Хандогин М.С. Электронные приборы.

к увеличению rп, уменьшению пикового тока, но не влияет на величину fR .

Поэтому частотные свойства ТД удобно характеризовать отношением Cд . Iп

Достоинством туннельных диодов являются высокие рабочие частоты, вплоть до СВЧ, низкий уровень шумов, высокая температурная устойчивость,

большая плотность тока (103 −104 Aсм2 ).

Как недостаток следует отметить малую отдаваемую мощность из-за низких рабочих напряжений и сильную электрическую связь между входом и выходом, что затрудняет их использование.

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды, изготовляемые на основе полупроводника с концентрациями примесей в р- и n - областях диода, меньших, чем в туннельных, но больших, чем в обычных выпрямительных диодах.

В этом случае потолок валентной зоны р-области и дно зоны проводимости n-области при нулевом смещении на диоде находятся на энергетической диаграмме на одной высоте.

41

3.БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

3.1.Устройство и принцип действия биполярных транзисторов

Транзистором называется электропреобразовательный прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности и имеющий три и более выводов. Действие транзисторов основано на управлении движениемносителейэлектрических зарядоввкристаллеполупроводника.

По характеру переноса носителей заряда различают биполярные и полевые транзисторы. В биполярных транзисторах (БТ) в процессах токопрохождения участвуют основные и неосновные носители зарядов, а в полевых (униполярных) – носители одного знака. По числу р-n-переходов транзисторы подразделяются на однопереходные, двухпереходные и многопереходные. Наибольшее распространение среди биполярных транзисторов получили двухпереходные транзисторы.

В транзисторе чередуются по типу проводимости три области полупроводника. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы типа р-n-p и n-p-n. Принцип действия обоих типов транзисторов одинаков. По характеру распределения атомов примеси и движению носителей заряда транзисторы разделяются на бездрейфовые и дрейфовые.

Структура и условные изображения транзисторов n-p-n и р-n-p приведены на рис. 3.1, а, б соответственно. Стрелки на рисунке указывают направление прямого тока эмиттерного перехода. В этих структурах существуют два перехода с неодинаковой площадью. Одна из крайних областей легирована сильнее, чем другая. Сильнолегированная область с меньшей площадью называется эмиттером (Э), а другая область – коллектором (К). Средняя область называется базой (Б). К областям эмиттера, базы и коллектора припаиваются невыпрямляющие контакты, служащие выводами эмиттера, базы и коллектора.

Рис. 3.1

42

Устройство реального транзистора типа p-n-p представлено на рис. 3.2 а, б.

Э Б

n2

n+

К

Рис. 3.2

Рабочей (активной) областью транзистора является область объема структуры, расположенная ниже эмиттерного перехода (не заштрихована). Остальные участки являются пассивными (паразитными), что обусловлено конст- рукторско-технологическими причинами. Основные свойства биполярного транзистора определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (1 мкм), меньше диффузной длины неосновных носителей в базе. Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле, и носители совершают в базе только диффузное движение. В случае неравномерного распределения примеси в базе существует «внутреннее» электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом. Биполярные транзисторы с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой

– дрейфовыми. При изготовлении транзисторов добиваются, чтобы концентрация основных носителей в эмиттере значительно превышала концентрацию носителей в базе. Для защиты транзисторной структуры от воздействия внешней среды кристалл помещают в герметизированный корпус.

При включении транзисторов в схему один из его электродов является входным, второй – выходным, а третий – общим. На входной и выходной электроды подаются напряжения от внешних источников, отсчитываемые относительно общего электрода. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают схемы включения (рис. 3.3, а, б, в): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). В обозначениях напряжений (см. рис. 3.3) вторая буква индекса обозначает общий для входа и выхода схемы электрод.

43

зависит от обоих источников и по общему правилу определения разности по-

тенциалов Uк.б = Uк.э + Uб.э = Uк.э − Uб.э.

В схеме с ОК напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником Uк.б = −Uб.к, а напряжение на эмиттерном переходе зависит от

обоих источников Uэ.б = Uэ.к + Uк.б = Uэ.к − Uб.к. Правило знаков остается прежним.

3.3. Физические процессы в биполярном транзисторе в активном режиме

Рис. 3.5

Это вызывает протекание дырочного Iэ ри электронного Iэ n токов ин-

жекции. Полный прямой ток перехода Iэ: Iэ = Iэр + Iэn .

Полезным в сумме токов будет ток Iэр , т.к. он будет участвовать в соз-

дании коллекторного тока.

Составляющие Iэ. рек, Iэр протекают через вывод базы и являются со-

ставляющими тока базы.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается коэффициен-

45

ном эмиттерном токе составляет полезный ток. На практике коэффициент инжекции оказывается близким к единице (γ = 0,98 −0,995).

Инжектированные в базу из эмиттера дырки повышают концентрацию их в базе у эмиттерного перехода, т.е. вызывают появление градиента концентрации дырок, неосновных носителей базы. Этот градиент концентрации дырок обусловливает их диффузионный перенос через базу к коллекторному переходу. При этом имеет место частичная рекомбинация дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок Iб. рек , а коллекторный ток

дырок, подходящих к коллекторному переходу Iкр , будет равен:

Iкр = Iэ р − Iб. рек.

Потеринарекомбинациювбазеучитываются коэффициентомпереносаψ:

Ψ = Iкр / Iэр,

величина которого определяется шириной базы Wб, диффузионной длиной дырок в базовой области Lp и близка к единице.

