Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Шпоры по ТТЭ - файл ГЛАВА 5 .doc


Загрузка...
Шпоры по ТТЭ
скачать (3670.4 kb.)

Доступные файлы (14):

ГЛАВА 10.doc3655kb.15.01.2005 00:00скачать
ГЛАВА 12.doc4472kb.15.01.2005 00:09скачать
ГЛАВА 14.doc1723kb.15.01.2005 00:31скачать
ГЛАВА 16.doc489kb.15.01.2005 00:52скачать
ГЛАВА 18.doc2195kb.15.01.2005 01:20скачать
ГЛАВА 1.doc41kb.13.01.2005 18:16скачать
ГЛАВА 20.doc492kb.15.01.2005 01:44скачать
ГЛАВА 2.doc718kb.13.01.2005 19:41скачать
ГЛАВА 3.doc7420kb.13.01.2005 22:41скачать
ГЛАВА 4.doc233kb.13.01.2005 23:04скачать
ГЛАВА 5 .doc6394kb.14.01.2005 14:44скачать
ГЛАВА 6.doc476kb.14.01.2005 14:59скачать
ГЛАВА 7.doc804kb.14.01.2005 23:05скачать
ГЛАВА 8.doc1338kb.14.01.2005 23:12скачать

ГЛАВА 5 .doc

  1   2   3   4   5   6   7
Реклама MarketGid:
Загрузка...

ГЛАВА 5

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

5.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы


5.1.1. Общие сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-n-переходами, предназначенный для усиления электрических колеба­ний по току, напряжению или мощности. Слово «биполярный» оз­начает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодей­ствие переходов обеспечивается тем, что они располагаются дос­таточно близко – на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка че­редования различают БТ типа п-р-п (или со структурой n-p-n) и типа р-п-р (или со структурой р-n-р), условные изображения которых по­казаны на рис. 5.1.

Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рис. 5 2 В этой структуре существуют два перехода с неодинако­вой площадью: площадь перехода n1-р меньше, чем у перехода n2-р. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (п1 с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n2). Поэтому БТ является асимметрич­ным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних об­ластей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n1) называется эмиттером, а область n2 – коллектором. Соответст­венно переход n1-р называют эмиттерным, а n2-p коллектор­ным. Средняя область (p) называется базовой (или базой). Контакты с областями БТ обозначены на рис. 5.2,а буквами: Э – эмит­тер; Б –база; К – коллектор.

Рабочей (активной) частью БТ является область объема стру­ктуры, расположенная ниже эмиттерного перехода (но заштрихо­вана на рис. 5.2,а). Остальные (заштрихованные) участки структуры являются пассивными («паразитными»), обусловленными конструктивно-технологическими причинами. На рис. 5.2,б показана идеализированная структура БТ без пассивных областей, т.е. только активная часть транзистора, изображенная для удобства описания горизонтально. Сильнолегированная эмиттерная область обозначена верхним индексом «+» (n+), а нижние индексы 1 и 2 опущены.

Основные свойства БТ определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует «внутреннее» электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом БТ с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой – дрейфовыми.

Биполярный транзистор, вляющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). На рис. 5.3 пока­заны эти схемы включения для р-n-р-транзистора. Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рис. 5.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источни­ков питания.

В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили названия: нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер-база UЭБ), а на коллекторном переходе – обратное (напряжение коллектор-база UКБ). Этому режиму соответствуют полярности источников пита­ния на рис. 5.5 и направления токов для p-n-p-транзистора. В случае n-p-n-транзистора полярности напряжения и направления токов изменяются на противоположные.

Этот режим работы (НАР) является основным и определяет назначение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, кото­рая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектиро­ванных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный пере­ход не создает потенциального барьера для подошедших носите­лей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. «Собира­тельная» способность этого перехода и обусловила название «коллектор». Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение UКБ, а на эмиттерный – обратное UЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР) В этом случае транзистор «работает» в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, кото­рые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллектор­ном переходах являются прямыми одновременно, называют режи­мом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмит­тер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу, и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют ре­жимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают ма­лые токи.

