3. Биполярные транзисторы

Вид материала

Документы

Содержание Н-параметры транзистора 3.5. Инерционные свойства биполярного транзистора. Работа транзистора на высоких частотах. Процессы в схеме с общим эмиттером 3.7. Дрейфовые транзисторы.

Подобный материал:

• Общая трудоемкость изучения дисциплины составляет 3 зет (108 час), 49.28kb.
• Вопросы вступительных испытаний в магистратуру, 43kb.
• Транзисторы биполярные, 28.15kb.
• 1. Какие требования предъявляются к транзисторам рэ в стабилизаторах с импульсивным, 463.58kb.
• «биполярные расстройства», 389.34kb.
• Мощные высокочастотные транзисторы, 2370.77kb.
• Лекция 14, 113.82kb.
• Номинальная мощность на нагрузке:, 46.39kb.
• 4. Полевые транзисторы, 184.54kb.
• Mosfet транзисторы в компактном корпусе для smd монтажа qfn3333 от компании nxp, 10.52kb.

3.Биполярные транзисторы


Биполярные 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

I_э I_к







+ Б

U_эб U_кб

+


I_э I_к







I_б


w n-p-n


n⁺ n

p

Э К

I_э I_к







Б +

U_эб U_кб

+





I_э I_к







I_б


Средний слой - база , эмиттер - сильно легированная наружная область. Эмиттерный переход смещен прямо. Второй переход - коллекторный смещен в обратном направлении.

Различают :

1. 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 ;

2. 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 :

I_к=aI_э+I_кб0 ;

a - коэффициент передачи тока эмиттера (h_21б в схеме с ОБ).

I_кб0 - обрптный ток коллекторного перехода при отключённом эмиттере , т.е. при I_э=0 a меньше I , т.е. ток I_к - это часть тока I_э .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 I_кб0 - 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 I_кб0 :

I_б=(1-a)I_э- I_кб0 .

Баланс токов (закон Кирхгофа) : I_э= I_к+ I_б

Ток базы мал : I_б << I_э , т.к. a»1 (от 0,9 до 0,999)

I_к » I_э

2. Статические характеристики транзистора.
   

3.2.1 Схема с общей базой (с ОБ)


I_э I_к







+

U_эб I_б U_кб + p-n-p






I_э I_к






+ U_эб U_кб + n-p-n




I_б




Выходные характеристики - это семейство кривых

I_к=f (U_кб) при I_э=const.

В упрощенной формуле I_к=aI_э+I_кб0 , по которой I_к вообще не зависит от U_кб , нужно добавить ещё одно слагаемое , учитывающее небольшой рост тока коллектора при увеличении U_кб за счёт расширения коллекторного перехода и соответствующего сужения базы :



где r_к.диф - дифференциальное сопротовление коллекторного перехода , или



где h_22б - выходная проводимость транзистора в схеме ОБ


I_к , мА

8 мА




6 мА





4 мА





2 мА




I_э=0




область 0 нормальная активная область |U_кб|

насыщения


Входные характеристики.


I_э=j(U_эб) при U_кб=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.

,

a_N - коэффициент передачи тока эмиттера.

a_I - коэффициент передачи тока коллектора в инверсном активном режиме.

I_эб - тепловой ток эмиттерного перехода при I_к=0.

I_э


Ge Si




U_кб>0 U_кб=0





0 0,5 1 U_эб , В


Эквивалентная схема транзистора (типа p-n-p).

r_б = 200...300 Ом , r_к.диф = 0,5...1Мом , a=0,95...0,99 , I_кб =0,5...5 мкА





I_эб




I_эб I_к

aI_э

Э К


r_б

r_к.диф

Б

2. Схема с общим эмиттером
   

n-p-n p-n-p




I_к I_к

I_б + I_б -

U_кэ - U_кэ +

+ -

- U_бэ I_э + U_бэ I_э




Источники U_кэ и U_бэ обеспечивают нормальный активный режим работы транзистора. Оба источника имеют одинаковую полярность. Напряжение |U_бэ| < |U_кэ| , чтобы коллекторный переход был смещён обратно. Из уравнения

,

подставив уравнение Кирхгофа I_э = I_к + I_б , получим :

Выразим ток коллектора через ток базы :



Обозначим - коэффициент передачи тока базы ;

; - дифференциальное сопротивление коллектора.