Поскольку концентрация электронов в базе значительно меньше концентрации инжектированных из эмиттера дырок, вероятность рекомбинации мала

и, если диффузионная длина дырок в базе Lp больше толщины базы Wб, ос-

новная часть дырок достигнет коллекторного перехода.

Под действием ускоряющего поля коллекторного перехода дырки попадают в коллекторную область, создавая коллекторный ток Iк р. Экстракция

дырок может сопровождаться ударной ионизацией, лавинным умножением носителей зарядов в коллекторном переходе.

Процесс умножения носителей зарядов в коллекторном переходе оценивается коэффициентом умножения коллекторного тока:

цепи коллектор – база при Iэ = 0 (обрыв цепи эмиттера) и не зависит от тока

эмиттера. Этот неуправляемый ток коллектора по своей природе аналогичен обратному току полупроводникового диода и называется обратным током коллектора.

46

– статический коэффициент передачи тока эмиттера для схемы с общей базой. Для современных транзисторов величина α достигает 0,99 и больше. Обратный ток коллектора в цепи базы направлен навстречу току Iб.рек, поэтому

общий ток базы можно определить:

Направление тока базы зависит от соотношения между слагаемыми в уравнении (3.5). В активном режиме Iэ(1−α)> Iкб0 .

Поскольку напряжение в цепи коллектора, включенного в обратном направлении, может быть значительно больше, чем в цепи эмиттера, включенного в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление током в цепи эмиттера, т.е. транзистор обладает усилительным эффектом.

В схеме с ОЭ управляющим током будет ток базы. Так как Iэ = Iк + Iб, то

ток коллектора запишем в виде:

Iк = αIэ + Iк.б0 = α(Iк + Iб )+ Iк.б0 ;

Iк −αIк = αIб + Iк.б0;

Iк(1−α)= αIб + Iк.б0 ;

– ток коллектора при нулевом токе базы.

Для схемы с ОК выходным током является ток эмиттера. Поэтому:

Iк = Iэ −Iб = αIэ + Iк.б0;

Iэ = 1−1α Iб + 1Iк−.бα0 = KiIб + Iк.э0 .

47

АналогичнонайдемстатическийкоэффициентпередачитокадлясхемысОК:

Связь эмиттерного и коллекторного переходов обеспечивается базовой областью, т.е. зависит от характера движения носителей в ней. В бездрейфовых транзисторах это движение имеет диффузионный характер и определяется градиентом концентрации носителей в базе, а в дрейфовых транзисторах зависит от имеющегося в базе электрического поля.

3.4. Модель Эберса-Молла

При необходимости анализа работы транзистора в режиме большого сигнала, когда имеют значение его нелинейные свойства, находит применение эквивалентная схема, предложенная Эберсом и Моллом. Она состоит из двух диодов, включенных встречно, и двух источников тока, отображающих взаимодействие этих диодов (рис. 3.6).

где Iэ.б.к, Iк.б.э – тепловые токи эмиттерного и коллекторного переходов, измеренные при коротком замыкании на выходе и входе соответственно ( Uкб = 0 и

Uэб = 0).

Iэ.б.к =1−Iэα.б0αi , Iк.б.к = 1−Iкα.б0αi .

Iэ.б0, Iк.б0 – это обратные токи эмиттерного и коллекторного переходов,

измеряемые соответственно при обрыве коллектора и эмиттера. С учетом (3.9) соотношения преобразуются к виду

48

получим выражение для идеализированных входных (эмиттерных) характеристик транзистора Uэб = f (Iэ) при Uкб = const :

Модель Эберса – Молла описывает поведение транзистора в различных режимах работы, что может быть учтено выбором соответствующей полярности напряжений на переходах транзистора.

3.5.Статические характеристики биполярных транзисторов

всхеме с ОБ

Статические характеристики транзистора отражают зависимость между токами, проходящими в его цепях и напряжениями на электродах транзистора.

За независимые переменные обычно принимают входной ток Iвх, выходное напряжение Uвых , а за зависимые – выходной ток Iвых и входное напряже-

Вид характеристик зависит от способа включения транзисторов. Для каждой схемы включения в активном режиме существует своя совокупность семейств характеристик.

Из трех схем включения транзисторов наибольшее применение получили схемы с ОБ и ОЭ.

В схеме с ОБ транзистор имеет следующие характеристики (рис. 3.7, а-г): Uэ.б = f (Iэ)Uк.б = const – семейство входных (эмиттерных) характери-

стик (рис. 3.7, а);

Iк = f (Uк.б)Iэ = const – семейство выходных (коллекторных) характери-

стик (рис. 3.7, б);

Iк = f (Iэ)Uк.б = const – семейство характеристик прямой передачи

(рис. 3.7, в);

49

Uэ.б = f (Uк.б)Iэ = const – семействохарактеристикобратнойсвязи(рис. 3.7, г). Входная характеристика транзистора при Uкб = 0 представляет с некоторым приближением прямую ветвь вольт-амперной характеристики р-n-перехода.

Увеличение отрицательного напряжения на коллекторе смещает входную характеристику в область больших токов. При постоянном напряжении эмиттера Uэ.б и увеличении напряжения Uк.б, уменьшается ширина базы и увеличи-

вается градиент концентрации дырок в базе, что приводит к увеличению тока

50