69005

Фізичні процеси в біполярних транзисторах з декількома p-n переходами

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Для забезпечення інжекції вприскування дірок з емітера в базу необхідна пряма емітерна напруга. Це відбувається тому що товщина бази W значно менше дифузійної довжини вільного пробігу дірок LP. Колекторна напруга вибирається зворотною UК тому виникає екстракція втягування дірок із бази...

Украинкский

2014-09-28

308 KB

5 чел.

Тема 5.  Фізичні процеси в біполярних транзисторах з декількома p-n переходами

8. Біполярні транзистори

8.1. Основні відомості про біполярні транзистори

Транзистори використовуються в схемах підсилення й генерації сигналів і широко розповсюджені в телекомунікаційній апаратурі завдяки своїм перевагам:

  •  малим розмірам та масам;
  •  великому терміну експлуатації (десятки тисяч годин);
  •  можливості використання низьковольтних джерел живлення;
  •  високому ККД;
  •  високій механічній стійкості.

До основних недоліків транзисторів відносяться великий розкид параметрів і залежність параметрів від температури.

Класифікацію транзисторів проводять за різними ознаками.

Класифікацію за видом носіїв зарядів приведено на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Класифікація транзисторів

У біполярних транзисторах струм створюється двома носіями заряду - електронами й дірками, в уніполярних – одними (або електронами, або дірками).

Позначення транзистора складається з трьох елементів:

  •  1-й елемент (цифра або буква) – відповідає напівпровідниковому матеріалу: 1(Г) – германій; 2(К) – силіцій; 3(А) – арсенід галію;
  •  2-й елемент (буква): Т – для біполярного транзистора, П – для польового транзистора;
  •  3-й елемент (три цифри) – перша характеризує частоту й потужність транзистора, друга й третя – номер за порядком розробки.

Цифри, що стоять на першому місці третього елемента позначення (1-9), приведено в табл. 8.1.

Частотний діапазон

Потужність

Малої потужності

<0,3 Вт

Середньої потужності

0,3...1,5 Вт

Великої потужності

>1,5 Вт

Низької частоти

<3 мГц

1

4

7

Середньої частоти

3...30 мГц

2

5

8

Високої частоти

>30 мГц

3

6

9

  •  4-й елемент (буква) – характеризує різновид параметрів транзистора.

Приклад позначення транзистора:

КТ121Б – кремнієвий біполярний транзистор малої потужності, низької частоти, порядковий номер розробки – 21, різновид параметрів – Б.

8.2. Будова та принцип роботи біполярного транзистора

Біполярний транзистор – це напівпровідниковий прилад, який має два електронно-діркових переходи, які взаємодіють між собою.

Отже, в транзисторі існують три p- і n- області, що чергуються. Вони можуть чергуватися у послідовності p-n-p або n-p-n. У залежності від цього розрізняють транзистори типів p-n-p та n-p-n.

Структури та схемні позначення біполярного транзистора показані на    рис. 8.2.

Рис. 8.2. Структури та схемне позначення БТ

Середню область транзистора називають базою (Б), одну крайню область називають емітером (Е), іншу – колектором (К).

До кожної з областей припаяні виводи, за допомогою яких транзистор підключається в електричний ланцюг.

Один з p-n переходів транзистора між Е та Б називають емітерним переходом (ЕП), другий - між К та Б - колекторним (КП).

Конструкція транзистора визначається його потужністю й методом утворення p-n переходу, тобто технологією його виготовлення.

Широкого розповсюдження отримали наступні технологічні методи:

  •  метод вплавлення, котрим отримують сплавні (бездрейфові) транзистори;
  •  метод дифузії, що забезпечує отримання дифузійних (дрейфових) транзисторів.

Розглянемо технологію виготовлення сплавного германієвого малопотужного транзистора типу p-n-p.

У пластинку германію розміром 0,12,72,7, легованого сурмою, у водні при Т = 500-560оС з двох сторін вплавляють пластинки акцепторної речовини (індію) (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Технологія виготовлення сплавного транзистора

При цьому в товщі германію утворюються два  p-шари, що являють собою емітер і колектор транзистора. У результаті утворюється тришарова структура з двома електронно-дірковими переходами, близько розташованими один відносно іншого (50-60 мкм). Таким чином, отримуються дві крайні сильнолеговані області (емітер і колектор) і слаболегована область бази з малою товщиною. Область колектора має більші розміри, ніж область емітера.

Потім германієву пластинку закріплюють на металевому кристалотримачі й розміщують в герметичний металічний корпус.