Получим I_к=bI_б +U_кэ/r^*_к.диф

Второе слагаемое (b+1)I_кб0 =I_кэ0 - 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 r_к.диф , т.е. влияние напряжения на коллекторе на величину тока коллектора значительно сильнее.

Значение b = 20...300 .


Выходные характеристики


I_к=f(U_кэ) при I_б=const.

I_к , мА




0,35 мА

8




7 0,30 мА


6 0,25 мА


5 0,20 мА

4

0,15 мА

3

0,10 мА

2

0,05 мА

1

I_кэ = 0



0 2 4 6 8 10 12 U_кэ , В


Входные характеристики

I_б , мА




0,5 Ge Si




0,4 5 В 5 В


0,3 U_кэ=0 U_кэ=0


0,2


0,1




0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 U_бэ , В

При U_кэ=0 область, а на­сыщения если U_кэ > U_бэ нормальная активная область и ток базы не зависят от U_кэ.


Эквивалентная схема транзистора по постоянному току в схеме с ОЭ.


(b+1)I_кб0




I_б bI_б I_к

Б r_б К









U_бэ r^*_к.диф

I_э U_кэ


Э

r_б = 200...300 Ом r^*_к.диф = 5...10 кОм b = 10...300

3. Дифференциальные 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


С_к




DI_б a_диф DI_э DI_к

Э r_э.диф К







r_б

DU_эб DI_б r_к.диф

D U_кэ


Б


DI_к =a_диф DI_э + DU/z_к.диф ; r_э.диф - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода при DU_кб=0

Это сопротивление зависит от положения рабочей точки (точка покоя I_э.0) :



при U_кб=const - дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера.

С_к - ёмкость коллекторного перехода , которая шунтирует генератор тока a_диф DI_э . Она проявляется при работе на высоких частотах сигнала . r_к.диф имеет тот же смысл , что и в схеме по большому сигналу.


Малосигнальная схема с ОЭ


С_к^*





DI_б b_дифDI_б DI_к

r_б <<













r_э.диф r ^*_к.диф




DU_бэ DI_э DU_кэ





DI_k=b_дифDI_б+(DU_кэ/Z^*_к.диф)

В этой схеме по аналогии с r^*_к.диф определяется и реактивное сопротивление

X_ck*=X_ck/b_диф+1,

откуда C^*_k=(b_диф+1)/C_k - емкость коллектора в схеме с ОЭ.

4. Н-параметры транзистора
   

Биполярный 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 DU₂







Для 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+h₂₂DU₂


h₁₁ = 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’.

h_11б h_11э

h_21б=-a_диф h_21э=b_диф.

h_22б»1/r_к.диф h_21э»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)=p_ne^Uэб/jm, у коллекторного p(W)=p_ne^Uкб/jm»0.

Заряд в базе Q_б.н зависит от напряжения на эмиттерном переходе:

Q_б.н=qП(p(0)W/2).

Ток коллектора - это ток диффузии неосновных носителей через базу

I_k=-qD_бП(dp/dx)=qПD(p(o)/W)

Значение I_к зависит от заряда в базе:

I_k=2DQ_бн/W²=Q_бн/t_D

Здесь t_D=W²/2Q_б - время диффузии неосновных носителей через базу. Каждому значению U_эб соответствует свое установившееся значение заряда Q_бн 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 I_э изменится скачком на DI_э , то ток коллектора изменится на величину DI_к=a_дифDI_э не мгновенно, а по экспоненциальному закону, с постоянной времени t_a.


I_э I_к




DI_э






0 t_a 2t_a 3t_a t


Это можно рассматривать как изменение коэффициента передачи тока во времени по экспоненте: a_диф(t)=a₀(1-e^-t/ta), где a₀ - установившееся значение. Если использовать преобразование Лапласа для функции a_диф(t) , то коэффициент передачи тока в операторной форме равен a(р)=a₀/1+рt_a, где p - оператор Лапласа.

Постоянная времени t_a»t_D равна времени диффузии, т.е. зависит от толщины базы.

