3.Биполярные транзисторыБиполярные транзисторы - полупроводниковые приборы с 2 взаимодействующими p-n переходами : усилительные свойства транзистора обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. P - n переходы образуются на границах чередующихся областей полупроводника с разными типами электропроводности : p-n-p либо n-p-n. 3.1. Устройство транзистора и физические процессы в нормальном активном режиме . w p-n-p p+ p n Э К Iэ Iк + Б Uэб Uкб + Iэ IкIб w n-p-n n+ n p Э К Iэ Iк Б + Uэб Uкб + Iэ Iк IбСредний слой - база , эмиттер - сильно легированная наружная область. Эмиттерный переход смещен прямо. Второй переход - коллекторный смещен в обратном направлении. Различают : бездрейфовые транзисторы с равномерным распределением примеси в базе. При этом электрическое поле в базе отсутствует , и попавшие из эмиттера неосновные носители движутся через базу к коллекторному переходу только в следствие диф - фузии ; дрейфовые транзисторы с неравномерным распределением примеси в базе : более высокая концентрация на границе с эмиттером и убывающая в направлении коллектора. В базе имеется внутреннее электрическое поле , направленное так , что ускоряет движение неосновных носителей к коллекторному переходу. Рассмотрим работу бездрейфового транзистора. Через эмиттерный переход происходит инжекция неосновных носителей в базу , поэтому на границе базы с эмиттерным переходом их концентрация выше равновесной. За счёт градиента концентрации эти носители переносятся к коллекторному переходу , работающему в режиме экстракции. Большинство носителей , инжектированных в базу , не успевают в ней рекомбинировать , если её толщина w Таким образом , ток коллектора создаётся за счёт тока эмиттера : Iк=aIэ+Iкб0 ; a - коэффициент передачи тока эмиттера (h21б в схеме с ОБ). Iкб0 - обрптный ток коллекторного перехода при отключённом эмиттере , т.е. при Iэ=0 a меньше I , т.е. ток Iк - это часть тока Iэ .Величина a меньше учитывает , во-первых , потери в эмиттерном переходе , т.к. не весь ток эмиттера за счёт инжекции носителей в базу , часть его за счёт инжекции других носителей в эмиттер . Коэффициент инжекции ; во-вторых , потери за счёт рекомбинации неосновных носителей на пути к коллектору : Коэффициент переноса Чем тоньше база w , тем c ®1 . Таким образом , a=gc . Для повышения g®1 , эмиттер легируют значительно сильнее , чем базу : область эмиттера - низкоомная , область базы - высокоомная. Ток Iкб0 - неуправляемая часть коллекторного тока , невелик , зависит от температуры , т.к. определяется концентрацией неосновных носителей в области коллектора и базы. Ток базы складывается из рекомбинированных в базе неосновных носителей , тока инжекции от базы к эмиттеру и тока Iкб0 : Iб=(1-a)Iэ- Iкб0 . Баланс токов (закон Кирхгофа) : Iэ= Iк+ Iб Ток базы мал : Iб Iк » IэСтатические характеристики транзистора.3.2.1 Схема с общей базой (с ОБ) Iэ Iк + Uэб Iб Uкб + p-n-p Iэ Iк + Uэб Uкб + n-p-n IбВыходные характеристики - это семейство кривых Iк=f (Uкб) при Iэ=const. В упрощенной формуле Iк=aIэ+Iкб0 , по которой Iк вообще не зависит от Uкб , нужно добавить ещё одно слагаемое , учитывающее небольшой рост тока коллектора при увеличении Uкб за счёт расширения коллекторного перехода и соответствующего сужения базы : где rк.диф - дифференциальное сопротовление коллекторного перехода , или где h22б - выходная проводимость транзистора в схеме ОБ Iк , мА 8 мА6 мА 4 мА2 мАIэ=0 область 0 нормальная активная область |Uкб| насыщения Входные характеристики.Iэ=j(Uэб) при Uкб=const имеют экспоненциальный вид , т.к. на эмиттерный переход родано прямое напряжение . Его значение не превышает 0,4...0,5В для Ge, и 0,6-0,8В для Si. , aN - коэффициент передачи тока эмиттера. aI - коэффициент передачи тока коллектора в инверсном активном режиме. Iэб - тепловой ток эмиттерного перехода при Iк=0. IэGe SiUкб>0 Uкб=0 0 0,5 1 Uэб , ВЭквивалентная схема транзистора (типа p-n-p). rб = 200...300 Ом , rк.