МГТУ имени Баумана
Кафедра Микроэлектроники
Пояснительнаязаписка к курсовому проекту
Тема: Работа биполярных транзисторовв микрорежиме.
МОСКВА 2007
Оглавление
1. Введение
2. Эффектынизких эмиттерных напряжений
3.Малосигнальные эквивалентные схемы и параметры
4. Заключение
5. Литература
1. Введение
Наиболее важное свойство транзистора – свойствоусиливать электрические сигналы. У этого прибора, обычно имеющего три выводавыходное сопротивление отличается от входного.
Усиление в телеполупроводника происходит за счет того, что сравнительно большой токпропускается через область, весьма чувствительную к малым внешним токам илинапряжениям. В биполярном транзисторе регулируемый ток поступает в эмитернуюобласть, проходит сквозь чувствительную область базы и снимается с коллектора.Малые изменения тока базы или напряжения между базой и эмиттером могут вызыватьбольшие изменения тока между эмиттером и коллектором.
Существуют два типабиполярных транзисторов: npn и pnp. Буквы обозначают тип примеси вэмиттерной, базовой и коллекторной областях соответственно. В npn – транзисторе неосновные для базыносители, электроны, должны диффундировать сквозь базовую область p-типа, проникая в коллекторнуюобласть n-типа.
Поведение транзистораприближенно описывается с помощью моделей. Построение моделей преследуетследующие основные цели: объяснить поведение прибора и дать возможность этоповедение предсказать; обеспечить проектирование приборов и схем с заранееизвестными рабочими характеристиками. Любая модель будет адекватно описыватьповедение прибора в некотором диапазоне значений его параметров.
2.Эффекты низких эмиттерных напряжений
У транзистора,работающего в активном режиме, измерение зависимостей базового и коллекторноготоков от напряжения на эмиттерном переходе позволяет выявить некоторые интересныеособенности. Физический механизм работы транзистора таков, что результаты этихизмерений проще всего анализировать при логарифмическом масштабе по оси тока илинейном — по оси напряжения. Типовые результаты измерений для усилительногоинтегрального npn-транзистора приведены на рис. 1.Отличное совпадение графиков токов Iс и Iв с прямыми линиями в средней части диапазона токовсвидетельствует об их экспоненциальной зависимости от напряжения.
При малых напряжениях наэмиттерном переходе наклон линейной зависимости lgIB от vbE уменьшается. Экспериментальные данныепоказывают, что при приближении vbE к нулю — базовый ток асимптотическистремится к кривой, описываемой следующим выражением:
/> (1)
В этом асимптотическомвыражении значение параметра п обычно лежит в диапазоне от 1 до 2. Более того,значение параметра Iо превышаетзначение соответствующего множителя в экспоненциальном выражении, описывающемданную зависимость в средней части диапазона напряжений смещения эмиттерногоперехода.
Источник дополнительного тока эмиттерного перехода прималых напряжениях смещения — это рекомбинация в области объемного зарядаэмиттерного перехода.
/>
Рис. 1. Типовыезависимости коллекторного и базового токов от напряжения база—эмиттер присмещениях, соответствующих прямому активному режиму.
Значения параметра п вдиапазоне между 1 и 2 можно объяснить с учетом возможных изменений различныхпараметров, оказывающих влияние на процессы рекомбинации в области объемногозаряда. Относительный вклад рекомбинационной составляющей тока в сравнении синжекционными токами, втекающими в квазинейтральные области, увеличивается приуменьшении напряжения на переходе.
Ток рекомбинации вобласти объемного заряда течет только через базовый и эмиттерный выводытранзистора. Его преобладание не влияет на коллекторный ток, которыйпрактически полностью представляет собой результат коллектирования электронов,инжектируемых эмиттерным переходом. Следовательно, при уменьшении vbE коллекторный ток описываетсяуравнением :
/> (2)
/>
Рис. 2. Зависимостькоэффициента усиления по току /> отколлекторного тока для транзистора с характеристиками, приведенными на рис. 1.
до тех пор, пока токинжекции не упадет настолько, что в составе коллекторного тока не начнетпреобладать ток генерации в области объемного заряда. Таким образом, при малыхнапряжениях смещения коллекторный ток составляет меньшую часть эмиттерного токапосравнению со средней частью диапазона напряжений смещения. Болеенаглядно эта зависимость видна на графике отношения />,которое представляет собой параметр /> транзистора.График приведен на рис. 2 и построен по экспериментальным данным рис. 1.Падение />при малых напряженияхсмещения эмиттерного перехода представляет собой очевидное ограничение наприменение транзисторов для усиления малых напряжений.
