74218

Биполярные транзисторы. Типы, структура, режимы. Модель Эберса - Молла

Лекция

Физика

Условные обозначения обоих типов транзисторов рабочие полярности напряжений и направления токов показаны на рисунке. Режим отсечки оба pn перехода закрыты при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток. По характеру движения носителей тока в базе различают диффузионные и дрейфовые биполярные транзисторы.

Русский

2014-12-30

2.11 MB

15 чел.

Лекция 8 Биполярные транзисторы. Типы, структура, режимы. Модель Эберса - Молла. Характеристики

Определение «биполярный» указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда двух сортов (электроны и дырки).

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. В транзисторе используются оба типа носителей – основные и неосновные, поэтому его называют биполярным.

Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схематическое изображение транзистора типа pnp:

Э – эмиттер, Б – база, К – коллектор, W – толщина базы, ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход

Переход, который образуется на границе эмиттер – база, называется эмиттерным, а на границе база – коллектор – коллекторным. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы pnр и nрn.

Условные обозначения обоих типов транзисторов, рабочие полярности напряжений и направления токов показаны на рисунке 5.2.

Рис. 5.2. Условные обозначения транзисторов:

а) транзистор pnр, б) транзистор nрn

По технологии изготовления транзисторы делятся на сплавные, планарные, а также диффузионносплавные, мезапланарные и эпитаксиальнопланарные (рис. 5.3).

Конструктивно биполярные транзисторы оформляются в металлических, пластмассовых или керамических корпусах (рис. 5.4).

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

1. Режим отсечки – оба pn перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток;

2. Режим насыщения – оба pn перехода открыты;

3. Активный режим – один из pn переходов открыт, а другой закрыт.

Рис. 5.3. Разновидности транзисторов по технологии изготовления

Рис. 5.4. Конструктивное оформление биполярного транзистора

В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы.

Область транзистора, расположенная между переходами, называется базой (Б). Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из них изготовляют так, чтобы из нее наиболее эффективно происходила инжекция в базу, а другую – так, чтобы соответствующий переход наилучшим образом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы.

Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером (Э), а соответствующий переход – эмиттерным.

Область, основным назначением которой является экстракция носителей из базы, называют коллектором (К), а переход – коллекторным.

Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе – обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности – инверсным.

По характеру движения носителей тока в базе различают диффузионные и дрейфовые биполярные транзисторы.

Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может присутствовать или отсутствовать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым, если же поле в базе отсутствует – бездрейфовым (диффузионным).

5.2. Основные физические процессы в биполярных транзисторах

В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция.

Рассмотрим рn переход эмиттер – база при условии, что длина базы велика. В этом случае при прямом смещении рn перехода из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители. Закон распределения инжектированных дырок рn(х) по базе описывается следующим уравнением:

.

Схематически распределение инжектированных дырок рn(х) показано на рисунке 5.5.

Рис. 5.5. Распределение инжектированных дырок в базе

Процесс переноса инжектированных носителей через базу – диффузионный. Характерное расстояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения, – диффузионная длина Lp. Поэтому если необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной длины Lp. И условие W < Lp является необходимым для реализации транзисторного эффекта – управления током во вторичной цепи через изменение тока в первичной цепи.

В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе. Для восполнения прорекомбинировавших основных носителей в базе через внешний контакт должно подойти такое же количество носителей. Таким образом, ток базы – это рекомбинационный ток.

Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратно смещенного коллекторного pn перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в БТ реализуются четыре физических процесса:

- инжекция из эмиттера в базу;

- диффузия через базу;

- рекомбинация в базе;

- экстракция из базы в коллектор.

Эти процессы для одного типа носителей схематически показаны на рисунке 5.6а, б.

Рис. 5.6. Зонная диаграмма биполярного транзистора:

а) в равновесном состоянии; б) в активном режиме

5.2.1. Биполярный транзистор в схеме с общей базой. Зонная диаграмма и токи

На рисунке 5.6а показана зонная диаграмма биполярного транзистора в схеме с общей базой в условиях равновесия. Значками (+) и (–) на этой диаграмме указаны основные и неосновные носители.

Для биполярного транзистора в схеме с общей базой активный режим (на эмиттерном переходе – прямое напряжение, на коллекторном – обратное) является основным. Поэтому в дальнейшем будет рассматриваться транзистор в активном режиме, для pnр биполярного транзистора Uэ > 0, Uк < 0.

