturpoli matematinio modeliavimo lygtys daugeliu atvej negali bti taikomos puslaidininkini tais aprasymui, kai j veika netenkina mazo signalo slygos. 3.2.4. Netiesiniai keturpoliai- kai keturpolio parametrai priklauso nuo srovi ir tamp jo isvaduose. Siuo atveju matematins keturpolio lygtys yra uzrasomos esant mazo jimo signalo slygai (251 p.). Mazo jimo signalo slyga- taikoma netiesiniam keturpoliui ir si slyga reiskia, jog isjimo signalo Uis spektras atitinka jimo signalo Uin spektr, t. y. netiesinis keturpolis elgiasi kaip tiesinis keturpolis. Netiesinio keturpolio jime veikiant, pvz. harmoniniam

272

( sinusiniam arba kosinusiniam ) signalui u in Uo·sin ( ·t + ), mazo jimo signalo slyga gali bti nusakyta netiesini iskreipi faktoriumi :

( U22 + U32 + ··· + Un2 ) 1/2/U1 ·100 %,

(1.573)

kur: U1, U2, ... , Un - pirmosios ( pagrindins ) ( ), antrosios ( 2· ), ... , n- tosios ( n· ) isjimo signalo u is harmonik ( spektro sand ) amplituds, atitinkamai. Mazo jimo signalo slyga gali bti nusakoma vedus iskreipi faktoriaus vertei apribojim, pvz.- 1 %. Akivaizdu, jog sis metodas reikalauja specialios matavimo rangos ir todl nra parankus. Todl matavim metu mazo jimo signalo slyg yra zymiai paprasciau kontroliuoti stebint isjimo signalo u is ( t ) pavidal oscilografo ekrane, kai jime veikia harmoninis jimo signalas u in Uo·sin ( ·t + ). Si situacija yra parodyta 1.157 pav., kur yra pateiktos vairios isjimo signalo u

is

( t ) oscilogramos netiesinio keturpolio

isjime, kai to keturpolio jime veikia skirting amplitudzi Uo harmoninis jimo signalas. u is u is

t

t

a u is u is

b

t

t

c

d

1.157 pav. vairios isjimo signalo u is ( t ) oscilogramos netiesinio keturpolio isjime, kai to keturpolio jime veikia skirting amplitudzi Uo harmoninis jimo signalas: a- yra tenkinama mazo jimo signalo slyg; b d- nra tenkinama mazo jimo signalo slyg Is 1.157 pav. pateikt oscilogram matome: netiesinio keturpolio atveju jimo signalo u in amplitud Uo tenkina mazo jimo signalo slyg tik situacijoje (a). Kitais atvejais jimo signalo amplitud Uo yra per didel, nes isjimo signalas yra iskraipytas, t. y. savo pavidalu skiriasi nuo harmoninio signalo formos (a): situacijoje ( b) yra stebimas neigiam ( arba 273

teigiam ) sinusoids pusperiodzi nesimetriskumas; situacijoje (c)- vienpusis ribojimas is apacios arba is virsaus; situacijoje (d )- dvipusis ribojimas ir t. t. Netiesinio keturpolio atveju srovs I uzrasytos tokiu pavidalu: U1 U1 o + u 1 , U2 U2 o + u 2 , I 1 I 1 o + i 1 , I 2 I 2 o + i 2 ,

i

ir tampos Ui jo jime ir isjime gali bti

(1.574)

kur: U1 o, U2 o, I 1 o, I 2 o - atitinkam tamp ir srovi pastovieji sandai; u 1 , u 2 , i 1 , i 2 atitinkam tamp ir srovi kintamieji sandai, kuri amplituds tenkina mazo jimo signalo slyg. Tegul netiesinio keturpolio jimo tampa U1 ir isjimo srov I dydziai ( funkcijos ) nuo jimo srovs I 1 ir isjimo tampos U2 : U1 F1 ( I 1, U2 ), I 2 F2 ( I 1, U2 ), (1.575)

2

yra priklausomi

t. y. analogiskai H- parametr sistemai ((1.522), (1.536)). Desinisias israisk (1.575) puses skleidziame Teiloro eilute, pvz. tranzistoriaus veikos taske { I

1 o,

U2 o }, kintamj dydzi i

1

ir u

2

atzvilgiu ir apsiribojame nariais,

turinciais kintamuosius dydzius i 1 ir u 2 pirmajame laipsnyje: U1 U1( I 1 o, U2 o ) + i 1 ·( U1 / i 1 ) I 1o, U1o + u 2 ·( U1/ u 2 ) I 1o, U2o, I 2 I 2 ( I 1 o, U2 o ) + i 1 ·( I 2 / i 1 ) I 2o, U1o + u 2 ·( I 2 / u 2 ) I 2o, U2o. Palygin gautas israiskas (1.576) su lygtimis (1.574) matome, jog ir siuo atveju desiniosios israisk (1.576) puss yra pastovij ir kintamj dydzi sumos. Todl israiskas (1.576) galima uzrasyti tokiu pavidalu: U1 U1 o | I 1o, U1o + u 1 , kur: u 1 i 1 ·( U1/ i 1 )| I 1o, U1o + u 2 ·( U1/ u 2 )| I 1o, U2o, i 2 i 1 ·( I 2 / i 1 )| I 2o, U1o + u 2 ·( I 2 / u 2 )| I 2o, U2o. 1. Diferencialiniai h- parametrai- taikomi tada, kai yra tenkinama mazo jimo signalo slyga netiesinio keturpolio jime. Esant siai slygai, isjime veikianci srovi I i ir I 2 I 2 o | I 2o, U2o + i 2 , (1.577)

(1.576)

(1.578)

274

tamp Ui kintamuosius sandus aprasanti lygci sistema (1.578), analogiskai H- parametr sistemai (1.536), yra uzrasoma per diferencialinius h- parametrus : u 1 h11·i 1 + h12·u 2 , i 2 h21·i 1 + h22·u 2 , kur is jau anksciau pateikt H- parametr apibrzci ((1.537) (1.540))- tuscioji eiga jime arba trumpasis jungimas isjime atitinkamo signalo kintamajam sandui, seka: 1) netiesinio keturpolio diferencialin jimo varza h11 veikos taske { I 1o, U2o }, esant trumpajam jungimui kintamajam signalui jo isjime ( u 2 = 0 ): h11 = U1 / i 1 | u2 = 0, { I 1o, U2o }; (1.580)

(1.579)

2) netiesinio keturpolio isjimo tampos U2 grztamojo rysio diferencialinis koeficientas h12 veikos taske { I signalui jo jime ( i 1 = 0 ): h12 = U1 / u 2 | i 1 = 0, { I 1o, U2o }; (1.581)

1o,

U2o }, esant tusciajai eigai kintamajam

3) netiesinio keturpolio jimo srovs I 1 perdavimo diferencialinis koeficientas h21 veikos taske { I

1o,

U2o ), esant trumpajam jungimui kintamajam signalui jo

isjime ( u 2 = 0 ): h21 = I 2 / i 1| u 2 = 0, { I 1o, U2o ); (1.582)

4) netiesinio keturpolio isjimo diferencialinis laidumas h22 veikos taske { I 1o, U2o }, esant tusciajai eigai kintamajam signalui jo jime ( i 1 = 0 ): h22 = I 2 / u 2 | i 1 = 0, { I 1o, U2o }. (1.583)

Cia aprasytos diferencialini h- parametr sistemos (1.579) taikym pailiustruosime bendro emiterio (BE) grandinje (1.158 pav.) jungto dvipolio tranzistoriaus atveju, kuri yra parodyta 1.158 pav., o tranzistoriaus jimo ir isjimo VACh yra pateiktos 1.159 pav. a ir b, atitinkamai. 2. Grafins analizs metodas- kai puslaidininkinio taiso diferencialiniai parametrai yra nustatomi is atitinkam VACh vairiose jungimo grandinse- BB, BE, BK arba EK. Pvz. BE grandinje (1.158 pav.) tranzistoriaus bazs B ir kolektoriaus K pastovij srovi I B ir I K bei pastovij tamp UBE ir UKE, atitinkamai, pokyci sandai I B ir I K bei UBE ir UKE,

