Биполярный транзистор 1 страница

4.1 Теоретическая часть

4.1.1 Устройство и принцип действия

Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий три или более выводов. По принципу действия транзисторы разделяют на два основных класса – биполярные и полевые (униполярные). В биполярных транзисторах физические процессы определяются движением носителей заряда обоих знаков – основных и неосновных, что отражено в их названии.

Биполярный транзистор, далее называемый просто транзистором, содержит три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости (n-p-n или p-n-p), которые называются соответственно эмиттером, базой и коллектором; эти области разделены двумя взаимодействующими между собой p-n переходами – эмиттерным и коллекторным. Взаимодействие между переходами обеспечивается благодаря тому, что расстояние между ними (толщина базы) много меньше диффузионной длины неосновных носителей в базе. К полупроводниковым областям созданы омические контакта и внешние выводы. Структура и условное графическое обозначение транзистора приведены на рисунке 4.1: (а) – n-p-n, (б) – p-n-p.

Эмиттер База Коллектор Эмиттер База Коллектор

I_Э I_К I_Э I_К

n p n p n p

I_Б I_Б

а) б)

Рисунок 4.1 – Структура и условное графическое обозначение биполярного транзистора

Принцип действия транзисторов обоих типов проводимости одинаков, поэтому будем рассматривать только транзистор типа n-p-n; для транзистора типа p-n-p отличие состоит только в том, что полярность рабочих напряжений и направления токов противоположны.

Принцип действия транзистора можно рассмотреть на примере простейшей одномерной модели, представленной на рисунке 4.2, а. В этой модели p-n -переходы считаются плоскими, а носители движутся только в одном направлении – вдоль оси x, перпендикулярной переходам. Штриховкой показаны обедненные слои p-n переходов; расстояние между ними дает физическую толщину базы W _Б, а расстояние между металлургическими границами – технологическую толщину базы W_Б0.

L_{об Э} W_Б L_{об К}

Эмиттер База Коллектор

n⁺p n

x

L_{об Э} W_Б0 L_{об К} а)

qδφ

qφ_0Э qφ_0К

E_ф

L_{об К} б)

q(φ_0Э - U_ЭБ) 1 2

E_{ф Э}

1эВ E_{ф Б} q(φ_0К + |U_КБ|)

L_{об Э} W_Б E_{ф К}

0,5 мкм

в)

Рисунок 4.2 – Одномерная модель транзистора (а) и энергетические диаграммы в состоянии равновесия (б) и в активном режиме (в).

Энергетическая диаграмма для одномерной модели в состоянии равновесия (при нулевых напряжениях на переходах) показана на рисунке 4.2, б. Она является совмещением энергетических диаграмм p-n -переходов. Равновесная система характеризуется единым уровнем Ферми Е_Ф. На границе эмиттера и базы образуется энергетический барьер высотой qφ_0Э, а на границе базы с коллектором – барьер высотой qφ_0К. Небольшое искривление границ энергетических зон в базе (разность энергий на границах базы qδφ ~ 0,1 эВ) обусловлено внутренним электрическим полем в базе, возникающим вследствие неравномерного распределения акцепторов; их концентрация у границы базы с эмиттерным переходом значительно выше концентрации у границы с коллекторным переходом. Такое распределение примесей характерно для большинства транзисторов.

В активном режиме, являющимся основным для усилительных схем, на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Энергетическая диаграмма в активном режиме приведена на рисунке 4.2, в. Потенциальный барьер эмиттерного перехода уменьшается на значение прямого напряжения U_ЭБ, что приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу. Основное назначение эмиттера – обеспечить максимально возможную при данном прямом токе одностороннюю инжекцию электронов в базу. Для этого концентрация доноров в эмиттере N_gЭ на границе с переходом должна быть значительно больше концентрации акцепторов в базе: N_gЭ>>N_aБ.

Электроны, инжектируемые в базу, движутся к коллекторному переходу. Это движение является совокупностью диффузии и дрейфа. Диффузионное движение обусловлено повышением вследствие инжекции концентрации электронов в базе около эмиттерного перехода, тогда как около коллекторного перехода она мала из-за экстракции полем этого перехода. Диффузия присуща всем типам транзисторов. Дрейфовое движение вызывается внутренним электрическим полем в базе. Транзисторы с неоднородно легированной базой, в которой существенно дрейфовое движение, называют дрейфовыми. Менее распространены бездрейфовые транзисторы с однородно легированной базой, в которой нет внутреннего электрического поля.

Часть электронов, инжектированных в базу, не доходит до коллекторного перехода вследствие рекомбинации. Однако их число невелико, так как толщина базы мала по сравнению с диффузионной длиной электронов.