диф = 0,5...1Мом , a=0,95...0,99 , Iкб =0,5...5 мкА Iэб Iэб Iк aIэ Э К rб rк.диф БСхема с общим эмиттеромn-p-n p-n-p Iк Iк Iб + Iб - Uкэ - Uкэ + + - - Uбэ Iэ + Uбэ IэИсточники Uкэ и Uбэ обеспечивают нормальный активный режим работы транзистора. Оба источника имеют одинаковую полярность. Напряжение |Uбэ| , подставив уравнение Кирхгофа Iэ = Iк + Iб , получим : Выразим ток коллектора через ток базы : Обозначим - коэффициент передачи тока базы ; ; - дифференциальное сопротивление коллектора. Получим Iк=bIб +Uкэ/r*к.диф Второе слагаемое (b+1)Iкб0 =Iкэ0 - это “сквозной” ток коллектора в схеме с ОЭ. Он больше , чем в схеме с ОБ. Значение r*к.диф , напротив , в (b+1) раз меньше , чем rк.диф , т.е. влияние напряжения на коллекторе на величину тока коллектора значительно сильнее. Значение b = 20...300 .Выходные характеристикиIк=f(Uкэ) при Iб=const. Iк , мА 0,35 мА 8 7 0,30 мА 6 0,25 мА 5 0,20 мА4 0,15 мА 3 0,10 мА 2 0,05 мА 1 Iкэ = 0 0 2 4 6 8 10 12 Uкэ , ВВходные характеристики Iб , мА0,5 Ge Si 0,4 5 В 5 В0,3 Uкэ=0 Uкэ=0 0,20,1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Uбэ , В При Uкэ=0 область, а насыщения если Uкэ > Uбэ нормальная активная область и ток базы не зависят от Uкэ.Эквивалентная схема транзистора по постоянному току в схеме с ОЭ.(b+1)Iкб0 Iб bIб Iк Б rбК Uбэ r*к.диф Iэ UкэЭ rб = 200...300 Ом r*к.диф = 5...10 кОм b = 10...300Дифференциальные параметры и малосигнальные эквивалентные схемы транзистора Небольшие по величине изменения токов и напряжений по сравнению с полными их значениями DU и DI называются малыми сигналами , или переменными составляющими токов и напряжений. Значения переменных составляющих между собой линейными соотношениями через дифференциальные параметры : коэффициенты , сопротивления , проводимости и др. В этих уравнениях и соответствующих эквивалентрых схемах игнорируются постоянные составляющие токов и напряжений и нелинейный характер связей между ними.Малосигнальная схема с ОБ Ск DIб aдиф DIэ DIк Э rэ.дифК rбDUэб DIб rк.дифDUкэБDIк =aдиф DIэ + DU/zк.диф ; rэ.диф - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода при DUкб=0 Это сопротивление зависит от положения рабочей точки (точка покоя Iэ.0) : при Uкб=const - дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера. Ск - ёмкость коллекторного перехода , которая шунтирует генератор тока aдиф DIэ . Она проявляется при работе на высоких частотах сигнала . rк.диф имеет тот же смысл , что и в схеме по большому сигналу.Малосигнальная схема с ОЭСк*DIб bдифDIб DIк rб rэ.диф r *к.диф DUбэ DIэ DUкэDIk=bдифDIб+(DUкэ/Z*к.диф) В этой схеме по аналогии с r*к.диф определяется и реактивное сопротивление Xck*=Xck/bдиф+1, откуда C*k=(bдиф+1)/Ck - емкость коллектора в схеме с ОЭ.^ Н-параметры транзистораБиполярный транзистор можно рассматривать как активный четырехполюсник, во входной цепи которого действует напряжение DU1 и ток DI1, а в выходной цепи - DU2 и DI2. Это переменные составляющие, или “малые сигналы”. DI1 DI2 DU1 DU2Для малых сигналов четырехполюсник является линейной системой, т.е. описывается системой линейных уравнений, в которой две переменные являются независимыми, а остальные две - их функциями. Существует несколько систем, но наиболее распространенной является система h-параметров, в которой независимыми являются входной ток DI1 и выходное напряжение DU2:DU1=h11DI1+h12DU2 DI2=h21DI1+h22DU2h11 = DU1/DI1 при DU2=0 - входное сопротивление при к.з. на выходе; h12 = DU1/DU2 при DI1=0 - коэффициент внутренней обратной связи по напряжению при холостом ходе по входу; h21 = DI2/DI1 при DU2=0 - коэффициент передачи тока при к.