Виводи емітера й колектора пропускають крізь скляні ізолятори, закріплені в корпусі, вивід бази з’єднують з корпусом. Потужність розсіювання таких транзисторів не перевищує 0,3 ВТ.

Обмеження потужності в таких транзисторах повязане з неможливістю ефективного відводу тепла від колекторного переходу.

У більш потужних транзисторах для кращого відводу тепла колектор зєднують з корпусом. При використанні тепловідводу для отримання мінімального теплового опору між корпусом транзистора й тепловідводом розміщують спеціальні прокладки й пасти.

Завдяки відносній простоті сплавна технологія набула широкого застосування. Однак вона не дозволяє отримувати достатньо однорідні p-n переходи більшої площі з будь-якою товщиною базової області.

Це накладає обмеження на допустиму потужність розсіювання та частотний діапазон.

Сплавні транзистори мають допустиму потужність розсіювання до 250 ВТ при струмі колектора до 30 А та напруги живлення колектора до 60 В, та розраховані на роботу на порівняно низьких частотах – до 30 мГц.

Більш досконалою є дифузійна технологія. Транзистори, виконані за цією технологією, називають дрейфовими. Відмінність їх у тому, що база легується нерівномірно (в дрейфових транзисторах при сплавній технології база легується рівномірно).

За дифузійною технологією виготовляють і інтегральні транзистори     (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Конструкція інтегрального транзистора

- Низькочастотні малопотужні силіцієві транзистори мають епітаксіально-планарну структуру і для них характерні великі ємності переходів (10-100 пФ).

  •    Високочастотні малопотужні транзистори відрізняються від низькочастотних меншими площами переходів, товщинами бази та колектора. Ємності переходів не більше 10 пФ.
  •  Надвисокочастотні транзистори найчастіше мають n-p-n структуру з більшою рухомістю електронів. Вони мають товщину бази 0,1- 0,3 мкм при більш високій концентрації домішок. Застосовується смугова конструкція емітера з тонкоплівочними виводами бази та емітера. Бар’єрні ємності переходів складають десяті долі пікофарад. Корпуси мають плоскі виводи, застосовуються й безкорпусні транзистори. Досягнута fмеж = 10 ГГц при             P = 1 Вт.
  •  Потужні транзистори виконуються багатоемітерними з більшими напругами й струмами колектора. Напруга Uк макс може досягати 5 кВ, а частота – до 4 мГц.

На транзистори суттєво впливає температура.

При підвищенні температури підвищується концентрація носіїв зарядів. Це призводить до збільшення прямих і зворотних струмів, а, отже, до зміни режиму роботи апаратури. Тому необхідно приймати заходи для підвищення термостійкості каскадів з транзисторами. Наприклад, введення додаткового зворотнього звязку.

Меншу температурну нестабільність мають силіцієві транзистори.

Зараз при виготовленні транзисторів починають застосовувати, наприклад, карбід кремнію. Він зберігає дієздатність до Т = 500-600оС.

У підсилювачах, генераторах і інших каскадах БТ можуть підключатися зі спільним емітером (СЕ), спільною базою (СБ) та спільним колектором (СК). Особливості різних підключень БТ будуть розглянуті пізніше. Зараз розглянемо принцип роботи БТ на прикладі підключення зі СБ.

      

8.2.1. Принцип роботи транзистора

Принцип роботи транзисторів p-n-p та n-p-n типів однаковий. Тому розглянемо процеси в транзисторах p-n-p типу та зупинимося на особливостях роботи транзисторів n-p-n типу.

Найважливішою умовою роботи транзистора є наявність тонкої слаболегованої бази, розташованої між двома сильнолегованими областями – емітером та колектором.

ЕП використовують у режимі інжекції, КП – екстракції.

Для забезпечення роботи транзистора між його електродами прикладаються постійні напруги, під дією яких у транзисторі протікають струми (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Структура біполярного транзистора

Напругу між Е та Б називають емітерною (UЕ), між К та Б – колекторною (UК), причому . Для забезпечення інжекції (вприскування) дірок з емітера в базу необхідна пряма емітерна напруга. Інжектовані через ЕП дірки проникають усередину бази, де вони стають неосновними носіями, проходять через тонкий шар бази й досягають колекторного переходу раніше, ніж пройде їх рекомбінація з електронами. Це відбувається тому, що товщина бази W  значно менше дифузійної довжини вільного пробігу дірок LP.