Электроны, достигающие коллекторного перехода, втягиваются в него электрическим полем и перебрасываются в коллектор. Таким образом, в активном режиме коллектор собирает инжектированные в базу электроны.

В активном режиме токи коллектора и эмиттера почти одинаковы, а их разность равна току базы. Коллекторный ток практически не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку при любом обратном напряжении все электроны, достигающие в базе коллекторного перехода, попадают в его ускоряющее поле и уносятся в коллектор. По этой причине дифференциальное сопротивление коллекторного перехода r_К = dU_КБ/dI_К очень велико, что характерно для p-n - переходов, включенных в обратном направлении. В цепь коллектора можно включить нагрузочный резистор с достаточно большим сопротивлением R_н без существенного уменьшения коллекторного тока. В то же время дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (r_Э = dU_ЭБ/dI_Э), включенного в прямом направлении, очень мало (r_Э << r_К). При увеличении эмиттерного (входного) тока на ΔI_Э коллекторный ток возрастает приблизительно на то же значение (ΔI_К ~ ΔI_Э). Изменение мощности ΔP_вх = ΔI_ЭΔU_ЭБ = ΔI_Э² r_Э, потребляемой в цепи эмиттера, может быть много меньше изменения мошности ΔP_вых = ΔI_КΔU_КБ = ΔI_К² R_н ~ ΔI_Э² R_н, выделяемой в нагрузке. Говорят, что электрическая схема, содержащая транзистор, источник питания и нагрузочный резистор R_н > r_Э, способна “усиливать” мощность электрического сигнала (ΔP_вых > ΔP_вх), причем коэффициент усиления по мощности ΔP_вых /ΔP_вх = R_н / r_Э.

4.1.2 Схемы включения

В схеме с общей базой (ОБ), представленной на рисунке 4.3, а, напряжения на эмиттере U_ЭБ и коллекторе U_КБ отсчитываются относительно базы – общего электрода для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей.

Эта схема обладает усилением по мощности и напряжению (ΔU_КБ > ΔU_ЭБ), но не обеспечивает усиления тока (ΔI_К ~ ΔI_Э) и характеризуется малым входным сопротивлением (равным сопротивлению эмиттерного перехода при прямом напряжении).

Наиболее широко применяется схема с общим эмиттером (ОЭ), представленная на рисунке 4.3, б, в которой напряжения на базе U_БЭ и коллекторе U_КЭ отсчитываются относительно эмиттерного электрода, общего для входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепей. Так как I_Б = I_Э – I_К << I_К, то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔI_К >> ΔI_Б) и напряжения (ΔU_КЭ > ΔU_БЭ). Кроме того, ее входное сопротивление ΔU_БЭ/ΔI_Б = (ΔU_БЭ/ΔI_Э)(ΔI_Э/ΔI_Б) много больше входного сопротивления схемы ОБ.

В схеме с общим коллектором (ОК), представленной на рисунке 4.3, в, напряжения на базе U_БК и эмиттере U_ЭК отсчитываются относительно коллектора – общего электрода для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей. Так как I_Б << I_Э, то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔI_Э >> ΔI_Б), приблизительно такое же, как и схема ОЭ. В отличие от схем ОБ и ОЭ схема ОК не обеспечивает усиления напряжения и поэтому ее часто называют эмиттерным повторителем. К достоинствам следует отнести высокое входное сопротивление, возрастающее при увеличении сопротивления нагрузочного резистора в цепи эмиттера.

I_Э I_К I_К I_Э

I_Б I_Б

– + + + _ –

U_ЭБ U_КБ U_КЭ U_ЭК

+ I_Б – U_БЭ I_Э – U_БК I_К +

– +

в) а) б)

Рисунок 4.3 – Схемы включения транзистора

4.1.3 Токи в транзисторе

В активном режиме полный ток эмиттера I_Э = I_Эn + I_Эp + I_Эрек состоит из тока I_Эn электронов, инжектированных из эмиттера в базу, тока I_Эp дырок, инжектированных из базы в эмиттер, и тока I_Эрек рекомбинации носителей в эмиттерном переходе. В этой сумме только первый ток является полезным, поскольку он влияет на ток коллектора, два остальных тока являются вредными, и их стремятся уменьшить. С этой целью эмиттер легируют значительно сильнее, чем базу, тогда концентрация электронов в эмиттере будет значительно больше концентрации дырок в базе и I_Эn >> I_Эp.