Наглядно связь режимов БТ с включением переходов показа­на на рис. 5.4. Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов. В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источни­ков питания UЭБ и UКБ. В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напря­жением первого источника (UЭБ = – UБЭ), а напряжение коллектор­ного перехода зависит от напряжений обоих источников и по обще­му правилу определения разности потенциалов. Так как UЭБ = – UБЭ, то UКБ = UКБ UБЭ; при этом напряжение источ­ников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и от­рицательным – в другом случае. В схеме включения с общим кол­лектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определя­ется одним источником: UКБ = – UБК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: UЭБ = UЭК + UКБ = = UЭКUБК, при этом правило знаков прежнее.
5.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы с общей базой (рис. 5.5), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор p-n-p-транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.



В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение Uэб. Поэтому прямой ток перехода

IЭ = IЭp + IЭn +IЭрек (5.1)

где IЭp, IЭn – инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а IЭрек – составляющая тока, вызванная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера (см. §3.5.1).

Относительный вклад этой составляющей в ток перехода IЭ в (5.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие IЭp и IЭn. определяющие прямой ток в случае идеа­лизированного р-n-перехода. Если вклад IЭрек незначителен, то вместо (5.1) можно записать

IЭ = IЭp + IЭn (5.2)

Полезным в сумме токов выражения (5.1) является только ток IЭp, так как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. «Вредные» составляющие тока эмиттера IЭn и IЭрек протекают через вывод базы и являются составляющими тока ба­зы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты IЭn, IЭрек долж­ны быть уменьшены.

Эффективность работы змиттерного перехода учитывается ко­эффициентом инжекции эмиттера

(5.3)

который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составля­ет полезный компонент. В случае пренебрежения током IЭрек

(5.4)

Коэффициент инжекции γЭ тем выше (ближе к единице), чем меньше отношение IЭn / IЭp. Величина IЭn / IЭp << 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной области p-n-p-транзистора NaЭ на несколько порядков выше концентрации доноров NдБ в базе (NaЭ >> NдБ). Это условие обычно и выполняется в транзисторах.

Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера, определяющих полезный ток IЭp? Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентра­ции дырок – неосновных носителей базы. Этот градиент обусловли­вает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться ре­комбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок Iб рек. Так что ток подхо­дящих к коллекторному переходу дырок

(5.5)

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэф­фициентом переноса æБ:

æБ (5.6)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, ин­жектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному пере­ходу. Значение æБ тем ближе к единице, чем меньшее число инжек­тированных дырок рекомбинирует с электронами – основными носи­телями базовой области. Ток IБрек одновременно характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покры­вается за счет прихода электронов через вывод базы из внешней це­пи, то ток IБрек следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющей IЭn.

Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить æБ, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации до­норов NдБ. Это совпадает с требованием NaЭ >> NдБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы Wб и диф­фузионной длины дырок в базовой области LpБ. Доказано, что име­ется приближенное соотношение

æБ (5.7)

Например, при Wб/LpБ = 0.1 , æБ = 0.995, что очень мало отличается от предельного значения, равного единице.

Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет ла­винного размножения проходящих через него носителей (см. § 3.5.3), то ток за коллекторным переходом с учетом (5.5)

IKp=I*Kp=IЭр – IБрек (5.8)

С учетом (5.6) и (5.3) получим

IKp= æБ IЭр= γЭ æБ IЭ =α IЭ (5.9)

где

α = γЭ æБ = IKp/IЭ (5.10)

Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к пол­ному току эмиттера называют статическим коэффициентом пере­дачи тока эмиттера.

Ток коллектора имеет еще составляющую I^ КБ0. которая протекает в цепи коллектор-база при IЭ = 0 (холостой ход, «обрыв» цепи эмиттера), и не зависит от тока эмиттера. Это обратный ток перехо­да, создаваемый неосновными носителями областей базы и коллек­тора, как в обычном р-n-переходе (диоде).

