WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
Этот файл загружен с сайта кафедры ФОЭТ http://foet.miem.edu.ru Обо всех обнаруженных неточностях и опечатках просьба сообщать на e-mail serj@foet.miem.edu.ru PDF-версия от 8 апреля 2008 г.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский государственный институт электроники и математики (технический университет) А.П. Лысенко БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Утверждено Редакционно-издательским советом института в качестве Учебного пособия Москва – 2006 2 УДК Рецензенты: канд. техн. наук Н.А. Чарыков (Московский энергетический институт);

канд. техн. наук В.Ф. Попов (МВТУ им Н.Э. Баумана) Лысенко А.П.

Статический коэффициент передачи тока базы транзистора и его зависимость от режима и температуры. Учебное пособие – Московский государственный институт электроники и математики. М., 5005. – 29 с.

ISBN Рассматриваются процессы в различных областях транзисторной структуры, определяющие теория статический коэффициент передачи тока базы транзистора и его зависимость от режима и температуры.

Для студентов и аспирантов, обучающихся по специальности 200100 «Микроэлектроника и твердотельная электроника» 3 Содержание 1 Определение и конструкция 1.2 Схемы включения 1.3 Усиление по мощности электрических сигналов транзистором, включенным по схеме с ОБ 1.4 Работа транзисторов в схеме с общим эмиттером (ОЭ) 1.5 Статические характеристики транзистора 2. Статический коэффициент передачи тока базы транзистора и его зависимость от режима и температуры 2.1. Основные теоретические положения 2.1.1. Рекомбинационные потери в активной базе 2.1.2. Распределение неосновных носителей заряда по координате в активной базе транзистора при произвольном распределении примеси 2.1.3. Время пролета неосновных носителей заряда через активную базу 2.1.4. Рекомбинационные потери в пассивной базе 2.1.5 Рекомбинационные потери в эмиттере 2.1.5.1. Рекомбинационные потери в толстом эмиттере 2.1.5.2. Рекомбинационные потери в тонком эмиттере 2.1.6. Рекомбинационные потери в слое объемного заряда эмиттерного перехода 2.1.7. Рекомбинационные потери на поверхности 2.2. Зависимость коэффициента передачи тока базы от режима и температуры 3. Дифференциальный коэффициент передачи тока базы транзистора 4. Дифференциальный коэффициент передачи тока на высокой частоте 5. Эффекты в биполярных транзисторах при больших плотностях тока 5.1. Эффект Кирка 5.2. Эффект оттеснения эмиттерного тока к краю эмиттерного перехода 6. Параметры транзисторов, работающих в ключевом режиме 7. Обратный ток коллектора Литература:

1. Определение и конструкция Биполярные транзисторы являются основными полупроводниковыми приборами современной твердотельной электроники. В настоящее время они занимают первое место по выпуску и использованию в аппаратуре. Выпускаются транзисторы на диапазон рабочих токов от единиц микроампер до сотен ампер, по напряжению - от единиц вольт до двух киловольт, по частоте - от постоянного тока до ГГц.

Биполярный транзистор – прибор, состоящий из двух взаимодействующих p-n-переходов. Существует три большие области использования транзисторов, в связи с чем их можно разделить на три группы: усилительные - для усиления электрического сигнала по мощности; переключательные - для работы в ключевых схемах;

генераторные - для генерации электрической мощности. В зависимости от назначения транзисторы работают в соответствующих режимах и характеризуются специальными параметрами и конструктивными особенностями.

Б Э К + n p + ПБ p ПБ p АБ + p Рис.1. Вариант конструкции биполярного транзистора Тем не менее, структура всех разновидностей транзисторов остается одной и той же, и они характеризуются одним и тем же набором основных параметров. Один из вариантов конструкции транзистора приведен на рис.1.

Взаимодействие эмиттерного и коллекторного p-n-переходов осуществляется через базу, толщина которой (WБ) должна быть много меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда (дырок в рассматриваемом примере). Часть базы, находящаяся непосредственно под эмиттером, называется активной базой (АБ), остальная часть – пассивной базой (ПБ).