Движение электронов, инжектированных в базу, сопровождается рекомбинацией части электронов, поэтому ток I_Кn электронов, подходящих к коллекторному переходу, меньше тока I_Эn на величину I_Брек, называемую током рекомбинации в базе, который необходимо уменьшать. I_Брек будет тем меньше, чем меньше толщина базы по отношению к диффузионной длине электронов L_n в базе.

Если напряжение на коллекторном переходе значительно меньше напряжения лавинного пробоя и ударная ионизация отсутствует, то полный ток коллектора I_К = I_Кn + I_КБ0, где I_КБ0 – обратный ток коллектора в схеме с ОБ, не зависящий от тока эмиттера. Как и для одиночного p-n - перехода, обратный ток I_КБ0 состоит из токов термогенерации, теплового и утечки. Ток I_КБ0 может быть измерен при заданном обратном напряжении на коллекторном переходе и отключенном эмиттере (I_Э = 0).

Ток I_Кn – управляемый, т. е. зависит от тока эмиттера и может быть представлен как I_Кn = αI_Э, где α – статический коэффициент передачи тока эмиттера в схеме ОБ. Поскольку I_Кn < I_Эn < I_Э, то α < 1. Таким образом, в активном режиме

I_К = I_Кn + I_КБ0 = αI_Э + I_КБ0, (1)

откуда

α = (I_К - I_КБ0)/ I_Э. (2)

Обычно рабочие токи коллектора I_К значительно превышают величину I_КБ0, тогда можно записать

α = I_Кn / I_Э = γ_Э χ_Б, (3)

где

γ_Э = I_Эn / I_Э = I_Эn / (I_Эn + I_Эp + I_Эрек) (4)

– коэффициент инжекции эмиттера;

χ_Б = I_Кn / I_Эn (5)

– коэффициент переноса.

Коэффициент инжекции γ_Э показывает, какую часть составляет полезный ток инжекции электронов из эмиттера в базу в полном токе эмиттера. Коэффициент переноса χ_Б показывает, какая часть электронов, инжектируемых из эмиттера в базу, достигает коллекторного перехода; значение χ_Б тем ближе к единице, чем меньше электронов рекомбинирует в базе при их движении к коллектору. На коэффициент переноса помимо значений толщины базы и диффузионной длины неосновных носителей существенное влияние оказывает площадь коллекторного перехода. Это объясняется особенностями диффузионного движения носителей заряда. Диффузия происходит как в сторону коллектора, так и в направлении вывода базы и поверхности кристалла, что сопровождается дополнительной рекомбинацией и уменьшением коэффициента переноса. Для уменьшения рассеивания неосновных носителей площадь коллекторного перехода делают значительно больше площади эмиттерного перехода.

Значение коэффициента α зависит от тока эмиттера и напряжения U_КБ. В области малых токов эмиттера коэффициент инжекции значительно меньше единицы, поскольку диффузионные токи эмиттерного перехода значительно меньше рекомбинационных. При увеличении тока эмиттера диффузионные токи возрастают быстрее рекомбинационных, поэтому коэффициенты инжекции и переноса увеличиваются, что приводит к росту α. Область больших токов соответствует высокому уровню инжекции, при котором проявляется несколько физических эффектов, приводящих к уменьшению α. Одним из таких эффектов является уменьшение удельного сопротивления базы, вызванное увеличением концентрации инжектированных в базу носителей. Это сопровождается уменьшением коэффициента инжекции и α.

Зависимость α от напряжения U_КБ определяется изменением (модуляцией) толщины базы и лавинным умножением носителей зарядов в запирающем слое коллекторного p-n -перехода; то и другое приводит к росту α при увеличении напряжения U_КБ.

Из соотношения I_Б = I_Э – I_К и выражения (1) получаем

I_Б = (1 – α)I_Э – I_КБ0.

При некотором очень малом токе эмиттера, равном I_КБ0 / (1 - α), ток базы равен нулю. Однако рабочие токи эмиттера значительно превышают I_КБ0 / (1 - α), и тогда

I_Б = (1 – α)I_Э = I_Э – I_Кn = I_Эp + I_Эрек + I_Брек. (6)

Для схемы ОЭ в активном режиме из (1) и условия I_Э = I_К + I_Б получаем

I_К = βI_Б + (1+β) I_КБ0 = βI_Б + I_КЭ0, (7)

где

β = α / (1 – α) = (I_К – I_КБ0) / (I_Б + I_КБ0) (8)

– статический коэффициент передачи тока базы.

ГОСТ 20003-74 вводит термин «статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора» с обозначением h_21Э как «отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор-эмиттер и токе эмиттера в схеме с общим эмиттером». Фактически h_21Э = β. По аналогии можно ввести обозначение h_21Б = α.

В то время как α < 1, значения β могут быть очень большими, напрмер α = 0,99 соответствует β = 100.