Колекторна напруга вибирається зворотною (-UК), тому виникає екстракція (втягування) дірок із бази в колектор електричним полем колекторного переходу. Дірки досягають колекторного переходу, і крізь колекторний перехід буде проходити струм, значення якого пропорційне кількості дірок, інжектованих емітером, тобто емітерному струму

.

Коефіцієнт пропорційності  називається диференціальним коефіцієнтом передачі струму емітера. Про нього докладніше буде сказано нижче, тут же відмітимо, що    1, тобто . Це означає, що колекторний струм наближено можна вважати однаковим з емітерним. 

8.2.2. Струми електродів

У БТ існують такі струми електродів: IЕ – струм емітера, IК – струм колектора, IБ – струм бази.

Струм кожного електроду транзистора складається з суми електронної (In) та діркової (Ip) складових (хоча електрони й дірки рухаються в протилежних напрямках)

.

Протилежний напрям руху дірок та електронів компенсується їх протилежними знаками.

За позитивний напрям струму приймають напрямок руху дірок, тобто від позитивного виводу джерела струму до його негативного виводу.

Найбільшим струмом у схемі зі СБ є струм емітера

,

де  < 1.

Коефіцієнт  залежить від конструктивних властивостей БТ, які визначаються коефіцієнтами , та  

                                                         ,                                                     (1)

де  - коефіцієнт інжекції емітера;

            - коефіцієнт переносу носіїв у базі;

            - коефіцієнт ефективності колектора.

Для ефективної роботи БТ необхідно, щоб диференційний коефіцієнт передачі наближався до 1.

Для цього необхідно, щоб кожний множник формули (1) був близьким     до 1. Ця умова може бути тільки теоретичною.

Розглянемо струми транзистора і коефіцієнти , та .

Струм емітера

Це струм, що протікає крізь ЕП за рахунок інжекції дірок у базу. Він складається з двох складових

,

де  - діркова складова струму емітера (з Е в Б);

     - електронна складова струму емітера (з Б в Е).

При прикладанні прямої напруги і в зв’язку з великим легуванням емітера порівняно з базою, кількість дірок, інжектованих з Е в Б, буде більше кількості електронів, що рухаються в протилежному напрямку. Отже, майже весь струм через ЕП зумовлений дірками

                  

.

Для оцінки ефективності емітера використовують коефіцієнт інжекції емітера

.

Чим кращий емітер, тим ближче коефіцієнт інжекції до 1. Для збільшення   необхідно зменшувати ширину бази. При цьому збільшується градієнт концентрації, й дірки будуть краще проходити крізь перехід.

Струм бази

Виникає за рахунок рекомбінації дірок у базі.

Невелика частина дірок, проходячи крізь базу, рекомбінує з електронами і приймає участь у створенні струму бази IБ, що проходить по електричному ланцюгу: +ЕЕ, Е, Б, -ЕЕ.

За першим законом Кірхгофа можна записати 

,

,

де (1 - ) – складова струму бази за рахунок рекомбінації.

Для оцінки впливу рекомбінації дірок у базі на підсилювальні властивості транзистора використовується коефіцієнт переносу носіїв у базі, котрий показує, яка кількість інжектованих емітером дірок досягає колекторного переходу

.

Чим менше товщина бази й концентрація електронів у ній, тим ближче наближається до 1.

.

Прийнявши   = 1, встановимо звязок  між коефіцієнтами , ,

,

З іншого боку

,

де W – товщина бази;

     Lp – довжина вільного пробігу дірок.

Струм колектора

Повний струм колекторного переходу для транзистора, що розглядається на рис. 8.6, має дві складові:

,

  - керований струм, що протікає по електричному ланцюгу: +ЕК, Е, Б, -ЕК. Як було показано раніше . Він виникає при дії зворотної напруги на КП, який є струмом екстракції дірок із бази, що з’являються там з емітера при прямій напрузі на ЕП.

  - невеликий некерований зворотній (власний) струм колекторного переходу, викликаний рухом дірок бази й електронів через КП під дією зворотної колекторної напруги.

Струм  у першому наближенні можна вважати  однаковим зі струмом , який є довідниковим параметром і характеризує якість транзистора. Він визначається при розімкнутому ланцюгу емітера (рис. 8.6).   

Рис. 8.6. Вимірювання струму

Таким чином

.

Для оцінки можливостей колектора застосовують коефіцієнт , котрий називають ефективність колектора. Він визначається відношенням струму колектора, за винятком струму , до керованої діркової складової цього струму ()

.