Таким образом, полный ток коллектора с учетом (5.8) и (5.10)

IK = IKp + IКБ0 = α IЭ + IКБ0 (5.11)

Из (5.11) получим обычно используемое выражение для стати­ческого коэффициента передачи тока:

α =(IK IКБ0)/IЭ (5.12)

числитель которого (IКIКБ0) представляет собой управляемую (зависимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, IKp. Обычно ра­бочие токи коллектора IK значительно больше IКБ0. поэтому

α ≈ IK/IЭ (5.13)

С помощью рис. 5.5 можно представить ток базы через компоненты:

IБ = IЭ n + IЭ рек + IБ рек IКБ0 (5.14)

По первому закону Кирхгофа для общей точки

IЭ = IK + IБ (5.15)

Как следует из предыдущего рассмотрения, IK и IБ принципиально меньше тока IЭ; при этом наименьшим является ток базы

IБ = IЭ IK (5.16)

Используя (5.16) и (5.11), получаем связь тока базы с током эмиттера

IБ = (1–α)IЭ IКБ0 (5.17)

Если в цепи эмиттера нет тока (IЭ = 0, холостой ход), то IБ = – IКБ0. т.е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллектор­ного перехода. По значению IЭ = IКБ0 /(1–α) ток IБ = 0, а при дальнейшем увеличении IЭ (IЭ > IЭ) ток базы оказывается положительным.

Подобно (5.11) можно установить связь IK с IБ. Используя (5.11) и (5.15), получаем

(5.18)

где

(5.19)

статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение α обычно близко к единице, то β может быть очень большим (β >> 1). Например, при α = 0.99, β = 99. Из (5.18) можно получить соотношение

β = (IKIКБ0) / (IБ + IКБ0) (5.20)

Очевидно, что коэффициент β есть отношение управляемой (изме­няемой) части коллекторного тока (IKIКБ0) к управляемой части ба­зового тока (IБ + IКБ0). Действительно, используя (5.14), получаем

IБ + IКБ0 = IЭ n + IЭ р + IБ рек

Все составляющие последнего выражения зависят от IЭ и обращаются в нуль при IЭ =0. Введя обозначение

IКЭ0 = IКБ0/(1– α)=( β+1) IКБ0 (5.21)

можно вместо (5.18) записать

(5.22)

Отсюда очевиден смысл введенного обозначения IКЭ0: это зна­чение тока коллектора при нулевом токе базы (IБ = 0) или при «обры­ве» базы. При IБ = 0 IK = IЭ, поэтому ток IКЭ0 проходит через все обла­сти транзистора и является «сквозным» током, что и отражается ин­дексами «К» и «Э» (индекс «0» указывает на условие IБ = 0).
^ 5.1.3. Влияние режимов работы БТ на токи электродов

Связь коллекторного и эмиттерного переходов обеспечивается базовой областью, т.е. зависит от характера движения носителей в этой области. В бездрейфовом БТ оно имеет диффузионный харак­тер, т.е. определяется градиентом концентрации носителей в базе, а в дрейфовом БТ зависит еще от имеющегося в базе электрическо­го поля. Таким образом, влияние режимов работы (напряжений пе­реходов) на токи в значительной мере определяется изменением закона распределения концентрации носителей в базовой области от эмиттера к коллектору.

^ Бездрейфовый транзистор. На рис. 5.6 показано распределе­ние концентрации носителей в базе бездрейфового БТ. Левая гра­ница базы соответствует х = 0, а правая – х = WБ. В состоянии равно­весия БТ UЭБ = UКБ = 0. Прямая 1 соответствует равновесной кон­центрации неосновных носителей. В нормальном активном режиме прямое напряжение на эмиттерном переходе вызывает появление избыточных носителей ризб(0) > 0, а об­ратное напряжение на коллекторном переходе – уменьшение концентрации по сравнению с равновесным значени­ем. Это изменение тоже можно назвать избыточной концентрацией, если приписать ей отрицательный знак (pизб(WБ) < 0). Расчет (см. § 3.4) показы­вает, что при абсолютном значении обратного напряжения |Uкб| > 3 φТ = 0,075 В концентрация неосновных носителей около коллекторного перехода практически падает до ну­ля, а точнее до значения, которое должно обеспечивать ток через переход. Это отражает тот физический факт, что все подошедшие к коллекторному переходу неосновные носители захватываются уско­ряющим полем перехода и переносятся в коллекторную область. Распределение концентрации в базе (кривая 2) отражает наличие градиента концентрации, который определяет направление диффу­зионного движения носителей от эмиттера к коллектору.