275

IK Rb IB B E ­ K

Ra Uis T ­

KE

Uin

BE

1.158 pav. Bendro emiterio (BE) grandinje jungto dvipolio tranzistoriaus stiprinimo pakopa IB I B max Rb I IBo I B UBEo 0 a) U

* *

K

UKE1 UKEo UKE 0 UKE2

IK I K max Ra I Ko I B2 IBo I B I B1 IB = 0

I K 0 b) UKE1 UKEo UKE2

BE

BE

UBE

U BE

UKE

KE UKE

1.159 pav. Dvipolio tranzistoriaus jimo (a) ir isjimo ( b) VACh BE grandinje atitinkamai, yra nustatomi is tranzistoriaus jimo ir isjimo VACh (1.159 pav.). Tuo tikslu jimo (1.159 pav. a) ir isjimo (1.159 pav. b) VACh plokstumose yra nubraizomos atitinkam apkrovos rezistori R b ir Ra apkrovos tiess, kurios yra aprasomos tokio pavidalo lygtimis: I B I B max |UBE | /R b, kur: I B max | BE | /R b ir I K max | KE | /Ra. Nagrinjamos BE schemos (1.158 pav.) jime ( B-E grandinje ) nusistovi pastovioji bazs srov I Bo ir tarp bazs B ir emiterio E isvad- pastovioji tampa UBEo, kuri dydziai yra nusakomi Omo dsniu visai jimo grandinei: I Bo | BE | /( R b + RBE e ) | BE /{ R b + |UBEo /[ I

*

Bs·exp ( UBEo / T )},

I K I K max |UKE | /Ra,

(1.584)

(1.585) 276

kur pasinaudojome anksciau gauta varzos RBE

e

israiska (1.149) ir nusistovjusios verts

nusako tranzistoriaus veikos task { I B o, UBo } jimo grandinje. Esant slygai I B I Bo, kai UBE UBE o, is (1.585) ir bazs srovs I B lygties (1.584) gauname: I Bo (| BE | |UBEo |)/R b, | BE | I

*

Bs·R b·exp ( UBEo / T )

|UBEo | 0, (1.586)

kur emiterio p-n sandros tampa UBEo skaiciavimo masinos pagalba yra paskaiciuojama is antrosios analiziskai neissprendziamos lygties. Tranzistoriaus bazs srovs I Bo vert atitinkancios isjimo VACh kreivs ir apkrovos Ra tiess susikirtimo taskas nusako tranzistoriaus veikos tasko viet { I pastoviosios tampos UKE veikos tasko sandus I nustatome atitinkam srovi I

Ko,

UKEo } isjimo

VACh (1.159 pav. b) kreivi seimoje. Is cia surandame pastoviosios kolektoriaus srovs I K ir

Ko

ir UKE o, atitinkamai. jimo ir isjimo pokyci sandus I

Bo,

VACh surastuose tranzistoriaus veikos taskuose { I Bo, UBEo } ir { I Ko, UKEo }, atitinkamai,

B, K

ir tamp UBE,

KE

B, K

ir UBE,

KE,

atitinkamai. Tuo tikslu tranzistoriaus veikos task { I

UBEo } ir { I

Ko,

UKEo } aplinkoje

nubraizome pakankamai mazus staciuosius trikampius taip, kaip yra parodyta 1.159 pav. a ir b. Nubraizyt stacij trikampi statiniai atitinka jimo ir isjimo srovi bei tamp kintamuosius sandus: I B, UBE ir I K, UKE, atitinkamai. Is gaut tranzistoriaus veikos taske { I Ko, UKEo } pokyci I B, K ir UBE, KE paskaiciuojame diferencialinius parametrus h11 (1.580) ir h22 (1.583): h11 UBE / I B, h22 I K / UKE. (1.587)

Diferencialiniai parametrai h12 (1.581) ir h21 (1.582) reikalauja kit apibrzties slyg. Todl tranzistoriaus veikos task { I

Bo,

UBEo } ir { I

Ko,

UKEo } aplinkoje nubraizome

pakankamai mazus papildomus staciuosius trikampius taip, kaip yra parodyta 1.159 pav. a ir b brksniuotomis-taskinmis linijomis. Si papildom stacij trikampi statiniai atitinka jimo ir isjimo srovi bei tamp papildomus kintamuosius sandus I atitinkamai. Is gaut tranzistoriaus veikos taske { I U

*

BE Ko,

*

K

ir U

*

*

BE,

UKEo } papildom pokyci I

K

ir

paskaiciuojame diferencialinius parametrus h12 (1.581) ir h21 (1.582): h 12 U Mazo jimo signalo Uin

*

BE / UKE,

h 21 I

*

K / I B.

(1.588)

slygos tenkinimo atveju nagrinjamam bendro emiterio

grandinje jungtam dvipoliui tranzistoriui (1.158 pav.) galima pritaikyti anksciau aprasyt tiesinio keturpolio aktyvij ekvivalentin grandin (1.154 pav. c), kuri atitinka H- parametr sistem ir diferencialini h- parametr atveju yra parodyta 1.160 pav. 277

Rb

IB B h11 h221

IK K UKE E ( h21·I B ) Ra

Uin

UBE E ( h 12·UKE )

1.160 pav. Mazo jimo signalo Uin slygos tenkinimo atveju bendro emiterio grandinje (BE) jungto dvipolio tranzistoriaus aktyvioji ekvivalentin grandin, atitinkanti H- parametr sistem ir diferencialinius h- parametrus Taikydami Omo dsn jimo ir isjimo grandinms, is 1.160 pav. pateiktos ekvivalentins schemos uzrasome harmonins jimo srovs I B ir harmonins isjimo tampos Uis UKE kintamj sand I B ir UKE , atitinkamai, israiskas: I B ( Uin h12·UKE ) /( R b + h11 ), Uis UKE h21·I B ·Ra /[ h22·( 1/h22 + Ra )], kur minuso zenklas antroje israiskoje uzrasytas todl, jog bendro emiterio grandinje isjimo tampos Uis faz yra priesinga jimo tampos Uin fazei. Is lygci sistemos (1.589) gauname: Uis {h21·Ra /[ h22·(1/h22 + Ra )}/ /{ R b + h11 + h12·h21·Ra /[ h22·( 1/h22 + Ra )}·Uin Ku e·Uin , (1.590) kur: Ku e - bendro emiterio (BE) grandins su dvipoliu tranzistoriumi diferencialinis tampos stiprinimo koeficientas: Ku e h21·Ra /( R b + h11 )·( 1 + h22·Ra ) + h12·h21·Ra . (1.591)

(1.589)

Palygin cia gaut israisk (1.591) su anksciau pateikta israiska (1.162) matome, jog abejose israiskose yra gauta ta pati BE grandinje jungto dvipolio tranzistoriaus diferencialinio tampos stiprinimo koeficiento Ku e priklausomyb nuo apkrovos rezistoriaus Ra varzos verts. Isvedant formul (1.162) nebuvo skaitoma varza R

b

bazs grandinje.