8.3. Розподіл потенціалу та концентрації носіїв заряду в транзисторі

8.3.1. Розподіл потенціалу

Вважаємо концентрацію домішок у Б, Е і К постійною, що типово для сплавних транзисторів.

Нехай до емітерного переходу транзистора прикладена пряма напруга (UЕ), а до колекторного переходу – зворотна напруга (UК). Області емітера і колектора мають високу концентрацію домішок, а отже, малий опір порівняно з опором колекторного й емітерного переходів. Тому можна вважати, що напруги UЕ і UК прикладені безпосередньо до емітерного та колекторного переходів відповідно.

Якщо умовно прийняти потенціал бази за нульовий, то розподіл потенціалу в транзисторі можна зобразити так, як показано на рис. 8.7.

8.3.2. Розповсюдження неосновних носіїв у базі

Від кількості неосновних носіїв заряду (дірок), що проходять крізь базу, залежить струм IК. Кількість дірок залежить від градієнта їх концентрації, котрий визначається концентрацією дірок на межах ЕП і КП. Концентрація дірок на межах переходів визначається рівнями напруг +UЕ і -UК.

Вплив напруги +UЕ

Нехай до електродів транзистора прикладені напруги  +UЕ, -UК. Із зростанням напруги  +UЕ концентрація дірок у базі біля ЕП зростає за законом

,

де  - рівноважне значення концентрації дірок у базі.

Зростає й градієнт концентрації дірок у базі, а отже, й струм  IК.

Рис. 8.8. Вплив напруги UЕ на розподіл потенціалу в базі

Вплив напруги -UК

Нехай до електродів транзистора прикладені напруги  +UЕ, -UК. Із зростанням напруги -UК концентрація дірок у базі біля КП зменшується за законом

.

Однак, абсолютне зменшення концентрації дірок невелике, так як експоненціальний множник  при великих значеннях -UК малий. Це значить, що напруга -UК впливає на градієнт концентрації дірок у базі, а отже, і на струм IК, менше, ніж напруга +UЕБ. Тому керування струмом IК виконується струмом (напругою) емітера.

Якщо на колектор подати пряму напругу, то виникає інжекція носіїв заряду із колектора в базу. У цьому режимі вплив UК на градієнт концентрації дірок у базі і струм IЕ такий же, як і вплив напруги UЕ на струм IК.

8.3.3. Розподіл основних носіїв заряду в базі

Інжекція дірок з емітера в базу супроводжується одночасним надходженням у базу із зовнішнього ланцюга крізь її вивід такої кількості електронів, котра забезпечує збереження електричної нейтральності всього об’єму бази.

При цьому розподіл електронів у базі (основних носіїв) (рис. 8.9, б) буде таким самим, як і розподіл дірок (рис. 8.9, а), оскільки тільки при цій умові кожна мікрообласть бази буде залишатися електрично нейтральною.

Рис. 8.9. Розподіл основних зарядів у базі:

а – електронів;  б - дірок

8.4. Ефект модуляції товщини бази

При зміні напруги UКБ змінюється товщина бази. Це явище називають ефектом Ерлі. Воно здійснює великий вплив на властивості транзистора.

Для розуміння суті цього ефекту розглянемо графіки розподілу концентрації неосновних носіїв заряду в базі.

Концентрація інжектованих дірок значно перевищує концентрацію власних дірок у базі. Біля межі з колектором її будемо вважати нульовою (точка А). На межі з емітером вона буде  (точка В). Приймаємо, що концентрація  дірок у базі змінюється за лінійним законом.

Рис. 8.10. Модуляція бази

При підвищенні напруги (зворотної) на колекторному переході UКБ він розширюється й зменшує товщину бази. Якщо струм емітера постійний (нахил кривої розподілу концентрації), то надлишкова концентрація буде меншою (лінія 2), а це еквівалентно меншій напрузі на емітерному переході.

Якщо UЕБ = const, то збільшиться IЕ, тобто зміниться нахил кривої розподілу концентрації.

Таким чином, ефект Ерлі  здійснює вплив на співвідношення між струмами й напругами транзистора та на підсилювальні властивості транзистора.