Для биполярного транзистора pn типа в активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, и через него происходит инжекция дырок, как неосновных носителей, в базу. База должна иметь достаточно малую толщину W (W << Lp, где Lp – диффузионная длина неосновных носителей), чтобы инжектированные в базу неосновные носители не успевали прорекомбинировать за время переноса через базу. Коллекторный переход, нормально смещенный в обратном направлении, "собирает" инжектированные носители, прошедшие через слой базы.

Рассмотрим компоненты токов в эмиттерном и коллекторном переходах (рис. 5.7). Для любого pn перехода ток J определяется суммой электронного Jn и дырочного Jp компонент, а они в свою очередь имеют дрейфовую и диффузионную составляющие:

.

При приложении к эмиттерному переходу прямого напряжения Uэ > 0 в биполярном транзисторе pn происходит инжекция дырок из эмиттера в базу Iэр и электронов из базы в эмиттер Iэn. Ввиду того, что эмиттер легирован намного сильнее базы, ток инжектированных дырок Iэр будет значительно превышать ток электронов Iэn. Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться в коллекторному переходу, и если ширина базы W много меньше диффузионной длины Lp, почти все дырки дойдут до коллектора и электрическим полем коллекторного pn перехода будут переброшены в робласть коллектора. Возникающий вследствие этого коллекторный ток лишь немного меньше тока дырок, инжектированных эмиттером.

Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме (Uк < 0, |Uк| >> 0):

,

где Iэ – ток в цепи эмиттера, Iк – ток в цепи коллектора, Iб – ток на базовом выводе.

В активном режиме к эмиттеру приложено прямое напряжение и через переход течет эмиттерный ток Iэ, имеющий две компоненты:

,

где Iэр – ток инжекции дырок из эмиттера в базу, Iэn – ток инжектированных электронов из базы в эмиттер. Величина «полезной» дырочной компоненты равняется Iэp = γ·Iэ, где γ – эффективность эмиттера. Величина дырочного эмиттерного тока, без рекомбинации дошедшая до коллектора, равняется γκIэ.

Ток базы Iб транзистора будет состоять из трех компонент, включающих электронный ток в эмиттерном переходе Iэn = (1 – γIэ, рекомбинационный ток в базе (1 - κ)γIэ и тепловой ток коллектора Iк0.

Тепловой ток коллектора Iк0 имеет две составляющие:

,

где I0 – тепловой ток, Ig – ток генерации.

На рисунке 5.7 приведена схема биполярного транзистора в активном режиме, иллюстрирующая компоненты тока в схеме с общей базой.

Рис. 5.7. Схема, иллюстрирующая компоненты тока в биполярном транзисторе в схеме с ОБ

5.3. Формулы Молла – Эберса

Формулы Молла – Эберса являются универсальными соотношениями, которые описывают характеристики биполярных транзисторов во всех режимах работы [28, 5, 19].

Для такого рассмотрения представим БТ в виде эквивалентной схемы, приведенной на рисунке 5.8.

Рис. 5.8. Эквивалентная схема биполярных транзисторов во всех режимах работы

При нормальном включении через эмиттерный pn переход течет ток I1, через коллекторный переход течет ток αNI1 – меньший, чем I1, вследствие рекомбинации части инжектированных носителей в базе. На рисунке 5.8 этот процесс изображен как генератор тока αNI1, где αN – коэффициент передачи эмиттерного тока. При инверсном включении транзистора прямому коллекторному току I2 будет соответствовать эмиттерный ток αII2, где αI – коэффициент инверсии. Таким образом, токи эмиттера Jэ и коллектора Jк в общем случае состоят из инжектируемого (I1 или I2) и экстрагируемого (αNI1 или αII2) токов:

 (5.1)

Величины токов I1 и I2 выражаются для pn переходов стандартным способом:

 (5.2)

где Iэ0' и Iк0' – тепловые (обратные) токи pn переходов. Отметим, что токи Iэ0' и Iк0' отличаются от обратных токов эмиттера Iэ0 и коллектора биполярного транзистора.

Оборвем цепь эмиттера (Jэ = 0) и подадим на коллекторный переход большое запирающее напряжение Uк. Ток, протекающий в цепи коллектора при этих условиях, будем называть тепловым током коллектора Iк0. Поскольку Iэ = 0, из (5.1) следует, что I1 = αII2, а из (5.2) I2 = - Iк', поскольку >> kT/q.

Полагая Iк = Iк0, получаем в этом случае:

,

. (5.3)

Обозначим ток эмиттера при большом отрицательном смещении и разомкнутой цепи коллектора через Iэ0' – тепловой ток эмиттера:

. (5.4)

Величины теплового эмиттерного и коллекторного токов значительно меньше, чем соответствующие тепловые токи диодов.