Taciau akivaizdu, jog jos taka formulje (1.162) bt ta pati, kaip ir gautoje israiskoje (1.591), nes esant rezistoriui R b, tampa UBE Uin I B ·R b, t. y. mazesn uz Uin . Kita vertus, taikant tiesinio keturpolio aktyvij ekvivalentin grandin (1.160 pav.), gautoje BE 278

grandins diferencialinio tampos stiprinimo koeficiento Ku

e

israiskoje (1.591) nebelieka

tiesiogiai isreikstos priklausomybs nuo maitinimo saltinio pastoviosios tampos

KE ir nuo

pastoviosios srovs I Ko tranzistoriaus kolektoriaus grandinje. Gautoje israiskoje (1.591) si parametr taka BE grandins koeficiento Ku e vertei yra skaityta netiesiogiai per netiesinio keturpolio diferencialinius h- parametrus, kuri dydziai priklauso nuo tranzistoriaus veikos tasko vietos jo jimo ir isjimo VACh. Diferencialins z- ir y- parametr sistemos- savo esme yra analogiskos diferencialinei h- parametr sistemai (1.579), nes akivaizdu, jog analogiskai tiesinms Z- (1.526) ir Y(1.531) parametr sistemoms anksciau pateikti tiesinio keturpolio srovi I i, j ir tamp U i, j jime ir isjime galimi uzrasymo pavidalai (1.520) (1.525) gali bti panaudoti ir kitose netiesinio keturpolio galimose atitinkam parametr funkcinse priklausomybse. Todl, kai yra tenkinama mazo jimo signalo slyga, analogiskai diferencialinei h- parametr sistemai (1.579) yra uzrasomos diferencialins z- ir y- parametr sistemos, kuri pavidalai yra tokie pat, kaip ir tiesini Z- ir Y- parametr sistem (1.526) ir (1.531), atitinkamai. Cia skirtumas tik toks, jog siuo atveju vietoje didzij tiesinio keturpolio parametr raidzi yra rasomos mazosios netiesinio keturpolio diferencialini parametr raides, atitinkamai. Analogiskai diferencialiniams h- parametr sistemos nariams, diferencialini z- ir y- parametr sistem atitinkami nariai yra isreiskiami per tiesini Z- ir Y- parametr sistem (1.527) (1.530) ir (1.532) (1.535) atitinkamus narius, pakeiciant kompleksini srovi ir tamp dydzius atitinkamus t dydzi kintamj sand mazos amplituds pokycius- U i, j, I i, j. Tokiu bdu gaut diferencialini z- ir y- parametr sistem atitinkami nariai gali bti surasti jau anksciau aprasytu grafins analizs metodu is puslaidininkinio taiso, pvz. tranzistoriaus jimo ir isjimo VACh. Kita vertus, panaudojus jau anksciau pateikt tiesinio keturpolio parametr perskaiciavimo 4-t lentel, diferencialini z- ir y- parametr sistem atitinkami nariai gali bti surasti is jau paskaiciuot diferencialini h- parametr sistemos nari- (1.587) ir (1.588). Taip pat, mazo jimo signalo Uin

slygos tenkinimo atveju, nagrinjamam atitinkamoje

grandinje jungtam dvipoliui arba vienpoliui tranzistoriui galima pritaikyti anksciau aprasytas tiesinio keturpolio aktyvisias ekvivalentines grandines (1.154 pav., arba 1.155 pav. ir t. t.), atitinkancias Z- , Y- arba H- parametr sistemas. 3.2.5. Puslaidininkinio taiso fizikins ekvivalentins schemos element srysis su atitinkamo keturpolio parametr sistemos nariais- tai bdas, leidziantis teoriskai numatyti puslaidininkinio taiso elektrini savybi ir charakteristik srys su jo darinio atskir srici elektro-fizikiniais parametrais. Todl akivaizdu, jog labai daznai naudinga zinoti puslaidininkinio taiso, pvz. vairi tranzistori, atitinkamos fizikins ekvivalentins schemos element srys su to puslaidininkinio taiso atitinkamos keturpolio parametr sistemos 279

dydziais. Tuo tikslu, pvz. jungto bendro emiterio grandinje dvipolio tranzistoriaus supaprastinta fizikin ekvivalentin schema (1.76 pav.) yra aprasoma mazo jimo signalo Uin slyg tenkinimo atveju vienu is zinom tiesini elektronini grandini analizs metodu, pvz. harmoninio signalo Uin atveju Kirchhofo taisyklmis kompleksine forma. Palygin si tranzistoriaus fizikin ekvivalentin schem (1.76 pav.) su anksciau aprasyta tiesinio keturpolio T- pavidalo ekvivalentin schema (1.152 pav.), kuri yra sudaryt is varzini element Zk, matome j tapatum. Todl is tranzistoriaus fizikins ekvivalentins schemos (1.76 pav.), kai nra apkrovos rezistoriaus Ra ( Ra = 0 ), nesunkiai surandame varzini element Zk israiskas: Z1 = RE + [ r EB b /( j· ·CEB )] /[ r EB b + 1/( j· ·CEB )], Z2 = RK + [ r KB b /( j· ·CKB )] /[ r KB b + 1/( j· ·CKB )], Z3 = RB. Gautas israiskas (1.592) stat z- parametr israiskas (1.565), randame apytiksles netiesinio keturpolio diferencialini z- parametr israiskas per tranzistoriaus fizikins ekvivalentins schemos elementus: z11 = UEB / I E | I K = 0 RE + RB + [ r EB b /( j· ·CEB )] /[ r EB b + 1/( j· ·CEB )], z12 = UEB / I K | I E = 0 RB, z21 = UKB / I E | I K = 0 RB, (1.593) (1.592)

z22 = UKB / I K | I E = 0 RK + RB + [ r KB b /( j· ·CKB )] /[ r KB b + 1/( j· ·CKB )]. Tikslias netiesinio keturpolio diferencialini z- parametr israiskas per tranzistoriaus fizikins ekvivalentins schemos elementus galima gauti tik skaicius srovs generatoriaus

·I

E d

tak srovi ir tamp vertms atitinkamose tranzistoriaus fizikins ekvivalentins

schemos (1.76 pav.) grandinse. Taciau siuo atveju taikant, pvz. Kirchhofo taisykles kompleksine forma, yra gaunama netiesin lygci sistema, kuri dazniausiai neturi analizinio sprendinio. Todl tikslias netiesinio keturpolio diferencialini z- parametr israiskas per tranzistoriaus fizikins ekvivalentins schemos elementus galima gauti tik panaudojus skaiciavimo masinas, pvz. pakankamai galing personalin kompiuter. Atskiru atveju paprastumo dlei galima priimti, jog bendros bazs (BB) jungimo schemoje tranzistoriaus fizikinje ekvivalentinje schemoje (1.76 pav.) srovs generatorius yra valdomas emiterio srove I E, t. y. per emiterio srities varz RE tekanciu sios srovs moduli I E. Todl siuo atveju valdomas srovs generatorius yra uzrasomas taip: ·I E, ir esant siai prielaidai, taikydami Kirchhofo taisykles, kai Ra = 0 ( trumpasis jungimas isjime ), gauname tiesin lygci sistem: 280

Uin = I E·Z1 + I B·Z3, I K·RK ( I K c + I K d )·Z

*

2

I B*Z3 = 0, (1.594)

I K + I K c + I K d ·I E = 0, IE + IK + IB = 0 kur: Z

*

2

= Z2 RK.

Is (1.594) randame: h11 = Uin / I E |UKB = 0 Z1 + ( 1 )·RB + ( RB RK )·Z1 /Z + RB·RK /Z

*

2 /1

*

2

+ (1.595)

+ ( RB + RK ) /Z + RB /Z

*

2

*

2 ,

h21 = I K / I E |UKB = 0 ( + RB /Z

*

2 ) /(1

+ RK /Z

*

2 ).

(1.596)

Diferencialiniai parametrai h12 ir h22 yra randami esant kitoms slygoms tranzistoriaus jime ir isjime- (1.581) ir (1.583), t. y. tuscioji eiga jime, kurios metu srov I E = 0. Siuo atveju vietoje apkrovos rezistoriaus Ra (1.76 pav.) yra jungtas mazos amplituds kintamosios tampos saltinis UKB , o saltinis Uin yra atjungtas nuo jimo grandins. Akivaizdu, kad siuo atveju neveiks ir valdomas srovs saltinis- ·I E = 0. Todl, taikydami Kirchhofo taisykles fizikinei ekvivalentinei grandinei (1.76 pav.), gauname kit tiesin lygci sistem: UKB = I K·RK ( I K c + I K d )·Z UEB = I B·RB, I B I K c + I K d, I K c + I K d, = I K. Issprend si lygci sistem (1.597), randame: h12 = UEB /UKB | I E = 0 RB /( RB + RK + Z h22 = I K /UKB | I E = 0 ( RB + RK + Z

*

2)

*

2

I B·RB, (1.597)

*

2 ),

(1.598) (1.599)

1

.