1.1. Схемы включения Транзистор может быть включен по схемам с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). При этом один из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепи.

Входная цепь – цепь источника сигнала, выходная – цепь нагрузки, в которой выделяется усиленная мощность.

1.2. Режимы работы Различают следующие режимы работы транзистора:

• активный (или усилительный) режим имеет место, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный - закрыт;

• режим отсечки – когда оба перехода закрыты;

• режим насыщения – когда оба перехода открыты;

• инверсный режим – когда эмиттерный переход закрыт, а коллекторный – открыт.

В активном режиме транзистор работает как линейный (в первом приближении) усилитель малого переменного сигнала.

Если же транзистор используется как электронный ключ, запертому состоянию ключа соответствует режим отсечки, а открытому состоянию – режим насыщения.

1.3. Усиление по мощности электрических сигналов транзистором, включенным по схеме с ОБ Вариант усилительного каскада, собранного по схеме с ОБ, приведен на рис.2. Транзистор может усиливать по мощности электрические сигналы постоянного и переменного тока. Для простоты анализа проследим, как происходит усиление сигнала постоянного тока. Для этого на рис. 2 будем полагать величину переменного сигнала Vвх~ = 0. А меняться будет только величина смещения ЕЭ во входной цепи (это и будет входное напряжение). Выходным током при этом является ток эмиттера JЭ.



Выходным напряжением является напряжение на нагрузке Vн, а выходным током – ток коллектора JК. В таком случае мощность входного сигнала Pвх =JЭЕЭ, а мощность выходного сигнала Pвых = JК Vн.

Vвых Rн EК Vвх VК EЭ Рис.2. Схема включения биполярного транзистора с ОБ Усиление по мощности можно характеризовать коэффициентом усиления Pвых JК Vн KP = =. (1) Pвх JЭ EЭ Видно, что коэффициент усиления по мощности можно представить в виде произведения коэффициентов усиления по току КJ и по напряжению КV:

KP = KJ KV ;

J K KJ = ; (2) JЭ Vн KV =.

EЭ В технической литературе коэффициент усиления по току КJ принято называть коэффициентом передачи токa, который для схемы с ОБ обозначается (или h21Б) и является одним из основных параметров транзистора. Коэффициент передачи тока очень мало отличается от 1 в меньшую сторону и составляет для современных приборов (0.950.999).

Рассмотрим подробнее, как осуществляется передача тока от эмиттера к коллектору и за счет чего обеспечивается почти стопроцентная передача тока.

На рис.3 приведен фрагмент транзисторной структуры (в активном режиме) и ее энергетическая диаграмма. Входное напряжение, падая на эмиттерном p+-n-переходе, снижает потенциальный барьер для основных носителей, обеспечивая инжекцию дырок в базу транзистора. Встречная инжекция электронов из базы в эмиттер из-за резкой асимметрии эмиттерного перехода (область эмиттера легирована намного сильнее области базы) очень мала.

Если база легирована однородно (бездрейфовый транзистор), то дырки в базе перемещаются только вследствие диффузии, т.е. хаотического теплового движения, для которого нет избранных направлений в пространстве. Дырки в базе – неосновные носители и в течение времени жизни p они могут диффундировать в любом направлении в среднем на диффузионную длину Lp. Поскольку толщина активной базы WБ много меньше Lp, то дырки в своем движении обязательно подтекают либо к эмиттерному, либо к коллекторному переходам. Полем переходов эти дырки выбрасываются из базы либо в коллектор, либо в эмиттер. Та часть дырок, которая возвращается в эмиттер, не дает вклада ни в ток эмиттера, Рис.3. Биполярный транзистор р-п-р-типа и его зонная диаграмма при активном режиме ни, тем более, в ток коллектора. Те же дырки, что собрались коллекторным переходом, обеспечивают вклад и в ток эмиттера, и в ток коллектора.

В процессе перемещения носителей от вывода эмиттера до вывода коллектора часть дырок рекомбинирует с электронами, поступающими в основном из базового вывода транзисторов (см. рис.3).