з. на выходе; h22 = DI2/DU2 при DI1=0 - выходная проводимость при х.х. на входе. Часто вместо DU и DI используют обозначения U и I, понимая под ними амплитудные или действующие значения переменных составляющих синусоидальной формы. h-параметры транзистора зависят от схемы включения и помечаются индексами ‘Б’ или ‘Э’. h11б h11э h21б=-aдиф h21э=bдиф. h22б»1/rк.диф h21э»1/r*к.диф^ 3.5. Инерционные свойства биполярного транзистора. Работа транзистора на высоких частотах.В нормальной активной области накопленный в базе заряд неосновных носителей распределен по толщине базы по линейному закону: у эмитерного перехода p(0)=pneUэб/jm, у коллекторного p(W)=pneUкб/jm»0. Заряд в базе Qб.н зависит от напряжения на эмиттерном переходе:Qб.н=qП(p(0)W/2). Ток коллектора - это ток диффузии неосновных носителей через базуIk=-qDбП(dp/dx)=qПD(p(o)/W) Значение Iк зависит от заряда в базе:Ik=2DQбн/W2=Qбн/tD Здесь tD=W2/2Qб - время диффузии неосновных носителей через базу. Каждому значению Uэб соответствует свое установившееся значение заряда Qбн и тока коллектора. При быстрых изменениях входного сигнала появляются инерционные свойства транзистора, обусловленные конечным временем “пролета” неосновных носителей через базу, т.е. временем на установление новой концентрации носителей в базе. Процессы в схеме с общей базой. Если входной ток Iэ изменится скачком на DIэ , то ток коллектора изменится на величину DIк=aдифDIэ не мгновенно, а по экспоненциальному закону, с постоянной времени ta. Iэ Iк DIэ0 ta2ta 3ta t Это можно рассматривать как изменение коэффициента передачи тока во времени по экспоненте: aдиф(t)=a0(1-e-t/ta), где a0 - установившееся значение. Если использовать преобразование Лапласа для функции aдиф(t) , то коэффициент передачи тока в операторной форме равен a(р)=a0/1+рta, где p - оператор Лапласа. Постоянная времени ta»tDравна времени диффузии, т.е. зависит от толщины базы. Если переменная составляющая тока эмиттера имеет вид синусоидального колебания DIэ=Iэmcos vt, коллекторный ток также имеет будет синусоидальным, при этом коэффициент aдиф может быть найден из a(p) подстановкой p=jw. Таким образом, a зависит от частоты aдиф(jw)=a0/(1+jwta)=a0/(1+j(w/wa)) Здесь wa=1/ta - предельная частота коэффициента передачи тока эмиттера, на которой модуль коэффициента a= 0.7 своего статического значения. С ростом частоты не только уменьшается модумь коэффициента a:aдиф(w)=a0/ ? но и увеличивается задержка (запаздывание по фазе) тока коллектора:tga=-w/waПри w®¥ aдиф®0 j®-p/2Реальные зависимости a(w) и j(w) совпадают с этими формулами только в диапазоне частот до wa 1 0.7 0.1 1 10 w/wa -p/4 -p/2j реальная зависимостьЧем тоньше база, тем меньше tD=W2/2Dб , тем выше предельная коэффициента aдиф.^ Процессы в схеме с общим эмиттером Если входной ток базы Iб изменить скачком на величину DIб , то ток коллектора получит приращение DIк=bдифDIб , но не мгновенно, а также по экспоненте с постоянной времени tb. Это равноценно тому, что коэффициент передачи тока базы bдиф является функцией времени:bдиф(t)=b0(1-е-t/tb) или в операторной форме b(p)=b0/(1+ptb) где b0 - установившееся значение.iкDIк iб 0 tb 2tb 3tb 4tb t Если же колебания базы имеют форму синусоиды, то коэффициент передачи bдиф является комплексной функцией частоты, т.е.bдиф(jw)=b0/(1+jwtb)=b0/(1+j(w/wb)), где wb=1/tb - предельная частота коэффициента передачи тока базы, на которой коэффициент bдиф по модулю уменьшается до уровня 0.7 от b0. Постоянную времени tb (или частоту vb) можно связать с постоянной ta (или частотой wa): ???? Отсюда видно, что tb=ta/(1-a0)=(b0+1)ta; где tb в (b0+1) раз больше ta т.