Tokiu pat bdu yra gaunamos ir kit diferencialini parametr z- ir y- sistem atitinkami nariai arba, panaudojus jau anksciau pateikt tiesinio keturpolio parametr perskaiciavimo 4-t lentel, jie gali bti surasti is jau paskaiciuot diferencialini hparametr sistemos nari (1.595), (1.596), (1.598) ir (1.599). Parazitini parametr taka dvipolio bei vienpolio tranzistori dazninms savybms buvo anksciau isnagrinta dvipolio bei vienpolio tranzistori atitinkam p-n sandr ir kit 281

talp atveju. Taciau didel tak sioms savybms turi ir tranzistori isvad induktyvumai. Akivaizdu, kad sie induktyvumai turi bti manomai minimals. Kai puslaidininkinio taiso kristalas yra patalpinamas atitinkam korpus, sie induktyvumai gauna paskirstyt pobd. Tranzistoriaus ( dvipolio ar vienpolio ) atveju korpuso tak dazninms savybms yra skaitoma papildant tranzistoriaus fizikin ekvivalentin schem isvad ( kontakt ) ir korpuso parazitiniais induktyvumais bei talpomis, parodant jas atskirai nuo puslaidininkinio kristalo ( vidini ) parametr (1.161 pav.).

C

*

EK SD)

(C E (L S2) (L S1) (S) L E2 L E1

*

Puslaidininkinis (D) (L D1) (L D2) kristalas B (G)

K

L K1

L K2

C (C

*

SG)

*

EB

L B1 L B2

(L G1) (L G2)

C

*

BK

(C

*

GD)

1.161 pav. Dvipolio ir vienpolio tranzistoriaus korpuso takos dazninms savybms skaitymas, papildant tranzistoriaus fizikin ekvivalentin schem isvad ir korpuso parazitiniais induktyvumais L i j bei talpomis C i j, kur: i, jatitinkamo dydzio raidiniai bei skaitiniai indeksai Parodytoje 1.161 pav. fizikinje ekvivalentinje schemoje yra pazymta: C C

*

EK

*

EB, C BK

*

ir

- parazitins talpos tarp atitinkam dvipolio tranzistoriaus isvad; L E1 ir L E2, L B1 ir L B2

K1

bei L

ir L

K2

- parazitiniai dvipolio tranzistoriaus atitinkam isvad induktyvumai tarp

puslaidininkinio kristalo ir korpuso bei tarp korpuso ir jungiamj elektronins schemos task, atitinkamai. Skliaustuose pazymti dydziai apraso vienpolio tranzistoriaus atitinkamus parazitinius parametrus. Tokiu pat principu parazitiniais parametrais yra patikslinamos ir vairi puslaidininkini diod fizikins ekvivalentins schemos. Pvz. p-n sandros ekvivalentin grandin kintamajai srovei, kuri yra parodyt 1.35 pav., labai aukst ir didesni dazni diapazonuose ( f 30 MHz ) btina papildyti isvad ( kontakt ) induktyvumais L parazitine korpuso talpa C korp taip, kaip yra parodyta 1.162 pav.

A, K

bei

282

r pn Rs L K1 K L K2 Rb Cpn Cpn d C korp 1.162 pav. Puslaidininkini diod fizikins ekvivalentins schemos, parodytos 1.35 pav., labai aukst ir didesni dazni diapazonuose ( f 30 MHz ) patikslinimas isvad induktyvumais L A, K bei parazitine korpuso talpa C korp Is 1.162 pav. matome, jog analogiskai tranzistoriaus atvejui (1.161 pav.), kai puslaidininkinis diodo kristalas yra patalpinamas atitinkam korpus, parazitiniai anodo A ir katodo K induktyvumai L A, K gauna paskirstyt pobd- L A1, 2 ir L K1, 2, atitinkamai. Anksciau pateiktoje tunelinio diodo fizikinje ekvivalentinje schemoje, kuri yra parodyta 1.48 pav., jau yra skaityti visi parazitiniai parametrai- L ir C. 3.3. Sudtini keturpoli metodas Akivaizdu, jog teoriskai keturpolio metodu galima aprasyti bet kokio sudtingumo elektronin grandin. Taciau is kitos puss akivaizdu ir tai, kad sudtingos elektronins grandins atveju matematins lygtys ir j sistema tampa pernelyg griozdiska ir nepakankamai saugi nuo galim klaid sivlimo. Todl mazo jimo signalo slygos atveju, t. y. tiesins grandins atveju, galima taikyti sudtingos elektronins grandins skaidymo paprastesnes tarpusavyje sujungtas grandins metod. Siuo atveju paprastesnms grandinms yra taikomas atitinkamo tiesinio keturpolio atitikmuo ir sudtinga elektronin grandin yra modeliuojama atitinkamai sujungtais tiesiniais keturpoliais. Du keturpoliai tarpusavyje gali bti sujungti penkiais bdais. 1. Lygiagretusis jungimas- kai atitinkami pirmojo ( I ) ir antrojo ( II ) keturpoli jimai bei isjimai tarpusavyje yra sujungti lygiagreciai, kas yra parodyta 1.163 pav. Pritaik Kirchhofo taisykles 1.163 pav. parodytos grandins jimui ir isjimui, gauname: I 1 I I 1 + I II 1, U1 UI 1 UII 1, I 2 I I 2 + I II 2, U2 UI 2 UII 2. 283 L A2 L A1 A

(1.600)

II1 UI 1 I1 U1 I II 1 UII 1 II I

II2 UI 2 I2 U2 I II 2 UII 2

1.163 pav. Pirmojo ( I ) ir antrojo ( II ) keturpoli lygiagretusis jungimas Is (1.600) seka: lygiagretaus jungimo sudtinio keturpolio parametrus patogiausiai apraso lygci sistema (1.521), kuri savo ruoztu apraso Y- parametr sistema (1.531). Todl sudtin keturpol sudaranci I ir II keturpoli parametrus isreiskiame per j Y- parametrus: I I1 = YI 11·UI 1 + YI 12·UI 2, I I 2 = YI 21·UI 1 + YI 22·UI 2, (1.601)

I II 1 = YII 11·UII 1 + YII 12·UII 2, I II 2 = YII 21·UII 1 + YII 22·UII 2, (1.602) kur indeksais ,,I ij" ir ,,II ij" yra pazymti atitinkamai I ir II keturpolio signal parametrai bei atitinkami Y- parametr elementai ( i, j - 1 arba 2 ). Is (1.600) (1.602) nesunkiai gauname lygiagretaus jungimo sudtinio keturpolio Yparametr sistem (1.531), kuri yra isreiksta per sudtini I ir II keturpoli atitinkam YI- ir YII -parametr sistem atitinkamus narius YI ij ir YII ij : I 1 = ( YI 11 + YII 11 )·U1 + ( YI 12 + YII 12 )·U2, I 2 = ( YI 21 + YII 21 )·U1 + ( YI 22 + YII 22 )·U2. Palygin gaut sistem (1.603) su (1.531) uzrasome sudtinio keturpolio Y- parametr sistemos nari Yij srysio lygtys per sudtini I ir II keturpoli atitinkam YI- ir YII -parametr sistem atitinkamus narius YI ij ir YII ij : Y11 = YI 11 + YII 11, Y21 = YI 21 + YII 21, Y12 = YI 12 + YII 12, Y22 = YI 22 + YII 22.