Плотность диффузионного дырочного тока в базе в произволь­ном сечении х

jp(x)=qDpdp(x)/dx (5.23)

Если потери на рекомбинацию в базе пренебрежимо малы, то плот­ность тока jр от координаты не зависит и остается постоянной. Но это предположение означает, что dp/dx = const, т.е. распределение р(х) прямолинейное. Потеря носителей из-за рекомбинации означа­ет уменьшение плотности тока, уменьшение производной и, следо­вательно, отклонение распределения концентрации от прямолиней­ного вниз. Это отклонение при коэффициенте переноса, близком к единице (æБ ≈ 1), на рис. 5.5 в одном масштабе изобразить невозмо­жно, но принципиально оно существует.

В инверсном активном режиме (ИАР) переходы БТ поменя­лись ролями и распределение р(х) изображается прямой 3 (почти прямой). В режиме насыщения (РН), когда оба перехода включе­ны в прямом направлении, концентрации у границ обоих перехо­дов выше равновесного значения, так что распределение р(х) изображается прямой 4. Это распределение можно представить как сумму распределений 2 и 3 нормального и инверсного режи­мов, что и будет потом использовано для получения электричес­кой модели БТ. Наконец, в режиме отсечки (обратные напряже­ния на обоих переходах) концентрации у границ переходов прак­тически равны нулю, а в базовой области ниже равновесного зна­чения (кривая 5). Градиенты у границ переходов определяют ве­личину токов переходов IКБ0 и IЭБ0.

Знание характера распределения концентрации носителей поз­воляет наглядно представить влияние напряжений на переходах IЭБ и IКБ на токи электродов IЭ, IК и ток базы IБ = IЭ IК. Однако при­веденное рассмотрение идеализированное, так как неявно предпо­лагалась в тексте и на рис. 5.6 независимость ширины базовой области Wб от напряжений переходов.

В реальном БТ изменение напряжений на переходах UЭБ и UКБ вызывает изменение толщины обедненных слоев перехода и сме­щение границ базовой области, т.е. изменение ширины базовой области. Это явление называют эффектом Эрли. Особенно заметно изменение ширины базы при подаче обратных напряжений на пере­ходы. В нормальном активном режиме, когда на эмиттерном перехо­де прямое напряжение, а на коллекторном обратное и сравнительно большое по величине, толщина коллекторного перехода значитель­но больше, чем эмиттерного, и влиянием смещения границы эмиттерного перехода можно пренебречь. Поэтому увеличение (по моду­лю) обратного напряжения UКБ будет приводить к расширению коллекторного перехода и сужению базовой области.

К каким же последствиям может привести эффект Эрли? Для оп­ределенности рассмотрим увеличение обратного напряжения UКБ, приводящее к уменьшению ширины базовой области WБ.

1. Уменьшение WБ вызовет рост градиента концентрации неос­новных носителей в базе и, следовательно, рост тока эмиттера. На рис. 5.7 увеличение модуля |UКБ| от |UКБ1| до |UКБ1| при постоянном (заданном) напряжении UЭБ соответствует переходу от распределе­ния 1 к распределению 2. Так как θЭ2 > θЭ1 (увеличение градиента), то IЭ2 > IЭ1.