Подставляя (5.2) в (5.1), получаем:

,

, (5.5)

,

где Jб – ток базы, равный разности токов эмиттера Iэ и коллектора Iк.

Формулы (5.5) получили название формул Молла – Эберса и полезны для анализа статических характеристик биполярного транзистора при любых сочетаниях знаков токов и напряжений.

При измерении теплового тока коллектора Iк0 дырки как неосновные носители уходят из базы в коллектор: Jк = Jб (Jэ = 0). При этом поток дырок из базы в эмиттер не уравновешен и их переходит из эмиттера в базу больше, чем в равновесных условиях. Это вызовет накопление избыточного положительного заряда в базе и увеличение потенциального барьера на переходе эмиттер – база, что, в конце концов, скомпенсирует дырочные токи.

Таким образом, необходимо отметить, что при изменении теплового тока коллектора эмиттер будет заряжаться отрицательно по отношению к базе.

5.4. Вольтамперные характеристики биполярного транзистора в активном режиме

Рассмотрим случай, когда на эмиттерный переход биполярного транзистора подано прямое, а на коллекторный – обратное смещение. Для pnp биполярного транзистора это Uэ > 0, Uк < 0.

Для нахождения ВАХ в качестве входных параметров выбирают Jэ, Uк, а выходных – Jк, Uэ из соображений удобства измерения. Выразим в (5.5) , подставим в выражение для Jк и получим:

.

Следовательно,

. (5.6)

Соотношение (5.6) описывает семейство коллекторных характеристик Iк = f(Uк) с параметром Iэ.

Семейство эмиттерных характеристик Uэ = f(Iэ) с параметром Uк получим из (5.5). Учитывая, что , получаем:

 

;

. (5.7)

Формулы (5.6) и (5.7) описывают характеристики транзистора, представленные на рисунке 5.9.

Для активного режима, когда Uэ > 0, Uк < 0, |Uк| << 0, выражения (5.6) и (5.7) переходят в выражения:

. (5.8)

Рис. 5.9. Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме: семейство коллекторных кривых

Статистические характеристики транзистора при включении с общей базой

  1.  

Входные Iэ = f (Uэб) при Uкб = const;

Uэб = f (Iэ) при Uкб = const.

2. Выходные Iк = f (Uкб) при Iэ = const;

  1.  Передаточные Iк = f (Iэ) при Uкб = const;
  2.  Характеристики обратной связи: Uэб = f (Uкб) при Iэ = const; 

Входные характеристики

Вследствие эффекта Эрли эмиттерный ток будет возрастать с ростом коллекторного напряжения. Если , то наступит режим насыщения.

Выходные характеристики

- уравнение управления.

, отсюда следует, что

, отсюда следует, что

Если Uкб = 0, то .

Вследствие эффекта Эрли происходит некоторое увеличение коллекторного тока с ростом коллекторного напряжения. Для реального транзистора учет эффекта Эрли производит следующим образом:

,

где rк - дифференциальное сопротивление.

.

При больших напряжениях имеет место пробой p – n – перехода. Кроме электронного и теплового пробоя у транзисторов может быть прокол базы – соединение эмиттерного и коллекторного переходов.

Если на коллектор подать напряжение другого знака, то транзистор будет работать в режиме насыщения и происходит уменьшение тока до нуля.

Передаточные характеристики

- уравнение управления;

Если Uкб = 0, то .

 = f (Iэ).

Причиной зависимости  = f (Iэ) является эффект оттеснения эмиттерного тока к краям (периферии) эмиттерного перехода при больших эмиттерных токах.

Если Uкб > 0 – режим насыщения;

Uкб < 0 – нормальный активный режим.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

77800. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ NaOH В БАКЕ 335.5 KB
  Целью математического моделирования является определение оптимальных условий протекания процесса, управление им на основе математической модели и перенос результатов на объект. Математической моделью называется приближенное описание какого-либо явления или процесса, выраженное с помощью математической символики.
77804. Математическая модель двухступенчатого горения щелока 34.5 KB
  Химические реакции, протекающие в процессе регенерации щелока вносят изменения в состав горючей массы и продуктов ее сгорания. Это обстоятельство обуславливает некоторую специфику в определении теплоты сгорания щелока.
77806. Развитие навыков самостоятельной работы студентов средствами информационных технологий обучения 126 KB
  Целью обучения в настоящий момент является развитие творческой личности. Для достижения данной цели необходимо предоставить студенту возможности для формирования познавательной самостоятельности на высоком уровне.