(1.603)

(1.604)

Is (1.604) seka: lygiagretaus jungimo sudtinio keturpolio Y- parametr sistemos atitinkamas narys Yij yra lygus sudtin keturpol sudaranci lygiagreciai sujungt k keturpoli

284

atitinkam Yk- parametr sistem atitinkam nari Yk

ij

sumai: Yij =

Yk ij, t.y. si isvada

1

k

galioja bet kokiam lygiagreciai sujungt keturpoli skaiciui k = 1, 2, 3, ... ( cia indeksai ,,I..." yra pakeisti indeksais ,,k" ). Kita vertus, is matematikos kurso zinome, jog tiesini lygci sistemos, turincios anksciau pateikt tiesini keturpoli Z-, Y- ir H- parametrus aprasanci lygci sistem (1.526), (1.531) ir (1.536), atitinkamai, pavidalus, gali bti uzrasytos matric forma ir yra sprendziamos matric algebros metodais. Todl daugeliu atvej tiesinio keturpolio lygtys yra patogu uzrasyti matric pavidalu, pvz. tiesinio keturpolio Y- parametr sistem (1.531) yra uzrasoma taip: I1 I2 Y11 Y12 Y21 Y22 · U1 U2 .

=

(1.605)

Tokiu pat pavidalu yra uzrasomos ir I bei II keturpoli Y- parametr lygtys (1.601) ir (1.602). Sudj matric pavidalu uzrasyt lygci kairisias ir desinisias puses bei pasinaudoj lygybmis (1.600) gauname, jog lygiagretaus jungimo sudtinio keturpolio Yparametr matrica yra lygi lygiagreciai sujungt I ir II keturpoli atitinkam Y- parametr matric sumai: Y11 Y12 Y21 Y22 YI 11 YI 12 YI 21 YII 22 + YII 21 YII 22 YII 21 YII 22 .

=

(1.606)

Akivaizdu, jog gauta matric pavidalo israiska (1.606) galioja bet kokiam sudtin keturpol sudaranci lygiagreciai sujungt tiesini keturpoli sveikam skaiciui k. 2. Nuoseklusis jungimas- kai atitinkami pirmojo ( I ) ir antrojo ( II ) keturpoli jimai bei isjimai tarpusavi yra sujungti nuosekliai, kas yra parodyta 1.164 pav. II1 UI 1 I1 U1 I II 1 UII 1 II I II 2 UII 2 I II2 UI 2 I2 U2

1.164 pav. Pirmojo ( I ) ir antrojo ( II ) keturpoli nuoseklusis jungimas 285

Pritaik Kirchhofo taisykles 1.164 pav. parodytos grandins jimui ir isjimui gauname: I 1 I I 1 I II 1, U1 UI 1 + UII 1, I 2 I I 2 I II 2, U2 UI 2 + UII 2.

(1.607)

Is (1.607) seka: nuoseklaus jungimo sudtinio keturpolio parametrus patogiausiai apraso lygci sistema (1.520), kuri savo ruoztu apraso Z- parametr sistema (1.526). Todl nuoseklaus jungimo sudtin keturpol sudaranci I ir II keturpoli parametrus isreiskiame per j Z- parametrus: UI 1 = ZI 11·I I 1 + ZI 12·I I 2, UI 2 = ZI 21·I I 1 + ZI 22·I I 2, (1.608)

UII 1 = ZII 11·I II 1 + ZII 12·I II 2, UII 2 = ZII 21·I II 1 + ZII 22·I II 2, (1.609) kur indeksais ,,I ij" ir ,,II ij" yra pazymti atitinkamai I ir II keturpolio atitinkam signal parametrai bei atitinkami Z- parametr elementai. Is (1.607) (1.609) nesunkiai gauname nuoseklaus jungimo sudtinio keturpolio Zparametr sistem (1.526), kuri yra isreiksta per sudtini I ir II keturpoli atitinkam ZI- ir ZII -parametr sistem atitinkamus narius ZI ij ir ZII ij : U1 = ( ZI 11 + ZII 11 )·I 1 + ( ZI 12 + ZII 12 )·I 2, U2 = ( ZI 21 + ZII 21 )·I 1 + ( ZI 22 + ZII 22 )·I 2. Palygin gaut sistem (1.610) su (1.526), uzrasome nuoseklaus jungimo sudtinio keturpolio Z- parametr sistemos nari Z

ij

(1.610)

srysio lygtys per sudtini I ir II keturpoli

atitinkam ZI - ir ZII -parametr sistem atitinkamus narius ZI ij ir ZII ij : Z11 = ZI 11 + ZII 11, Z21 = ZI 21 + ZII 21, Z12 = ZI 12 + ZII 12, Z22 = ZI 22 + ZII 22.

(1.611)

Is (1.611) seka: nuoseklaus jungimo sudtinio keturpolio Z- parametr sistemos atitinkamas narys Z ij yra lygus sudtin keturpol sudaranci nuosekliai sujungt k keturpoli atitinkam Zk- parametr sistem atitinkam nari Zk ij sumai: Z ij =

k

Zk ij, t. y. si isvada

1

galioja bet kokiam nuosekliai sujungt keturpoli skaiciui k = 1, 2, 3, ... ( cia indeksai ,,I..." yra pakeisti indeksais ,,k" ). Cia taip pat jau anksciau aprasytu bdu yra parodoma, jog nuoseklaus jungimo sudtinio keturpolio Z- parametr matrica yra lygi nuosekliai sujungt k keturpoli atitinkam Zk ij - parametr matric sumai: 286

Z11 Z12 Z21 Z22

=

ZI 11 ZI 12 ZI 21 ZI 22 +

ZII 21 ZII 22 ZII 21 ZII 22 ,

(1.612)

kur gauta matric pavidalo israiska (1.612) galioja bet kokiam sudtin keturpol sudaranci nuosekliai sujungt tiesini keturpoli sveikam skaiciui k. 3. Kaskadinis jungimas- kai pirmojo ( I ) keturpolio isjimas ir antrojo ( II ) keturpolio jimas yra sujungti tarpusavi, kas yra parodyta 1.165 pav. II2 I UI 2 I II 1 UII 1 II I II 2 UII 2 U2 I2

II1 U1 UI 1 I1

1.165 pav. Pirmojo ( I ) ir antrojo ( II ) keturpoli kaskadinis jungimas Pritaik Kirchhofo taisykles 1.165 pav. parodytos grandins jimui ir isjimui bei tarpusavyje sujungt I ir II keturpoli isjimo-jimo grandinei gauname: I 1 I I 1, U1 UI 1, I I 2 I II 1, UI 2 UII 1, I 2 I II 2, U2 UII 2.

(1.613)

Is (1.613) seka: kaskadinio jungimo sudtinio keturpolio parametrus patogiausiai apraso lygci sistema (1.524), kuri savo ruoztu apraso A- parametr sistema || A ij ||. Todl kaskadinio jungimo sudtin keturpol sudaranci I ir II keturpoli parametrus isreiskiame per j A- parametrus: UI 1 = AI 11·UI 2 + AI 12·I I 2, I I 1 = AI 21·UI 2 + A I 22·I I 2, (1.614)

UII 1 = AII 11·UII 2 + AII 12·I II 2, I II 1 = AII 21·UII 2 + AII 22·I II 2, (1.615) kur indeksais ,,I ij" ir ,,II ij" yra pazymti atitinkamai I ir II keturpolio signal parametrai bei atitinkami A- parametr elementai. Is (1.613) (1.615) nesunkiai gauname kaskadinio jungimo sudtinio keturpolio Aparametr sistem (1.524), kuri yra isreiksta per sudtini I ir II keturpoli atitinkam AI- ir AII -parametr sistem atitinkamus narius AI ij ir AII ij : U1 = ( AI 11·AII 11 + AI 12·AII 21 )·U2 + ( AI 11·AII 12 + AI 12·AII 22 )·I 2, I 1 = ( AI 21·AII 11 + AI 22·AII 21 )·U2 + ( AI 21·AII 12 + AI 22·AII 22 )·I 2. 287