2. В ряде случаев при изменении UКБ требуется сохранить ток эмиттера. Чтобы вернуть IЭ от значения IЭ2 к значению IЭ1, необходимо уменьшить напряжение на эмиттерном переходе до зна­чения, при котором градиент вернется к исходному значению (θЭ3 = θЭ1), а распределение изобразится прямой 3 (A'C), параллель­ной прямой АБ.

3. Уменьшение WБ приведет также к росту коэффициента пере­носа æБ в базе. В случае поддержания постоянства тока эмиттера это будет сопровождаться уменьшением тока базы IБ. Однако мож­но доказать, что IБ также уменьшится, но в меньшей мере, если IЭ не возвратится к исходному значению.

4. Увеличение коэффициента переноса при уменьшении WБ оз­начает некоторый рост статических коэффициентов передачи α и β.

5. Рост α и IЭ при уменьшении WБ приведет к увеличению колле­кторного тока (5.11): IК = α IЭ + IКБО. Так как α ≈ 1 и его рост относи­тельно мал, даже если он достигнет предельного значения (α = 1), то основное влияние окажет рост IЭ.

6. В ряде случаев требуется при уменьшении ширины базы из-за эффекта Эрли сохранять неизменным ток базы. Для компенсации произошедшего уменьшения IБ необходимо дополнительно увели­чить IЭ (т.е. общий поток инжектированных в базу носителей) в соот­ветствии с формулой (5.17):

IБ = (1–α)IЭ IКБ0

Дрейфовый транзистор. В дрейфовом БТ из-за наличия элект­рического поля в базе EБ ток инжектированных носителей (дырок в р-n-р-транзисторе) состоит из диффузионной и дрейфовой состав­ляющих:

IЭp (x)=SЭ q Dp dpБ / dx+SЭ q μp pБ(x )EБ (5.24)

Вследствие малости потерь в базе из-за рекомбинации суммар­ный ток IЭp практически остается постоянным (не зависит от коорди­наты), т.е. IЭp (x) = const. Однако соотношение составляющих не ос­тается неизменным. Поясним этот вывод.

Коллекторный переход по-прежнему производит экстракцию неосновных носителей из базы, поэтому их концентрация у коллек­торного перехода (x = WБ) очень мала и практически равна нулю (рБ(WБ) 0). У этой границы базовой области дрейфовой составля­ющей тока можно пренебречь. Градиент концентрации при x = WБ можно вычислить из (5.24), считая рБ(WБ) 0:

dpБ(WБ)/dx= IЭp /SЭ qDp (5.25)

Однако у границы базы с эмиттерным переходом (х = 0) из-за уве­личения рБ(WБ) обе составляющие в (5.24) становятся соизмери­мыми. Поэтому при постоянстве IЭp вычисленное по формуле (5.23) значение градиента при х = 0 должно быть меньше, чем при x = WБ no формуле (5.25). Таким образом, в отличие от бездрей­фового БТ распределение рБ(x) в дрейфовом БТ должно быть вы­пуклым (рис. 5.8).

Очевидно, чем больше напряженность внутреннего поля в базе EБ, тем меньше градиент концентрации в начале базовой области и меньше вклад в полный ток диффузионной составляющей тока в этой части базы.

Следует обратить внимание на то, что распределение концент­рации в инверсном активном режиме для дрейфового БТ качественно отличается от распределения в нормальном актив­ном режиме. Объясняется это тем, что внутреннее поле для дырок, инжектируе­мых из коллектора в базу, является тормозящим. а не ускоряющим, как в нормальном активном режиме для дырок, ин­жектируемых из эмиттера в базу. Поэтому кривая рБ(x) будет не выпуклой, а вогнутой, а значения концентра­ции увеличатся в несколько раз (рис. 5.9).

Распределение концентрации в базе в режиме насыщения (двухсторонней инжекции) можно приближенно представить как сумму распределений при нормальном и инверсном режимах. При этом вид распределения и результирующий избыточный заряд бли­зки к инверсному режиму в отличие от бездрейфового БТ, где оно имеет вид трапеции (рис. 5.10).
  1   2   3   4   5   6   7



Скачать файл (3670.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru