Что может произойти при очень тонкой базе

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Рис. 3.1. Структура и условные обозначения

Из структуры транзистора следует, что это комбинация из двух встречно включенных диодов.

Однако при изготовлении транзисторов базу делают очень тонкой, чтобы попавшие в нее носители успели пройти ее без рекомбинации. Это обеспечивает возможность усиления транзистором мощности электрических сигналов, то есть мощность, снимаемая с выходной цепи, будет больше мощности, подаваемой во входную цепь. Транзистор не является симметричной структурой, так как площадь коллекторного перехода делается больше площади эмиттерного и степень легирования у соответствующих слоев полупроводника различна.

Для обеспечения работы транзистора необходимы источники питания входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой из его электродов соединен с общей точкой источников, возможны три основные схемы включения транзистора (рис. 3.2). Они называются: схема с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Параметры и усилительные свойства транзистора оказываются определенным образом связанными со схемой его включения.

Рис. 3.2. Схемы включения n-p-n транзистора.

При использовании транзисторов противоположного типа проводимости полярность источников питания должна быть изменена на противоположную.

Если рассматривать n-p-n-транзистор, то в отсутствии внешних электрических полей (рис. 3.3) установится динамическое равновесие между дрейфовыми и диффузионными токами, протекающими через оба p-n перехода.

Рис.3.3. n-p-n-транзистор в отсутствии внешних

Так как у транзистора три вывода, то один из них может считаться общим (например, база) и относительно него подаются напряжения на другие электроды. При этом полярность напряжений можно выбирать произвольно, например, так как показано в таблице.

Рис.3.4. Распределение токов в транзисторе при

открытом эмиттерном и запертом коллекторном переходах.

Через эмиттерный переход потечет ток . Хотя дырки и электроны движутся в разные стороны, но из-за того, что их заряды имеют противоположные знаки, направление токов будет одинаковым, как показано на рисунке. Дырочная составляющая замыкается через источник , а электронная попав в область базы, вызывает установление неравновесной концентрация электронов по ее длине. Их больше у эмиттерного перехода, где происходит процесс инжекции, и практически нет у коллекторного.

Под действием этой разности концентраций возникает диффузионное движение электронов (неосновных носителей) к коллекторному переходу. Попав в область действия его поля, они втянутся им, и будут далее дрейфовать в сторону коллекторного вывода. Через запертый p-n-переход потечет электрический ток, который может достигать больших значений.

В p-n-переходе при обратном напряжении через него течет некоторый ток (обратный). Он обусловлен перемещением неосновных носителей, которых очень мало, поэтому и ток мал. Но в транзисторе эмиттер вводит (инжектирует) неосновные носители в область базы. То их количество, которое дойдет до коллекторного перехода, и будет формировать коллекторный ток . Так как часть из инжектированных электронов успеет рекомбинировать с дырками в базе, то .

Коллекторный ток станет равным нулю, когда все введенные в базу носители успеют рекомбинировать, либо если прекратить инжекцию. Однако, из-за наличия собственных неосновных носителей в слоях базы и коллектора и под действием запирающего напряжения на этом переходе, через него потечет обратный ток . Он так же, как и обратный ток диодов, сильно зависит от температуры и поэтому иногда называется тепловым.

Эмиттерный ток определяется величиной напряжения источника , которое (поскольку соответствующий переход открыт), имеет порядок долей вольта. На управление эмиттерным током при этом затрачивается мощность . Если весь поток электронов, инжектированный в базу, достигает коллектора, то мощность, выделяемая в выходной цепи, будет равна . Так как коллекторный переход закрыт, то , а значит и . То есть, затратив некоторую мощность во входной цепи, можно управлять мощностью в выходной цепи значительно большей, чем на входе. Таким образом, транзистор обеспечивает усиление сигнала по мощности. Выходная мощность не увеличивается сама по себе, она потребляется от источника питания, а транзистор этим процессом лишь управляет.

Усиление по мощности будет тем больше, чем ближе значения токов и. Их отношение обозначается буквой и называется коэффициентом передачи эмиттерного тока. Чем ближе к единице, тем, усилительные свойства транзистора лучше. Чтобы этого добиться, ток инжекции дырок из базы и ток рекомбинации электронов должны быть близки к нулю. Это возможно, если концентрация дырок в базе много меньше, чем концентрация электронов в эмиттере и если база имеет малую толщину. Последнее условие необходимо для того, чтобы инжектированные носители успевали диффундировать к коллектору без рекомбинации. Поэтому создать транзистор, соединив два диода невозможно.

Отношение электронной составляющей тока эмиттера к полному току называется коэффициентом инжекции

,

а отношение тока коллектора к электронной составляющей эмиттерного тока – коэффициентом переноса . Так как то, умножив числитель и знаменатель на , получим .

Обычно суммарный ток инжекции дырок и рекомбинации называют базовым током . Тогда уравнение токов для транзистора при рассматриваемой схеме включения может быть записано в виде . Полный ток коллектора с учетом обратного представляется следующим образом: .

Полярность напряжений источников питания, для которой рассматривалась работа транзистора, соответствует его функционированию в активном режиме, при этом ток коллектора меняется пропорционально изменениям .

Рис.3.5. Распределение токов в транзисторе при

открытом эмиттерном и коллекторном переходах.

Если полярность коллекторной источника изменить (рис. 3.5), то коллекторный переход откроется, начнется встречная инжекция электронов в базу и никаких диффузионных процессов происходить не будет. В этом случае коллекторный и эмиттерный токи перестанут зависеть друг от друга. Они будут определяться только величинами напряжений источников питания.

Рис.3.6. Распределение токов в транзисторе при

закрытом эмиттерном и коллекторном переходах.

Если на оба перехода подать запирающее напряжение (рис. 3.6), то транзистор перейдет в режим отсечки, через оба перехода потекут неуправляемые обратные токи очень малой величины, и транзистор не будет обладать усилительными свойствами.

Рис.3.7. Инверсное включение транзистора

Включение транзистора, при котором эмиттерный переход заперт, а коллекторный открыт, называется инверсным (рис. 3.7). Эта ситуация аналогична первому варианту включения, только коллектор будет выполнять функции эмиттера, а эмиттер – функции коллектора. Процессы, которые при этом происходят, аналогичны процессам для активного режима транзистора, то есть .

Однако так как реальный транзистор не является симметричной структурой, то всегда меньше . Одна из причин этого состоит в том, что площадь коллектора (собирающего перехода) делается больше площади эмиттерного, а степень его легирования меньше, чем у эмиттерного слоя. Структура реального транзистора может быть представлена следующим образом.

Аналогичные рассуждения справедливы и для транзистора p-n-p типа, необходимо только учитывать противоположные типы носителей и поменять полярность источников питания.

Параметры реальных транзисторов определенным образом зависят от режимов работы. В частности коэффициент передачи коллекторного тока a меняется при изменении эмиттерного тока как показано на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Зависимость коэффициента передачи

от эмиттерного тока транзистора в схеме с общей базой.

Дело в том, что при малых токах эмиттера разность концентраций электронов в областях эмиттерного и коллекторного переходов невелика. При этом интенсивность процесса диффузии носителей мала и большинство электронов успевают рекомбинировать с дырками в области базы, вследствие чего ток коллектора будет много меньше эмиттерного. При больших токах уменьшается коэффициент инжекции g, так как концентрация свободных носителей у эмиттерного перехода становится очень большой. Кроме этого возрастают потери на рекомбинацию и начинает проявляться эффект вытеснения эмиттерного тока, который можно пояснить на примере транзистора плоской (планарной) конструкции следующим образом (рис. 3.9).

Рис.3.9. Эффект вытеснения эмиттерного тока транзистора.

При больших токах эмиттера и базы, из-за падения напряжения на ее области, потенциал эмиттерного слоя близкого к центру окажется более положительным. Это приведет к снижению инжекции соответствующей области эмиттера и уменьшению коллекторного тока. В удаленном от базы крае эмиттера такой эффект проявляется слабее, то есть центр области эмиттера как бы экранируется краями. Для борьбы с данным явлением увеличивают длину (периметр) эмиттера, выполняя его в виде гребенки, змейки и т.п.

Коэффициент передачи коллекторного тока a зависит и от напряжения коллектор-база, возрастая с его увеличением. График этой зависимости (рис. 3.10) соответствует графику связи тока коллектора от Е_БК и имеет следующий вид.

Рис. 3.10. Зависимость коэффициента передачи

коллекторного тока от напряжения коллектор – база.

Основной причина такой зависимости является модуляция толщины базы (эффект Эрли). Так как коллекторный переход заперт, то область, обедненная свободными носителями, занимает в базе некоторое пространство (рис.3.11). Свободных носителей там нет и, соответственно будет отсутствовать рекомбинация инжектированных эмиттером электронов. С ростом напряжения Е_БК, будет возрастать область (ширина) коллекторно-базового p-n перехода и, следовательно, начнет сужаться область базы. При этом из-за снижения вероятности рекомбинации уменьшается ток , возрастает ток коллектора а, следовательно, и a.

Рис.3.11. Эффект модуляции толщины базы транзистора.

Вследствие конечной скорости носителей, инжектированные эмиттером, электроны достигнут коллектора, через некоторое время.

Рис.3.12. Зависимость тока коллектора

от времени при импульсном воздействии.

При подаче на эмиттерный переход запирающего напряжения, накопленные в базе неосновные носители в течение некоторого времени будут выводиться из нее (рассасываться). На этом интервале они продолжат втягиваться полем источника Е_БК в коллекторную область, вызывая протекание коллекторного тока (рис.3.12) Таким образом, при резком изменении эмиттерного тока, изменения эмиттерного будут запаздывать.

Если импульс эмиттерного напряжения очень короткий, то часть электронов инжектированных им, окажется перехваченной полем запертого (в момент окончания импульса) эмиттерного перехода и импульс коллекторного тока станет меньше, следовательно, станет меньше и коэффициент его передачи a.

Рис.3.13. Зависимость a от частоты.

Чем короче импульсы и выше частота их следования, тем сильнее будет проявляться данный эффект. Поэтому зависимость a от частоты всегда имеет падающий характер (рис.3.13). Частота, на которой a падает в √2 раз, называется предельной частотой усиления в схеме с общей базой и обозначается ƒ_a. В качестве частотных параметров транзистора используются также – граничная частота (на ней a становится равной 0,5) и – предельная частота генерации. При достижении этой частоты коэффициент усиления транзистора по мощности падает до единицы и транзистор теряет свои усилительные свойства.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Биполярный транзистор

1. Основные сведения

Биполярным транзистором называется трехэлектродный усилительный полупроводниковый прибор, имеющий трехслойную p-n-p, либо n-p-n структуру с двумя взаимодействующими (ключевое слово) p-n переходами.

Рис. 1. Упрощенный вид внутреннего устройства биполярного транзистора p-n-p структуры.

На рис. 1 показан упрощенный вид внутренней структуры объемного маломощного биполярного p-n-p транзистора. Крайнюю слева р + область называют эмиттером. Промежуточная n область называется базой. Крайняя p область справа – коллектор. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным.

Расстояние между обедненными зонами называется эффективной толщиной базы «W».

Для того, чтобы уменьшить интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе, необходимо выполнить условие , то есть физическая толщина базы должна быть меньше диффузионной длины. Это означает автоматическое выполнение условия , что обуславливает взаимодействие переходов.