(1.616)

Is (1.616) matome: kaskadinio jungimo sudtinio keturpolio A- parametr matrica yra lygi kaskadiskai sujungt k keturpoli atitinkam Ak- parametr matric sandaugai: A11 A12 A21 A22 AI 11 AI 12 AI 21 AI 22 · AII 21 AII 22 AII 21 AII 22 ,

=

(1.617)

kur gauta matric pavidalo israiska (1.617) galioja bet kokiam sudtin keturpol sudaranci kaskadiskai sujungt tiesini keturpoli sveikam skaiciui k. 4. Nuosekliai-lygiagretus jungimas- kai pirmojo ( I ) ir antrojo ( II ) keturpoli jimai yra sujungti tarpusavi nuoseklia, o j isjimai- lygiagreciai, kas yra parodyta 1.166 pav. II1 UI 1 I1 U1 I II 1 UII 1 II I II 2 UII 2 I II2 UI 2 I2 U2

1.166 pav. Pirmojo ( I ) ir antrojo ( II ) keturpoli nuosekliai-lygiagretus jungimas Pritaik Kirchhofo taisykles 1.166 pav. parodytos grandins jimui ir isjimui gauname: I 1 I I 1 I II1, U1 UI 1 + UII 1, I 2 I I 2 + I II 2, U2 UI 2 UII 2.

(1.618)

Is (1.618) seka: nuosekliai-lygiagretaus jungimo sudtinio keturpolio parametrus patogiausiai apraso lygci sistema (1.522), kuri savo ruoztu apraso H- parametr sistema || H

ij

|| (1.536). Todl nuosekliai-lygiagretaus jungimo sudtin keturpol sudaranci I ir II

keturpoli parametrus isreiskiame per j H- parametrus: UI 1 = HI 11·I I 1 + HI 12·UI 2, I I 2 = HI 21·I I 1 + H I 22·UI 2, (1.619)

UII 1 = HII 11·I II 1 + HII 12·UII 2, I II 2 = HII 21·I II 1 + HII 22·UII 2, (1.620) kur indeksais ,,I ij" ir ,,II ij" yra pazymti atitinkamai I ir II keturpolio signal parametrai bei atitinkami H- parametr elementai. 288

Is (1.618) (1.620) nesunkiai gauname nuosekliai-lygiagretaus jungimo sudtinio keturpolio H- parametr sistem (1.522), kuri yra isreiksta per sudtini I ir II keturpoli atitinkam HI - ir HII -parametr sistem atitinkamus narius HI ij ir HII ij : U1 = ( HI 11 + HII 11 )·I 1 + ( HI 12 + HII 12 )·U2, U2 = ( HI 21 + HII 21 )·I 1 + ( HI 22 + HII 22 )·U2. Palygin gaut sistem (1.621) su (1.522) uzrasome nuosekliai-lygiagretaus jungimo sudtinio keturpolio H- parametr sistemos nari H

ij

(1.621)

srysio lygtys per sudtini I ir II

keturpoli atitinkam HI - ir HII -parametr sistem atitinkamus narius HI ij ir HII ij : H11 = HI 11 + HII 11, H21 = HI 21 + HII 21, H12 = HI 12 + HII 12, H22 = HI 22 + HII 22.

(1.622)

Is (1.622) matome: nuosekliai-lygiagretaus jungimo sudtinio keturpolio H- parametr matrica yra lygi nuosekliai-lygiagreciai sujungt k keturpoli atitinkam H- parametr matric sumai: H11 H12 H21 H22 HI 11 HI 12 HI 21 HI 22 + HII 21 HII 22 HII 21 HII 22 ,

=

(1.623)

kur gauta matric pavidalo israiska (1.623) galioja bet kokiam nuosekliai-lygiagretaus jungimo sudtin keturpol sudaranci nuosekliai-lygiagreciai sujungt tiesini keturpoli sveikam skaiciui k. 5. Lygiagreciai-nuoseklus jungimas- kai pirmojo ( I ) ir antrojo ( II ) keturpoli jimai yra sujungti tarpusavi lygiagreciai, o j isjimai- nuosekliai, kas yra parodyta 1.167 pav. II1 UI 1 I1 U1 I II 1 UII 1 II I II 2 UII 2 I II2 UI 2 I2 U2

1.167 pav. Pirmojo ( I ) ir antrojo ( II ) keturpoli lygiagreciai-nuoseklus jungimas

289

Pritaik Kirchhofo taisykles 1.167 pav. parodytos grandins jimui ir isjimui gauname: I 1 I I 1 + I II 1, U1 UI 1 UII 1, I 2 I I 2 I II 2, U2 UI 2 + UII 2.

(1.624)

Is (1.624) seka: lygiagreciai-nuoseklaus jungimo sudtinio keturpolio parametrus patogiausiai apraso lygci sistema (1.523), kuri savo ruoztu apraso G- parametr sistema || G ij ||. Todl lygiagreciai-nuoseklaus jungimo sudtin keturpol sudaranci I ir II keturpoli parametrus isreiskiame per j G- parametrus: UI 2 = G I 11·UI 1 + G I 12·I I 2, I I 1 = G I 21·UI 1 + G I 22·I I 2, (1.625)

UII 2 = G II 11·UII 1 + G II 12·I II 2, I II 1 = G II 21·UII 1 + G II 22·I II 2, (1.626) kur indeksais ,,I ij" ir ,,II ij" yra pazymti atitinkamai I ir II keturpolio signal parametrai bei atitinkami G- parametr elementai. Is (1.624) (1.626) nesunkiai gauname lygiagreciai-nuoseklaus jungimo sudtinio keturpolio G- parametr sistem (1.523), kuri yra isreiksta per sudtini I ir II keturpoli atitinkam G I - ir G II -parametr sistem atitinkamus narius G I ij ir G II ij : U2 = (G I 11 + G II 11 )·U1 + (G I 12 + G II 12 )·I 2, I 1 = (G I 21 + G II 21 )·U1 + (G I 22 + G II 22 )·I 2. Palygin gaut sistem (1.627) su (1.523) uzrasome lygiagreciai-nuoseklaus jungimo sudtinio keturpolio G- parametr sistemos nari G

ij

(1.627)

srysio lygtys per sudtini I ir II

keturpoli atitinkam G I - ir G II -parametr sistem atitinkamus narius G I ij ir G II ij : G 11 = G I 11 + G II 11, G 12 = G I 12 + G II 12, G 21 = G I 21 + G II 21, G 22 = G I 22 + G II 22. Is (1.628) matome: lygiagreciai-nuoseklaus jungimo sudtinio keturpolio Gparametr matrica yra lygi lygiagreciai-nuosekliai sujungt k keturpoli atitinkam G parametr matric sumai: G 11 G 12 G 21 G 22 G I 11 G I 12 G I 21 G I 22 + G II 21 G II 22 G II 21 G II 22 ,

k ij

(1.628)

-

=

(1.629)

kur gauta matric pavidalo israiska (1.629) galioja bet kokiam sudtin keturpol sudaranci lygiagreciai-nuosekliai sujungt tiesini keturpoli sveikam skaiciui k. 290