3. Малосигнальныеэквивалентные схемы и параметры
Большому классу так называемых линейных электронныхсхем свойствен такой режим работы транзистора, при котором на фоне сравнительнобольших постоянных токов и напряжений действуют малые переменные составляющие.Именно эти составляющие представляют в таких схемах основной интерес. Запишемнапряжения и токи в виде
/>
где U° и I°—постоянные составляющие; />Uи />I- переменные составляющие, много меньшие постоянных.
Постоянные и переменныесоставляющие анализируются и рассчитываются раздельно. При анализе постоянныхсоставляющих используется нелинейная физическая модель Молла — Эберса. Прианализе переменных составляющих использование нелинейной модели не имеетсмысла, так как связь между малыми приращениями определяется не самимифункциями, а их производными. Поэтому для анализа переменных составляющихпользуются специальными — малосигнальными моделями (эквивалентными схемами),состоящими из линейных элементов. Эти элементы отображают те производные,которые связывают между собой малые приращения токов и напряжений.
/>
Рис. 3. Малосигнальнаямодель транзистора при включении ОБ.
Таким образоммалосигнальная (и, добавим, низкочастотная) эквивалентная схема транзистора призаданном токе эмиттера принимает такой вид, как показанонарис.3. Емкости СЭ и Ск будут учтены позднее.
Положительное направлениетока эмиттера выбрано произвольно, поскольку знак приращения />Iэ может быть любым. Обозначения /> для простоты опущены.
Заметим, что коэффициент /> в малосигнальной схеме(индекс N опущен) является дифференциальным, в отличие от интегрального,которым мы пользовались до сих пор. Дифференциальный коэффициент /> определяется какпроизводная dIk/dIэ, тогда как интегральный коэффициент /> есть отношение Ik/Iэ. Оба коэффициента несколько различаются, но это различие несущественно.
Дифференциальноесопротивление эмиттерного перехода rЭ выражается:
/> (3)
где rЭ — постоянная составляющая тока. При токе 1 мА сопротивление rЭ составляет 25 Ом.
Дифференциальное сопротивлениеколлекторного перехода гK обусловлено эффектом Эрли.
/> (4)
где Uк — модуль обратногонапряжения. Следует обратить внимание на то, что сопротивление гK, как и rЭ обратно пропорционально постоянной cоставляющей тока.Кроме того, оно несколько возрастает с увеличением напряжения, однако этазависимость мало существенна. Для ориентировки подставим в (4) значения L = 10 мкм, и/>=1 мкм, N == 1016см-3 и Uk = 4 В. Тогда гk =102/Iэ, при токе 1 мАполучается rк = 1 МОм.
/>
Рис. 4. Малосигнальнаямодель транзистора при включении ОЭ.
Поскольку в усилительныхтранзисторах типовое значение коэффициента усиления по току /> очень велико, можно напервый взгляд решить, что базовый ток пренебрежимо мал и следовательно,сопротивление базовой области транзистора очень слабо влияет на его работу.Такое упрощенное представление не учитывает, что малые различия напряжения вбазовой области существенно усиливаются благодаря экспоненциальному множителю вуравнении диода и тем самым они могут вызывать значительно более крупныеразличия в плотности тока вдоль эмиттерного pn-перехода транзистора.
/>
Рис. 5. Сечение транзистора, работающего в активном режиме. Базовыйток подается через два боковых базовых контакта и течет к центру эмиттеравызывая изменение напряжения на эмиттерном переходе с координатой.
Рассмотрим поперечноесечение транзистора, показанное на рис. 5. При возрастании напряжения vbE относительно нулевого уровня инжекцияэлектронов из эмиттерной области будет максимальной в той части перехода, гдеконцентрация примеси в базе Naминимальна. Поскольку базовая область формируется методом диффузии,максимальная инжекция будет иметь место на нижней плоскости диффузионногоэмиттера. В эту область будет втекать базовый ток основных носителей, поставляяв нее носители для рекомбинации и для инжекции в эмиттер. Однако типоваятолщина базовой области составляет менее 1 мкм и поэтому обычно между базовымэлектродом и активной областью транзистора всегда имеется конечноепоследовательное сопротивление. Весь ток эмиттерного перехода распределен по активнойобласти эмиттера (рис. 5), поэтому по мере приближения к центральной линииэмиттера базовый ток непрерывно уменьшается. По этой причине рассчитатьнекоторое значение сопротивления, которое бы непосредственно имитировалоомическое падение напряжения в базовой области, нельзя. Еще более существенното обстоятельство, что падение напряжения вдоль базовой области вызываетпостепенное уменьшение напряжения смещения эмиттерного перехода вдоль нее.