При этом можно выделить пять областей в транзисторе (см. рис.1), где возможны потери дырок на рекомбинацию: 1 – потери в активной базе, 2 – потери в пассивной базе (за счет инжекции дырок через боковые части эмиттерного перехода), 3 – потери в эмиттерной области за счет встречной инжекции электронов в эмиттер и последующей рекомбинации этих электронов с дырками, 4 – рекомбинационные потери в объемном заряде эмиттерного перехода (этот процесс особенно существенен при малых смещениях на эмиттерном переходе), 5 – рекомбинационные потери на поверхностных участках пассивной базы и в области выхода на поверхность кристалла объемного заряда эмиттерного перехода.

Из-за перечисленных потерь дырок на рекомбинацию с электронами ток коллектора в транзисторе оказывается несколько меньше тока эмиттера. Тем не менее, эти потери можно за счет грамотной конструкции транзистора понизить до долей процента, вследствие чего в реальном транзисторе достигается практическое равенство тока коллектора току эмиттера.

Рассмотрим соотношение напряжений входного и выходного.

Изменение входного напряжения Vвх можно связать с изменением входного тока Jвх через входное сопротивление транзистора Rвх Vвх = Jвх Rвх. (3) Поскольку входной ток – это прямой ток эмиттерного перехода, то он экспоненциально растет с ростом входного напряжения и q Vвх kT Jвх ~ exp, если Vвх >>. (4) kT q Входное сопротивление прямо смещенного перехода резко падает с ростом прямого смещения и при приближении входного напряжения к величине контактной разности эмиттерного перехода (0.7 0.9 В) входное сопротивление составляет единицы Ом.

Соответственно, изменение выходного напряжения Vвых = JвыхRн. Тогда коэффициент усиления по мощности Jвых Vвых Jвых Jвых Rн Rн K = = =. (5) p Jвх Vвх Jвх Jвх Rвх Rвх Таким образом, усиление по мощности определяется тем, какое сопротивление нагрузки можно поставить в выходной цепи. Выбор оптимального сопротивления нагрузки – самостоятельная многофакторная задача. Здесь же следует отметить, что максимальное Rн зависит от величины максимального выходного тока:

Eк Rн max. (6) Jк max Только при этом условии коллекторный переход может оставаться под обратным смещением. Поэтому для оценки максимального КР (для схемы с ОБ) лучше воспользоваться соотношением:

Vвых max KP max =. (7) Vвх max Максимальное Vвх max VЭо – это контактная разность потенциалов эмиттерного перехода. Максимально возможное Vвых max=EК, т.е. равно напряжению питания в выходной цепи. Следовательно, EК KP max =. (8) VЭО На обратно смещенный коллекторный переход можно подавать достаточно большое напряжение (до пробоя), поэтому EК >> VЭо. За счет этого получаем значительное усиление по напряжению и, следовательно, по мощности.





1.4. Работа транзисторов в схеме с общим эмиттером (ОЭ) Схема усилительного каскада p-n-p-транзистора, включенного по схеме с ОЭ приведена на рис.4.

Рис.4. Схема усилительного каскада на р-п-р-транзисторе, включенном по схеме с ОЭ Все соображения относительно отношения Vвых max /Vвх max остаются в силе и для этой схемы включения. Основное же отличие работы транзистора по схеме с ОЭ от работы по схеме с ОБ заключается в том, что происходит также значительное усиление по току, т.е. коэффициент передачи по току Jвых J К h21E = = = >> 1. (9) Jвх J 1Б Рассмотрим, как формируется выходной ток (ток коллектора) при подаче на вход постоянного тока базы (JБ = const). На рис.5 приведены временные диаграммы изменения тока базы и тока коллектора.

Чтобы наблюдать увеличение тока коллектора, направление базового тока принимается таким, что основные (для базы) носители заряда втекали в базу. В рассматриваемом примере в базу должны втекать электроны. Как видно из энергетической диаграммы (на рис. 3), электроны в базе оказываются в потенциальной яме, т.е. они отделены энергетическим барьером от эмиттера и от коллектора. Свободный вход-выход электронов осуществляется только через омический контакт к базе. Осуществим на входе режим генератора тока (JБ – const). Это означает, что в каждую масштабную единицу времени в базу поступает фиксированная порция электронов. За единицу времени примем время пролета дырок через активную базу (прол). Поступающую за это время в базу порцию электронов обозначим n1.