Cia btina pastebti, jog gautos israiskos (1.611), (1.622) ir (1.628) bei j atitikmenys matric pavidalu (1.612), (1.623) ir (1.629) yra teisingos tik tuo atveju, kai sudtin keturpol sudarantys tiesiniai keturpoliai tenkina reguliarumo slyg. Si slyga yra formuluojama taip: nuosekliai sujungt tiesini keturpoli jimuose arba ( ir ) isjimuose teka vienodos srovsI I 1 = I II 1, I I 2 = I II 2, kai bendru atveju I I 1 = I II 1 I I 2 = I II 2. Kitaip tariant taikom tiesini keturpoli vidin ekvivalentin grandin yra sudaryta taip, kad realiomis slygomis yra tenkinamos atitinkamos srovi lygybi israiskos (1.607), 1.618) ir (1.624). Sis reikalavimas ne visais atvejais yra ispildomas, nes pvz. keturpoliams, turintiems konduktyvj ( galvanin ) rys tarp jimo ir isjimo, esant nuosekliajam jungimui reguliarumo slyga gali bti netenkinama. Tai matyti is 1.168 pav. pateiktos nuoseklaus jungimo sudtinio keturpolio grandins, kurioje pirmasis ( I ) keturpolis turi T- pavidalo ekvivalentin schem (1.152 pav.), o antrasis ( II ) keturpolis- - pavidalo ekvivalentin schem (1.153 pav.). Is 1.168 pav. matome: kai antrojo keturpolio varziniai elementai ZII 1 ir ZII 3 yra lygs ( ZII 1 ZII 3 ), o sudtinio keturpolio isjimo gnybtai yra atviri ( I I 2 I 2 0 ), tai is Kirchhofo taisykli seka lygybs: I II 1 I II 2 I I 1 /2. Taigi matome, jog nuosekliai sujungtoms jimo ir isjimo grandinms nei pirmajam ( I ), nei antrajam ( II ) keturpoliams nra tenkinama reguliarumo slyga. Is cia seka, jog taikant sudtini keturpoli metod nuoseklaus jungimo atveju btina sitikinti parinkt tiesini keturpoli atitikim reguliarumo slygos atzvilgiu.

I1 UI 1

II1 ZI 1 ZI 2 I

II2 I2 0 UI 2

II3

ZI 3

U1 I II 1

I II 3 ZII 2

II

I II 2

U2

UII 1

ZII 1

I II 4

ZII 3

I II 5

UII 2

1.168 pav. Nuoseklaus jungimo sudtinio keturpolio grandin, kurioje pirmasis ( I ) keturpolis turi T- pavidalo ekvivalentin schem (1.152 pav.), o antrasis ( II ) keturpolis- - pavidalo ekvivalentin schem (1.153 pav.) ir siuo atveju nra tenkinama reguliarumo slyga

291

LITERATRA

1. Sze S. M., Ng Kwok K. Physics of Semiconductor Devices.- Wiley-Interscience, 2006, 815 p. 2. Sze S. M. Modern Semiconductor Device physics.- John Wiley & Sons, INC, 1997, 556 p. 3. Sze S. M. Semiconductor Devices. Physics and Technology.- John Wiley & Sons, INC, 2002, 564 p. 4. . ., . ., . . / . . . - .: , 1990, 576 ., . 5. . . / . . . . . .- .: . , 1973, 504 ., . 6. . / 2- / . . - 2- . . . - .: , 1984, 4562 ., . 7. / . . , . . , . . . / . . . . - .: . , 1973, 336 ., . 8. . . - , 1982, . 70, No 1, . 17-32. 9. . / . : , 1989, 264 ., . 10. - / . . . .: , 1972, 662 ., . 11. / . . . / . . . . . . - .: , 1979, 448 ., . 12. . . . / 2- ., . .- : i, 1975, 360 ., . 13. . . . / 3- ., . . - .: , 1973, 608 ., . 14. . . . / . . . - .: . , 1980, 424 ., . 15. . . . - .: , 1974, 256 ., . 16. ., . . / . . . . . . . . . - .: , 1982, 512 ., . 17. . ., . ., . . . - .: . , 1976, 304 ., . 292

18. ., . . . / . . . . . - .: . , 1977, 416 ., . 19. . ., . . . / . . . . . . - .: . , 1979, 232 ., . 20. Lasas A., Bartkevicius V., Jasinevicien G. ir kt. Pramonin elektronika. / 1 dalis: puslaidininkiniai prietaisai ir stiprintuvai. - Vilnius: Mokslas, 1988, 255 p., iliustr. 21. Lasas A., Bartkevicius V., Jasinevicien G. ir kt. Pramonin elektronika. / 2 dalis: impulsins bei skaitmenins schemos ir renginiai bei technologiniai taisai. - Vilnius: Mokslas, 1991, 256 p., iliustr. 22. Rimkus P. Radiotechnikos pagrindai. - Vilnius: Mintis, 1971, 220 p., iliustr. 23. Gersunskis B. S. Elektronikos pagrindai. / Vadovlis elektron. priet. gamyb. spec. technik. - V.: Mokslas, 1981, 324 p., iliustr. 24. Krivickas R., Jocys A. Grandini teorijos pagrindai. -Vilnius: Mokslas, 1980, 296 p., iliustr. 25. Stasinas V. Elektronikos pagrindai. - Siauliai: SU, 2002, 156 p., iliustr. 26. Staras S. Fizikin ir funkcin elektronika. / Mikrobang puslaidininkiniai prietaisai. / Paskait tekstas. - V.: Technika, 2000, 80 p., iliustr. 27. Staras S., Kirvaitis R. Mikroelektronikos pagrindai. - V.: Mokslo ir encikloped. leidykla, 1995, 292 p., iliustr. 28. Ibenskis E. Elektronika. / I d.: diskretieji elementai. - Kaunas: Technologija, 2005, 72 p., iliustr. 29. Kirvaitis R., Martavicius R. Analogin elektronika. - V.: VGTU, 2003, 336 p., iliustr. 30. Juodvirsis A., Mikalkevicius M., Vengrys S. Puslaidininki fizikos pagrindai.- V.: Mokslas, 1985, 352 p., iliustr.

293

TURINYS - nuorodos PRATARM ....................................................................................................... 2 1. PAGRINDINAI RADIOTECHNINI GRANDYN ELEMENTAI ........ 3

1.1 Pasyvieji ( tiesiniai ) elementai ............................................................................. 3 Varzos elementas R ( varzas, rezistorius ) ........................................................ 3 Induktyvumo elementas L ( indukcin ritel ) .................................................. 5 Talpos elementas C ( kondensatorius ) ............................................................. 7 tampos saltinis ................................................................................................ 9 Srovs saltinis ................................................................................................. 12 1.2 Netiesiniai ( aktyvieji ) elementai ....................................................................... 16 Diodas ( puslaidininkinis ) .............................................................................. 16 Fizikiniai veikos principai .................................................................. 18 Potencialinis barjeras .............................................................. 21 Barjerine talpa ......................................................................... 22 Difuzin talpa .......................................................................... 24 Ominiai kontaktai ....................................................... 24 1. Lyginantysis diodas .................................................................................... 25 Pagrindiniai parametrai ....................................................................... 26 Vienpus kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandin .............. 26 Dvipusiai kintamosios srovs ( tampos ) lyginimo grandynai ........... 30 2. Detektorinis diodas ..................................................................................... 33 Pagrindiniai parametrai ....................................................................... 33 Taskinis detektorinis diodas ................................................................ 34 3. Varikapas .................................................................................................... 34 Pagrindiniai parametrai ....................................................................... 35 4. Stabilitronas ............................................................................................... 37 Gritinis pramusimas ....................................................................... 38 Pastovinimo ( stabilizacijos ) tampa ...................................... 40 Tunelinis pramusimas ...................................................................... 41 Siluminis pramusimas ...................................................................... 43 Pagrindiniai parametrai ....................................................................... 45 tampos pastovinimo grandin su stabilitronu ....................... 45 5. Tunelinis diodas ......................................................................................... 48 Elektrini virpesi generatoriaus grandin su tuneliniu diodu ................................................................... 51 294