Если переменная составляющая тока эмиттера имеет вид синусоидального колебания DI_э=I_эmcos vt, коллекторный ток также имеет будет синусоидальным, при этом коэффициент a_диф может быть найден из a(p) подстановкой p=jw. Таким образом, a зависит от частоты


a_диф(jw)=a₀/(1+jwt_a)=a₀/(1+j(w/w_a))


Здесь w_a=1/t_a - 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:


a_диф(w)=a₀/ ?


но и увеличивается задержка (запаздывание по фазе) тока коллектора:

tga=-w/w_a


При w®¥ a_диф®0 j®-p/2


Реальные зависимости a(w) и j(w) совпадают с этими формулами только в диапазоне частот до w_a





1


0.7




0.1 1 10 w/w_a




-p/4





-p/2


j реальная зависимость


Чем тоньше база, тем меньше t_D=W²/2D_б , тем выше предельная коэффициента a_диф.


Процессы в схеме с общим эмиттером

Если входной ток базы I_б изменить скачком на величину DI_б , то ток коллектора получит приращение DI_к=b_дифDI_б , но не мгновенно, а также по экспоненте с постоянной времени t_b. Это равноценно тому, что коэффициент передачи тока базы b_диф является функцией времени:

b_диф(t)=b₀(1-е^-t/tb) или в операторной форме b(p)=b₀/(1+pt_b)

где b₀ - установившееся значение.




i_к


DI_к





i_б







0 t_b 2t_b 3t_b 4t_b t


Если же колебания базы имеют форму синусоиды, то коэффициент передачи b_диф является комплексной функцией частоты, т.е.

b_диф(jw)=b₀/(1+jwt_b)=b₀/(1+j(w/w_b)), где w_b=1/t_b - предельная частота коэффициента передачи тока базы, на которой коэффициент b_диф по модулю уменьшается до уровня 0.7 от b₀.

Постоянную времени t_b (или частоту v_b) можно связать с постоянной t_a (или частотой w_a):

????

Отсюда видно, что t_b=t_a/(1-a₀)=(b₀+1)t_a; где t_b в (b₀+1) раз больше t_a т.е. предельная частота w_b в (b₀+1) раз ниже, чем частота w_a. 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 w_гр, на которой модуль |b| становится равным 1.

При w>w_b формула для b_диф(w) упрощается:

b_диф(w)»b₀/(w/w_b)=b₀w_b/w.

Отсюда w_гр найдем, приравнивая b=1: w_гр=b₀w_b т.е. w_гр»w_a

В справочниках приводятся не круговые, циклические частоты:

f_h21б=f_a f_h21э=f_b f_гр f_max.

F_max - 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 N_a(x) уменьшается по экспоненте:

N_a(x)=N_a(0)e^-x/Lд

где L_д - средняя длина диффузии примеси.





Б




К N_a

p n n⁺




Э




n⁺




W x

исходная пластина 0 W

коллекторный переход


Диффузионная технология позволяет получить очень тонкую базу, а это уже само по себе сокращает время пролета неосновных носителей через базу, что дает выигрыш:

1. в быстродействии
   
2. в коэффициенте передачи: b»1/W²
   

В 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 Е_б=j_m/L_д 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 дрейфа

t_др=W/V=W/mE_б=WL_д/D_б

а время диффузии за счет градиента

t_D=W₂/2D_б

Отношение t_D/t_др=W/2L_д называют коэффициентом поля h.

В дрейфовых транзисторах коэффициент h достигает 8..10. При таком сильном внутреннем поле базы Е_б градиент концентрации неосновных носителей гораздо меньше, чем в бездрейфовом транзисторе при таком же значении тока I_к, 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 Е_б - позволили существенно уменьшить диффузионную емкость

С_э.диф=t_пр/h_э.диф ,

повысить предельную частоту w_a=1/t_пр

Предельные частоты доходят до 5000 МГц у Si и 10000 МГц у Ge.





N_б(x)




h=0


h=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 С_к значительно меньше, а дифференциальное сопротивление r_к.диф выше - несколько МОм.

Однако, заметно возросло объемное сопротивление коллектора r_к - несколько десятков Ом.

Достоинства дрейфовых транзисторов:

1. хорошие частотные свойства.
   
2. малые величины емкостей.
   
3. малое сопротивление базы.
   

Недостатки:

1. малое пробивное напряжение эмиттерного перехода (запирающее) U_{эб.пробоя}=1..6 В
   
2. большая величина объемного сопротивления коллектора
   
3. 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.