Учитывая соотношение между коэффициентами α и β (8), можно сделать вывод о том, что β также зависит от тока эмиттера и напряжения на коллекторном переходе, причем эта зависимость более сильная, чем у α.

Ток I_КЭ0 = (1+β) I_КБ0 представляет собой неуправляемую (т. е. не зависящую от тока базы) составляющую коллекторного тока и называется обратным током коллектора в схеме с ОЭ. Таким образом, в схеме с ОЭ неуправляемый ток коллектора в β + 1 раз больше, чем в схеме с ОБ. Причина заключается в том, что ток I_КБ0 является одной из составляющих базового (входного) тока, усиливаемого транзистором при его включении с ОЭ. Большое значение тока I_КЭ0 является существенным недостатком схемы с ОЭ.

4.1.4 Статические вольт-амперные характеристики (ВАХ)

Статическими ВАХ называют графики, выражающие функциональную связь между токами и напряжениями транзистора. В зависимости от того, какие напряжения и токи принимаются за независимые переменные, возможны различные системы функциональной связи и соответствующие им семейства статических характеристик. Среди этих семейств характеристик наибольшее распространение получили статические характеристики, относящиеся к системе, в которой в качестве независимых переменных приняты входной ток и выходное напряжение:

U_вх = f (I_вх, U_вых);

I_вых = f (I_вх, U_вых).

В статическом режиме эти зависимости выражаются четырьмя семействами характеристик:

– входными:

U_вх = f (I_вх) при U_вых = const;

– выходными:

I_вых = f (U_вых) при I_вх = const;

– обратной связи:

U_вх = f (U_вых) при I_вх = const;

– прямой передачи:

I_вых = f (I_вх) при U_вых = const.

Вид характеристик зависит от способа включения транзистора. Для однозначного установления зависимости между токами и напряжениями транзистора достаточно иметь два семейства характеристик. Наибольшее применение получили входные и выходные характеристики. Характеристики обратной связи и прямой передачи применяются редко и могут быть получены из входных и выходных характеристик путем перестроения.

4.1.4.1 Входные характеристики

–U_ЭБ U_КБ = 0

10 В

U_КБ

0 I_Э

Рисунок 4.4 – Семейство входных характеристик транзистора, включенного с ОБ

Входными характеристиками транзистора, включенного с ОБ, называют семейство характеристик, выражающих зависимость U_ЭБ = f (I_Э) при постоянных значениях напряжения U_КБ, которое является параметром семейства входных характеристик. Типичное семейство входных характеристик для маломощного n-p-n транзистора показано на рисунке 4.4. Отрицательные значения напряжения U_ЭБ соответствуют прямому включению эмиттерного перехода. Характеристика для U_КБ = 0 практически совпадает с ВАХ p-n -перехода. В активном режиме (U_ЭБ < 0, U_КБ > 0) при увеличении U_КБ происходит смещение входной характеристики в область меньших напряжений (вниз). Это обусловлено уменьшением толщины базы за счет расширения области пространственного заряда при увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе (эффект Эрли). Если поддерживать постоянным ток I_Э, то градиент концентрации электронов в базе должен оставаться неизменным, т. е. должна уменьшаться концентрация электронов на границе эмиттерного перехода n_БЭ (рисунок 4.5,а). Это может происходить только за счет уменьшения напряжения U_ЭБ.

В режиме насыщения (U_ЭБ < 0, U_КБ < 0) происходит инжекция электронов в базу не только из змиттера, но и из коллектора. Концентрация электронов на границе коллекторного перехода n_БК будет возрастать с увеличением прямого напряжения U_КБ. Для сохранения постоянного значения тока I_Э необходимо поддерживать постоянство градиента концентрации электронов в

n_P I_Э = const

U'_КБ > U_КБ

U'_ЭБ< U_ЭБ

n_БЭ

U_КБ > 0

n'_БЭ

U'_КБ Коллектор

n_P0

w'_Б x

w_Б

Рисунок 4.5, а – Распределение электронов в базе транзистора при различных напряжениях коллектор – база и постоянном токе эмиттера (активный режим)

n_P I_Э = const

n'_БЭ |U'_КБ| > |U_КБ|

U'_ЭБ > U_ЭБ

n_БЭ U'_КБ

U_КБ < 0 Коллектор

n_P0

w_Б x

w'_Б

Рисунок 4.5, б – распределение электронов в базе транзистора при различных напряжениях коллектор – база и постоянном токе эмиттера (режим насыщения)

базе (рисунок 4.5, б). Это обеспечивается одновременным ростом концентрации электронов на границе эмиттерного перехода n_БЭ за счет увеличения напряжения U_ЭБ. Таким образом, при увеличении прямого напряжения на коллекторном переходе и постоянном токе I_Э входная характеристика смещается в область больших напряжений (вверх).