Pagrindiniai parametrai ....................................................................... 53 6. Sotkio diodas .............................................................................................. 55 "Karstj" elektron injekcija ............................................... 58 Pagrindiniai parametrai ....................................................................... 59 1.3 Aktyvieji elementai - tranzistoriai (tiesin veika) ............................................. 60 1.3.1 Dvipolis ( bipoliarinis) tranzistorius ................................................... 60 Srovi balanso lygtis .............................................................. 62 Bendros bazs schema (BB) ............................................................. 62 Eberso-Molo ekvivalentine schema ........................................ 62 Eberso-Molo lygtys ................................................................. 64 Bendro emiterio schema (BE) .......................................................... 71 Eberso-Molo ekvivalentine schema ........................................ 71 Erlio efektas ( Erlio tampa UE ) .............................................. 75 Bendro kolektoriaus schema (BK) ................................................... 80 Emiterinis kartotuvas (EK) ..................................................... 87 1.3.1.1 Dvipolio tranzistoriaus fizikiniai veikos principai .................. 88 Pagrindin dvipolio tranzistoriaus veikimo slyga ................. 93 Tolydumo lygtis ........................................................... 95 Erlio efektas .............................................................. 100 Parametr priklausomybs nuo daznio ............................. 100 Bendros bazs schemoje (BB) ................................ 100 Difuzinis tranzistorius ............................................... 105 Dreifinis tranzistorius ............................................... 105 Bendro emiterio schemoje (BE).............................. 109 Dvipolio tranzistoriaus pagrindiniai parametrai .............................. 113 1.3.2 Vienpolis ( unipoliarinis, lauko ) tranzistorius ................................ 115 Bendros uztros schema (BU) ....................................................... 117 Bendros istakos schema (BI) .......................................................... 126 Bendros santakos schema (BS) ...................................................... 134 terpto n- arba p- kanalo MOP tranzistorius ................... 139 Indukuoto n- arba p- kanalo MOP tranzistorius ............. 140 1.3.2.1 Vienpolio tranzistoriaus fizikiniai veikos principai .............. 141 Atidarytasis sandrinis n- kanalo lauko tranzistorius .... 142 Uzdarytasis sandrinis n- kanalo lauko tranzistorius ..... 147 terpto (indukuoto) n- (p-) kanalo MOP tranzistoriai ..... 147 Indukuoto n- arba p- kanalo MOP tranzistorius ............. 149 295

Puslaidininkio pavirsiaus fizika ................................ 150 Indukuoto kanalo MOP tranzistorius ...................... 157 Sotkio lauko tranzistorius .................................................. 161 Vienpolio tranzistoriaus daznins charakteristikos ..................... 162 Vienpolio tranzistoriaus pagrindiniai parametrai ............................. 173

2. DVIPOLI IR VIENPOLI TRANZISTORI PAGRINDINI ELEKTRINI SAVYBI GERINIMO BDAI .......................................... 173

2.1. vairs dvipoli tranzistori dariniai ............................................................ 174 Dreifinis tranzistorius su dviej sluoksni baze ...................................... 175 Dreifinis tranzistorius su vairiatarpe emiterio p-n sandra .................. 177 Salutini krvinink pernasos per baz bdai .................................. 179 Varizoniniai dreifiniai tranzistoriai .......................................................... 184 2.2. vairs vienpoli ( lauko) tranzistori dariniai ............................................. 185 Vertikalios struktros ("V" pavidalo) planarusis lauko tranzistorius .. 186 Selektyviai terpto arba indukuoto n- kanalo sandrinis Sotkio lauko tranzistorius .......................................................................... 187 IGBT ............................................................................................................. 192 2.3. Tranzistori triuksm fizika ........................................................................... 194 1. Siluminis triuksmas ("baltasis triuksmas") .............................................. 194 2. Sratinis triuksmas .................................................................................... 195 Sotkio formul sratiniam triuksmui .................................................. 196 3. Rekombinacinis triuksmas (generacinis-rekombinacinis triuksmas) ...... 196 4. Zemadaznis triuksmas ("1/f triuksmas") ................................................. 198 Triuksmo ekvivalentai ....................................................................... 200 Triuksmo varza ................................................................... 200 Triuksmo laidumas ............................................................. 200 Triuksmo temperatra . ...................................................... 201 Etaloninis triuksm generatorius ................................... 201 Lygiavert vakuuminio diodo soties srov ........................ 202 Triuksmo koeficientas ........................................................ 202 Lygiaverciai (ekvivalentiniai) tampos arba srovs triuksm generatoriai ..................................................................... 204 2.3.1 Dvipolio tranzistoriaus triuksmai .......................................................... 206 2.3.2 Vienpolio ( lauko) tranzistoriaus triuksmai .......................................... 215

296

3. PUSLAIDININKINI TAIS TEORINIO MODELIAVIMO BDAI ..................................................................................... 222

3.1. Soklio sesi fundamentali lygci sistema ..................................................... 222 Mazo ir didelio jimo signalo slygos ..................... 227 Puslaidininkinio taiso matematinis modelis .................................... 228 1. Tiesioginis Soklio lygci sistemos sprendimas ............... 228 2. Baigtini skirtum metodas ("tinklelio" metodas) ........ 231 3. Linvilo metodas ( Linvilo modelis ) ................................. 236 Linvilo "elementai" .................................................. 236 4. Paskirstytos RC- grandins modelis ............................... 239 5. Apytiksliai Soklio lygci sistemos sprendimo bdai ( kvazistatinio artinio metodas )................................. 240 5.1. Krvio metodas ........................................................ 240 5.2. Nykstamai maz trikdzi metodas ......................... 242 Viena is pagrindini nykstamai maz trikdzi metodo prielaid ....................................................... 242 simintini p-n sandros ( diodo ) ir dvipolio tranzistoriaus teorini skaiciavim rezultatai ......................................... 243 3.2. Fizikins ekvivalentins ( lygiaverts ) schemos metodas ............................. 252 Mazo ( didelio ) jimo signalo slygos atvejis ................. 252 3.2.1. Keturpoli metodas ( tiesiniai keturpoliai ) ............................................ 253 1. Tuscios eigos parametr sistema ( Z- parametrai ) ................... 254 2. Uztrumpintos eigos ( trumpojo jungimo ) parametr sistema ( Y- parametrai ) ............................................................................ 254 3. Misrioji ( hibridin ) parametr sistema ( H- parametrai ) ....... 255 4. Galios sklaidos parametr sistema ( Sp - parametrai ) .............. 256 5. tampos sklaidos parametr sistema ( Su - parametrai ) ........... 259 3.2.2. Puslaidininkinio taiso ekvivalentin ( lygiavert ) schem .................. 263 1. Pasyviosios ekvivalentins grandins ........................................ 264 1.1. T- pavidalo ekvivalentin schema ....................................... 264 1.2. - pavidalo ekvivalentin schema ....................................... 265 2. Aktyviosios ekvivalentins grandins ........................................ 266 3.2.3. Puslaidininkini tais fizikins ekvivalentins schemos ..................... 268 Paskirstyt parametr RC- grandins ....................................... 269 3.2.4. Netiesiniai keturpoliai ............................................................................ 272 Mazo jimo signalo slyga .............................................. 272 297

1. Diferencialiniai h- parametrai ................................................... 274 2. Grafins analizs metodas ......................................................... 275 Diferencialins z- ir y- parametr sistemos ............................... 279 3.2.5. Puslaidininkinio taiso fizikins ekvivalentins schemos element srysis su atitinkamo keturpolio parametr sistemos nariais .............. 279 Parazitini parametr taka ........................................................ 281 3.3. Sudtini keturpoli metodas ......................................................................... 283 1. Lygiagretusis jungimas ...................................................................... 283 2. Nuoseklusis jungimas ......................................................................... 285 3. Kaskadinis jungimas .......................................................................... 287 4. Nuosekliai-lygiagretus jungimas ....................................................... 288 5. Lygiagreciai-nuoseklus jungimas ..................................................... 289 Reguliarumo slyga .................................................................. 291

LITERATRA ............................................................................................................... 292

298

Information

Vilniaus universitetas

298 pages

Find more like this

Report File (DMCA)

Our content is added by our users. We aim to remove reported files within 1 working day. Please use this link to notify us:

Report this file as copyright or inappropriate

741446

You might also be interested in

BETA
Vilniaus universitetas