/>
Рис. 6. Зависимостьколлекторного тока от напряжения база — эмиттер, иллюстрирующая отклонение отидеальной характеристики при больших токах.
Поэтому плотность инжектированного электронного токаснижается от своего максимального значения, которое имеет место на участкеактивной области, ближайшем к базовому электроду, до своего минимальногозначения в центре эмиттера. Это вытеснение тока к периметру эмиттераувеличивается с ростом напряжения смещения и вызывает локальный перегревструктуры уже при таких токах, которые были бы вполне допустимы в случаеравномерного распределения тока в ней. Эффекты высокого уровня инжекции,рассмотренные в начале данного раздела, тоже проявляются при меньших значенияхтока, что объясняется неравномерным распределением плотности тока в активнойобласти транзистора. Для снижения сопротивления базы в мощных транзисторахбазовые и эмиттерные контакты делаются в виде больших совмещенных гребенчатыхструктур.
График зависимостиколлекторного тока от напряжения на эмиттерном переходе для транзистора, вкотором сопротивление базы играет существенную роль, показан на рис. 6.Поскольку действие сопротивления базы проявляется как уменьшение напряжениясмещения перехода, экспериментальные данные рис. 6 можно попробовать описатьследующим выражением:
/> (5)
При таком подходе, каксвидетельствует анализ эффекта вытеснения тока, сопротивление RB в (5) (оно называется распределеннымсопротивлением базы) должно быть переменным. Результаты измерений величин Ic, Ib и vbE показывают, что для их соответствияуравнению (5) сопротивление RB должно уменьшаться с ростом тока (рис. 7). Начальный спад сопротивлениябазы, наблюдаемый на рис. 7, соответствует уменьшению длины цепи протеканиятока между базовым электродом и активной областью транзистора при возрастаниитока.
/>
Рис. 7. Сопротивление базы в транзисторе рис. 7.10. Значения RB получены с помощью подстановки экспериментальныхданных в уравнение (5).
Если бы при этом всеопределялось только распределенным сопротивлением базы, то после полного вытеснениятока к периметру эмиттерной области данная зависимость выходила бы на некотороеасимптотическое значение RB, причем все этосопротивление определялось бы пассивными областями базы. Однако в транзистореначинают действовать и другие эффекты высокого уровня инжекции, которые могутвызвать дополнительное уменьшение RB.
Воспользовавшисьпространственно распределенной формой уравнения диода, описанные выше эффектывытеснения тока можно проанализировать в точном виде. Однако это требуетотносительно громоздкого математического аппарата, что может замаскироватьдействие физических механизмов, определяющих этот эффект. Поэтому здесь будетвыполнен приближенный анализ, в котором транзистор разбивается на отдельныесекции. При этом считается, что каждая такая секция имеет такой же коэффициентусиления по току, что и исходный транзистор, и описывается моделью идеальноготранзистора, т. е. имеет пренебрежимо малое сопротивление базы. Каждая секцияхарактеризуется своей пропорциональной частью полного тока насыщения (Is в уравнении (5)) и отделена отсоседней секции сопротивлением, соответствующим части физического сопротивлениявдоль ее базовой области. Увеличивая количество секций, на которое разбиваетсятранзистор, можно повышать точность анализа и в конечном счете выйти на точноерешение для распределенной модели.
4.Заключение
Очень большое значение (особенно для промышленногопроизводства) имеет создание транзисторов с высоким усилением по току при малыхнапряжениях смещения, а, следовательно, с малыми токами рекомбинации в областиобъемного заряда. Производство таких изделий, как усилители для слуховыхаппаратов и стимуляторы сердечной деятельности для кардиологических больных,напрямую зависит от возможности создания интегральных транзисторов с высокимирабочими характеристиками при минимальных токах. При изготовлении ИС подобногоназначения основные усилия обычно направляются на то, чтобы получить минимальновозможные времена жизни носителей в области объемного заряда эмиттерныхпереходов.
В данном курсовом проектемы рассмотрели принцип действия npn-транзистора.Получили графики зависимости /> и RBот Ic.
5.Литература
1. И.П. Степаненко“Основы Микроэлектроники” М. Сов. радио 1980г.
2. И.М. Викулин“Физика полупроводниковых приборов” М. Радио и Связь 1990г.
3. В.В. Пасынков,Л.К. Чиркин, А.Д. Шинков “Полупроводниковых приборы” М. Высш. Школа 1981г.
4. Р. Маллер, Т.Кеймис “Элементы интегральных схем” М. Мир 1989г.
5. У. Тилл, Дж.Лаксон “Интегральные схемы” М. Мир 1985г.