U_БЭ

U_КЭ 10 В

U_КЭ = 0

0 I_Б

Рисунок 4.6 – Входные характеристики транзистора, включенного с ОЭ

В схеме с ОЭ входные характеристики (рисунок 4.6) – это зависимости U_БЭ = f (I_Б) с параметром U_КЭ. При U_КЭ = 0 оба p-n -перехода транзистора оказываются включенными в прямом направлении, т. е. транзистор работает в режиме насыщения. Электроны инжектируются из эмиттера и коллектора в базу, где часть их рекомбинирует с дырками. В цепи базы протекает ток, определяемый рекомбинацией, а также инжекцией дырок из базы в эмиттер и коллектор. Входная характеристика представляет собой ВАХ двух параллельно включенных p-n -переходов. При увеличении напряжения U_КЭ транзистор переходит в активный режим (при U_КЭ > U_БЭ), т. е. коллекторный переход включается в обратном направлении и в цепи базы проходит ток

I_Б = I_Брек – I_КБ0 = (1 – α) I_Э – I_КБ0.

При U_БЭ = 0 ток эмиттера равен нулю и в цепи базы протекает ток I_Б = – I_КБ0. Увеличение напряжения U_БЭ сопровождается ростом рекомбинационной составляющей тока базы (1 – α) I_Э и при некотором значении U_БЭ ток базы становится равным нулю. Дальнейшее увеличение напряжения U_БЭ сопровождается ростом тока базы. При одинаковых значениях U_БЭ ток базы в активном режиме будет меньше, чем в режиме насыщения. Это обусловлено тем, что прекращается инжекция дырок из базы в коллектор и уменьшается ток рекомбинации из-за снижения заряда электронов в базе. Входная характеристика для активного режима пройдет дальше от оси токов.

При больших обратных напряжениях на эмиттерном переходе наблюдается пробой. Механизм пробоя эмиттерного перехода является туннельным вследствие высокой концентрации примесей. Напряжение пробоя снижается при увеличении концентрации примесей и уменьшении радиуса кривизны эмиттерного перехода; типичные значения составляют 5 – 8 В.

4.1.4.2 Выходные характеристики

Выходными характеристиками транзистора, включенного с ОБ, называют семейство характеристик, выражающих зависимость I_К = f (U_КБ) при использовании в качестве параметра тока I_Э. Семейство выходных характеристик n-p-n транзистора показано на рисунке 4.7. Область характеристик при U_КБ > 0 соответствует активному режиму, где ток коллектора равен I_К = αI_Э + I_КБ0. Так как α мало отличается от 1, а ток I_КБ0 очень мал по сравнению с рабочими значениями I_К, то можно считать, что ток коллектора практически равен току эмиттера. Поскольку значение α зависит от I_Э и U_КБ, выходные характеристики располагаются неэквидистантно (на различном расстоянии друг от друга) при одинаковых изменениях тока эмиттера.

I_К Активный режим

I_Э

4 мА

Режим

насыщения 3 мА

2 мА

1 мА

I_Э = 0

0 Режим отсечки U_КБ

Рисунок 4.7 – Семейство выходных характеристик транзистора, включенного с ОБ

Область характеристик при U_КБ < 0 и I_Э > 0 относится к режиму насыщения, где с ростом прямого напряжения коллекторного перехода экспоненциально возрастает его ток инжекции. Инжектируемые из коллектора электроны движутся навстречу экстрагируемым из базы, в результате полный ток коллектора уменьшается и даже может изменить направление.

Границей между активным режимом и режимом отсечки является характеристика, снятая при I_Э = 0. Она представляет собой обратную ветвь ВАХ коллекторного p-n -перехода. При увеличении положительного напряжения на коллекторе его ток быстро достигает значения I_КБ0. Дальнейший рост положительного напряжения U_КБ до определенного значения сопровождается незначительным увеличением тока I_К, причиной чего является рост токов генерации и утечки в коллекторном p-n -переходе. При достижении напряжением U_КБ некоторого значения коэффициент лавинного умножения становится больше единицы, что сопровождается резким возрастанием тока I_К и пробоем коллекторного перехода. Напряжение пробоя коллекторного перехода при I_Э = 0 называют пробивным напряжением коллектор-база и обозначают U_{КБ0проб}. С увеличением токов эмиттера и коллектора напряжение пробоя уменьшается, и лавинный пробой может перейти в тепловой.

Дата добавления: 2015-05-06