Рис.5. Временные диаграммы изменения тока базы и тока коллектора Итак, после включения базового тока в первую единицу времени в базу поступает n1 электронов, которые заряжают базу отрицательно.

Компенсация этого заряда может происходить либо за счет ухода этих электронов в эмиттере через понизившийся потенциальный барьер, либо за счет прихода в базу из эмиттера дырок (или и то и другое). Однако, благодаря тому, что эмиттер легирован много сильнее базы, реализуется второй вариант. Таким образом, в базу из эмиттера поступает порция дырок p1 = n1. Избыточные электронно-дырочные пары диффундируют от эмиттера к коллектору и через время пролета все дырки оказываются в коллекторе. Таким образом, коллекторный ток появляется с определенной задержкой (прол) после подачи базового тока и в первый момент равен базовому току. Однако дырки ушли в коллектор, а электроны остались в базе. К этому времени в базу поступает следующая порция электронов n1, и количество электронов в базе (в первом приближении) удваивается.

Следовательно, из эмиттера в базу должно поступать вдвое больше дырок, которые опять через время пролета соберутся коллектором и так далее.

Идет накопление в базе избыточных электронов и ток дырок растет со временем. Если бы отсутствовали процессы рекомбинации в базе, то процесс накопления электронов (и, следовательно, рост коллекторного тока) продолжался бы непрерывно. Однако, при прохождении базы часть дырок рекомбинирует. Когда количество рекомбинирующих дырок за время пролета будет равно количеству поступающих в базу электронов nпроцесс стабилизируется. К этому времени в базе накопится избыточное количество электронов n =n1(р/прол) и, следовательно, стационарный ток коллектора будет превышать ток базы в р/прол раз. Важно, что время установления стационарного тока в транзисторе определяется временем жизни неосновных носителей в базе. Таким образом, быстродействие транзистора в схеме с ОБ (определяемое временем пролета) гораздо выше, чем в схеме с ОЭ (определяемое временем жизни свободных носителей).

1.5. Статические характеристики транзистора В общем случае транзистор можно представить как активный и нелинейный четырехполюсник (рис.6), который характеризуется семейством нелинейных статических характеристик, связывающих постоянные напряжения V1, V2 и токи J1, J2 на входе и выходе транзистора.

Все эти величины являются взаимосвязанными, причем достаточно задать две из них для того, чтобы однозначно определить по статическим характеристикам две другие. Задаваемые величины являются независимыми переменными, две другие представляют собой некоторые функции независимых переменных. Хотя возможно большое число комбинаций задания переменных величин, на практике, исходя из удобства и простоты измерений, для полного описания свойств транзистора в каждой схеме включения используют только два семейства статических входных и выходных вольтамперных характеристик транзисторов.

Рис. 6. Четырехполюсник, эквивалентный транзистор Семейство выходных ВАХ транзистора с ОЭ (рис.7) представляет собой зависимость JК(VК-Э), причем параметром семейства является ток базы JБ. Выходная ВАХ транзистора при фиксированном токе базы имеет два ярко выраженных участка: крутой (начальный) и пологий. Крутой участок соответствует режиму насыщения транзистора, когда базовый ток удовлетворяет условию:

J К J >. (10) Б нас h21E При этом оба перехода оказываются в прямом смещении и уравнение ВАХ на этом участке (в первом приближении) можно записать в виде Vкэ J, (11) К rк где rк – так называемое сопротивление насыщения транзистора.

Фактически это есть сопротивление растекания тела коллектора на пути от коллекторного перехода до омического контакта к коллектору.

При более пристальном рассмотрении можно показать, что сопротивление rк может зависеть от тока базы, т.е. на этом участке вольтамперные характеристики могут и не сливаться в одну кривую.

На пологом участке ВАХ (активный режим) может быть описана выражением:

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.