9


Транзистори

З ізольованим затвором

З p-n переходом

Дрейфові

Бездрейфові

Одноперехідні

Уніполярні

(польові)

Біполярні

p

p

Е

К

Б

ЕП

КП

КП

ЕП

К

Е

p

n

n

Б

Б

К

Е

p

p

n

Е

К

Б

n

p

n

p+

p+

n

Ge

Si

Б

Е

К

In

In

Е

Б

К

SiO2

корпус

                                   n

                   p

 n

 Е         Б       К

p     і     n

Е     ЕП      Б       КП      К  

+UЕ

-UК

p+

n

p

x

                      Рис. 8.7. Розподіл потенціалу в транзисторі

, - контактна різниця потенціалів на ЕП та КП відповідно при відсутності напруг UЕ і UК;

- контактна різниця потенціалів на ЕП при наявності UЕ;

- контактна різниця потенціалів на КП при наявності UК.

ЕП

КП

Е

Б

К

p

n

p

UЕ 0

UК = 0

UЕ = 0

-UК

ЕП

КП

К

Б

Е

pn

n

nn>>pn

pК

p

n

p

nК

p

а

б

x

Б

Е

1

К

2

p

A

0

B

інжекція

IЕ p

IЕ

IЕ n

p

p

n

IКБо

(1-)IЕ

n

p

W

КП

ЕП

К

екстракція

Е

Вих.

Вх.

Б

ЕЕБ

Вх. ланцюг

Вих. ланцюг

ЕКБ

Б

Е

К

Uпр

Uзв

  •  електрони
  •  дірки


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54249. Своеобразие индийской культуры 15.18 KB
  Индийская культура является одной из самых оригинальных и уникальных. Ее самобытность заключается прежде всего в богатстве и многообразии религиозно-философских учений.
54250. МАТЕМАТИЧНА СКРИНЬКА 109.5 KB
  Хто перший назве число 100? Грають двоє. Один називає будь-яке число від 1 до 9 включно. Другий додає до названого числа будь-яке ціле число від 1 до 9 включно на свій вибір і називає суму. До цієї суми перший знову додає будь-яке ціле число від 1 до 9 включно на свій вибір і називає суму, і так далі… Виграє той, хто назве число 100.
54251. Определение квадратного уравнения. Неполные квадратные уравнения и их решения 2.57 MB
  Неполные квадратные уравнения и их решения. Цель: Ввести понятия квадратного уравнения неполного квадратного уравнения. Сформировать умения различать квадратные уравнения определять коэффициенты квадратного уравнения и по ним определять вид квадратного уравнения.
54252. Математика – це цікаво! Математика – це потрібно! 59 KB
  Математика – це цікаво Математика – це потрібно Важко обійтися сьогодні без математики Усім – і дрослим і дітям – потрібна її допомога у повсякденному житті. Колись в Америці було обіцяно велику премію тому хто напише книжку під назвою Як людина жила без математикиâ€. За більше ніж 30 років викладання математики в школі я переконалася що одним із шляхів удосконалення навчання учнів такому складному предмету є нетрадиційність у його репрезентації школярам.
54253. Властивості степеня з цілим показником 795 KB
  Властивості степеня з цілим показником. Сформувати прикладну необхідність вивчення властивостей степеня з натуральним показником. Які операції ви вмієте виконувати над числами Прочитати число; записати; порівняти; додати; відняти; помножити; поділити; піднести до степеня. Які саме вирази ми зараз вивчаємо Вирази зі степенями То які операції нам потрібно вміти виконувати над виразами зі степенями Прочитати вирази зі степенями; записати; порівняти; додати; відняти; помножити; поділити; піднести до степеня.
54254. Функціональна залежність в системі прикладних задач шкільного курсу математики 631.08 KB
  Стаття містить приклад класифікації прикладних задач та аналіз способу їх розв’язання, узагальнений алгоритм розв’язування задач прикладного характеру. Основне її завдання спонукати використання прикладних задач при вивченні функціональної лінії шкільного курсу математики.
54255. Письмове додавання трицифрових чисел із переходом через розряд 716 KB
  Ознайомити учнів із прийомом письмового додавання трицифрових чисел з переходом через розряд; формувати навички письмового додавання і віднімання трицифрових чисел; виховувати почуття взаємодопомоги, вміння працювати в команді, аргументовано відстоюючи власну думку; розвивати охайність при виконанні робіт.
54256. Відсоткові розрахунки, Один день праці на підприємстві 102.5 KB
  Мета уроку: Формування в учнів вмінь самостійно визначати тип задачі на відсотки та навичок обчислень відсотка від числа, числа за його відсотком та відсоткового відношення двох чисел; розкрити практичну необхідність вивчення теми «Відсотки» в шкільному курсі; розвивати інтерес до математики, прагнення до самовдосконалення; виховувати почуття колективізму та відповідальності перед колективом.