е. предельная частота wb в (b0+1) раз ниже, чем частота wa. Во сколько раз коэффициент b0 больше коэффициента a0, во столько же раз полоса рабочих частот в схеме с ОЭ уже, чем в схеме с ОБ. Быстродействие транзистора в схеме с ОЭ значительно хуже, чем в схеме с ОБ в режиме управления входным током. В ряде случаев частотные свойства транзистора характеризуют граничной частотой wгр, на которой модуль |b| становится равным 1. При w>wbформула для bдиф(w) упрощается:bдиф(w)»b0/(w/wb)=b0wb/w. Отсюда wгр найдем, приравнивая b=1: wгр=b0wb т.е. wгр»wa В справочниках приводятся не круговые, циклические частоты: fh21б=fa fh21э=fb fгр fmax. Fmax - максимальная частота генерации, на которой транзистор способен работать в схеме автогенератора, т.е. коэффициент усиления по мощности равен 1.^ 3.7. Дрейфовые транзисторы. Дрейфовые транзисторы имеют неравномерное распространение примесей в базе: вблизи эмиттера » 1017 см-3, а у коллектора » 1014..1015 см-3. Это получается при создании базы путем диффузии примесного материала. Концентрация примесей в базе Na(x) уменьшается по экспоненте: Na(x)=Na(0)e-x/Lд где Lд - средняя длина диффузии примеси. Б К Na p n n+ Э n+ W x исходная пластина 0 W коллекторный переходДиффузионная технология позволяет получить очень тонкую базу, а это уже само по себе сокращает время пролета неосновных носителей через базу, что дает выигрыш: в быстродействии в коэффициенте передачи: b»1/W2В транзисторах с диффузной базой толщина W в 10..20 раз меньше, чем у сплавных - доли мкм. Неравномерное распределение ионизированных атомов примеси создает электрическое поле в базе, направленное так, что способствует ускорению неосновных носителей от эмиттера к коллектору. Напряженность Еб=jm/Lд тем выше, чем резче изменяется концентрация примесей вдоль x. Основным механизмом перемещения носителей в базе является не диффузия, а дрейф за счет ускоряющего поля. Время дрейфаtдр=W/V=W/mEб=WLд/Dб а время диффузии за счет градиентаtD=W2/2Dб Отношение tD/tдр=W/2Lд называют коэффициентом поля h. В дрейфовых транзисторах коэффициент h достигает 8..10. При таком сильном внутреннем поле базы Еб градиент концентрации неосновных носителей гораздо меньше, чем в бездрейфовом транзисторе при таком же значении тока Iк, следовательно, и меньше неравновесный накопленный в базе заряд. А значит, и меньше инерционность транзистора при изменениях тока эмиттера, т.е. дрейфовый транзистор лучше работает на высоких частотах, чем бездрейфовый. Итак, оба фактора: уменьшение толщины базы W и времени пролета за счет ускоряющего поля Еб - позволили существенно уменьшить диффузионную емкостьСэ.диф=tпр/hэ.диф , повысить предельную частоту wa=1/tпр Предельные частоты доходят до 5000 МГц у Si и 10000 МГц у Ge. Nб(x)h=0h=8 X 0 база W В отличии от сплавного транзистора в дрейфовом область коллектора более высокоомная, чем база, поэтому при изменениях напряжения на коллекторе толщина коллекторного перехода изменяется в основном за счет коллектора, а не базы, и поэтому эффект модуляции толщины базы и коэффициент обратной связи значительно меньше, чем у бездрейфовых. По этой же причине барьерная емкость коллектора Ск значительно меньше, а дифференциальное сопротивление rк.диф выше - несколько МОм. Однако, заметно возросло объемное сопротивление коллектора rк - несколько десятков Ом. Достоинства дрейфовых транзисторов: хорошие частотные свойства. малые величины емкостей. малое сопротивление базы. Недостатки: малое пробивное напряжение эмиттерного перехода (запирающее) Uэб.пробоя=1..6 В большая величина объемного сопротивления коллектора более высокая чувствительность к изменениям окружающей температуры. В отличии от сплавного дрейфовый транзистор асимметричен, поэтому необратим. При анализе можно пользоваться теми же моделями и эквивалентными схемами, что и для бездрейфовых.