Эмиттер предназначен для инжекции дырок в базу. Область эмиттера имеет небольшие размеры, но большую степень легирования – концентрация акцепторной примеси N_A в эмиттере кремниевого транзистора достигает

10 17 – 10 18 ат/см 3 (этот факт обозначен символом р + ). Область базы легирована нормально – концентрация донорной примеси N_D в ней составляет

Теперь выделим еще раз особенности структуры, которые обеспечивают хорошие усилительные свойства транзистора, уменьшая интенсивность процессов рекомбинации:

односторонняя диффузия (несимметичный эмиттерный переход)

Область коллектора имеет наибольшие размеры, поскольку в его функцию входит экстракция носителей, диффундировавших через базу. Кроме того, на коллекторе рассеивается большая мощность, что требует эффективного отвода тепла.

Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Биполярные транзисторы являются усилительными приборами и, поэтому, применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десятков гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте:

низкочастотные­ не более 3 МГц;

высокочастотные- от 30 МГц до 300 МГц;

По мощ­ности выделяют следующем образом:

В настоящее время парк биполярных транзисторов очень разнообразен. Сюда входят как обычные транзисторы, которые работают в самых различных аналоговых, импульсных и цифровых устройствах, так и специальные, например, лавинные тран­зисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносе­кундного диапазона. Следует упомянуть многоэмиттерные, а также составные биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.

2. Принцип действия

Рассмотрим активный режим работы транзистора, когда эмиттерный переход открыт прямым смещением U_эб, а коллекторный закрыт обратным смещением U_кб. Для этого воспользуемся одномерной моделью транзистора, которая показана на рис. 2. Модель характерна тем, что все физические величины зависят только от продольной координаты, поперечные же размеры бесконечны. Стрелками на рисунке обозначены положительные направления токов (от «+» к «–»), дырки обозначены открытыми, а электроны – закрытыми кружками. Сокращения: ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход.

Рис. 2. Иллюстрация принципа действия биполярного транзистора p-n-p структуры.

Теперь замкнем ключ «К». Потенциальный барьер понижается вследствие частичной компенсации внутреннего электрического поля встречно направленным внешним электрическим полем источника U_эб. Начинается процесс диффузии, вследствие огромного градиента концентраций дырок между эмиттером и базой. Дырки диффундируют или инжектируются из эмиттера в базу, где меняют статус – становятся неосновными. Для неосновных носителей нет потенциального барьера, другими словами, диффундируя через базу в направлении коллекторного перехода, они попадают во втягивающее поле коллекторного перехода и экстрагируются в область коллектора. В цепи коллектора эти дырки создают дрейфовый ток, пропорциональный току эмиттера:

(2.1)

Условные обозначения биполярного транзистора на схеме, показаны на рис. 3.1, а показано условное графическое обозначение биполярного транзистора по ГОСТ для формата листа А4. Стрелка на выводе эмиттера всегда направлена от «p» к «n», то есть указывает направление прямого тока открытого перехода. Кружок обозначает корпус дискретного транзистора. Для транзисторов в составе интегральных схем он не изображается. На рис. 3.1, б и в показаны структуры p-n-p и n-p-n соответственно. Принцип действия транзисторов обеих структур одинаков, а полярности напряжений между их электродами разные. Поскольку в транзисторе два перехода (эмиттерный и коллекторный) и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора.

Активный режим, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Активный режим работы является основным и используется в усилительных схемах.

Режим насыщения— оба перехода открыты.

Режим отсечки— оба перехода закрыты.

В большинстве транзисторных схем транзистор рассматривается как четырехполюсник. Поэтому для такого включения один из выводов транзистора должен быть общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора, которые показаны на рис. 3.2: а) с общей базой (ОБ), б) общим эмиттером (ОЭ) и в) общим коллектором (ОК). На рисунке указаны положительные направления токов, а полярности напряжений соответствуют активному режиму работы.

Рис. 3.2. Схемы включения транзистора слева направо: схема с ОБ, ОЭ и ОК.

В схеме ОБ входную цепь является цепь эмиттера, а выходной – цепь коллектора. Эта схема наиболее проста для анализа, поскольку напряжение U_эб прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение U_кб – к коллекторному, причем источники имеют разные знаки.

В схеме ОК входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь эмиттера.

4. Статические вольт-амперные характеристики

(4.1)

Обычно соотношения (4.1) представляют в виде функций одного аргумента. Для этого второй аргумент, называемый параметром характеристики, фиксируют. В основном, используют два типа характеристик транзистора:

(4.2)

(4.3)

Следует отметить, что общепринято представление вольт-амперной характеристики как функции тока от напряжения, поэтому входная характеристика используется в виде обратной функции

(4.4)

Статические характеристики транзистора могут задаваться аналитическими выражениями, но в большинстве случаев их представляют графически в виде семейства характеристик, которые и приводятся в справочниках.

4.1. Статические характеристики в схеме с ОБ

В схеме с ОБ (рис. 3.2.а) входным током является ток эмиттера I_э, а выходным – ток коллектора I_к, соответственно, входным напряжением является напряжение U_эб, а выходным – напряжение U_кб.

Входная характеристика в схеме ОБ представлена зависимостью

(4.5)

которая, в свою очередь, является прямой ветвью вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода. Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, а. Зависимость I_э от U_кб как от параметра связана с эффектом Эрли: увеличение обратного смещения коллекторного перехода U_кб уменьшает эффективную толщину базы W, что приводит к некоторому росту I_э. Это проявляется в смещении входной характеристики в сторону меньших значений . Режиму отсечки формально соответствует обратное напряжение U_эб> 0, хотя реально эмиттерный переход остается закрытым () и при прямых напряжениях .

Выходная характеристика транзистора в схеме ОБ представляет собой зависимость

(4.6)

Семейство выходных характеристик n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, б. Форма кривых в активной области соответствует форме обратной ветви вольт-амперной характеристики коллекторного перехода.

Рис. 4.1. Семейства входных (а) и выходных (б) характеристик биполярного транзистора в схеме с ОБ.

Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид

(4.7)

Отсюда следует, что ток коллектора определяется только током эмиттера и не зависит от напряжения U_кб, т.е. характеристики в активном режиме расположены параллельно оси абсцисс. На практике же при увеличении U_кб имеет место небольшой рост I_к, связанный с эффектом Эрли, характеристики приобретают очень незначительный наклон. Кроме того, в активном режиме характеристики практически эквидистантны (расположены на одинаковом расстоянии друг от друга), и лишь при очень больших токах эмиттера из-за уменьшения α кривые несколько приближаются друг к другу.

При I_э = 0 транзистор находится в режиме отсечки и в цепи коллектора протекает только неуправляемый тепловой ток (I_к = I_кб0).

В режиме насыщения на коллекторном переходе появляется открывающее его прямое напряжение U_кб, большее порогового значения U_{кб пор}, и возникает прямой диффузионный ток навстречу нормальному управляемому току I_к. Этот ток называют инверсным. Инверсный ток резко увеличивается с ростом , в результате чего I_к очень быстро уменьшается и, затем, меняет знак.

4.2. Статические характеристики в схеме с ОЭ

В схеме с ОЭ (рис. 3.2, б) входным током является ток базы I_б, а выходным – ток коллектора I_к. Соответственно, входным напряжением является напряжение U_бэ, а выходным – U_кэ.

Рис. 4.2. Семейства входных (а) и выходных характеристик (б) биполярного транзистора в схеме с ОЭ.

Входная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

(4.8)

что, как и в схеме с ОБ, соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода.

Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.2, а. Зависимость тока базы I_б от напряжения на коллекторе U_кэ, как и в предыдущем случае, обусловлена эффектом Эрли. Уменьшение эффективной ширины базы W с ростом U_кэ приводит к уменьшению тока рекомбинации, а, следовательно, тока базы в целом. В результате, характеристики смещаются в сторону больших значений U_бэ. Следует отметить, что I_б = 0 при некотором значении U_пор> 0, когда рекомбинационный ток (1-α)I_э становится равным тепловому току I_кэ0. При U_бэ 0. В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, т.е. I_к становится неуправляемым и не зависит от тока базы.

Источник