БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ

Загальні питання. Пристрій, режими роботи транзисторів

Біполярний транзистор - це електропреобразовательних напівпровідниковий прилад з одним або декількома електричними переходами, який має три або більше висновків. Термін "біполярний" в назві цих транзисторів відображає той факт, що процеси в них визначаються рухом носіїв заряду обох знаків (електронів і дірок). В основі роботи біполярних транзисторів лежить інжекція через р -п-перехід неосновних носіїв, заряд яких компенсується основними носіями.

Мал. 4.1

Принципова структура біполярного транзистора включає три напівпровідникових області л-р-л-(рис. 4.1, а) або р-л-р типу (рис. 4.1, б), які відповідно називаються емітером , базою і колектором. Так, р-л-перехід між емітером і базою (/) називається емітерним , а між базою і колектором (2) - колекторним (див. Рис. 4.1, а, б). Крім структури транзисторів, на рис. 4.1 (внизу) наведені і їх умовні позначення в схемах, де стрілка вказує напрямок струму при прямому зсуві емітерного і зворотному зсуві колекторного р-л переходу.

Можливі три схеми включення біполярних транзисторів: з загальною базою, загальним емітером і загальним колектором. На рис. 4.2 показані дві з них. Напрямки струмів і полярності напруг відповідають нормальним умовам роботи (активному режиму) т. Е. Прямому зсуву емітерного р-л-переходу і зворотного зміщення колекторного переходу. Крім цього режиму можлива робота транзистора ще в трьох режи-

Мал. 4.2

мах: відсічення , подвійної інжекції або насичення і інверсному. У режимі відсічення обидва переходу зміщені у зворотному напрямку, в режимі подвійної інжекції на обидва переходу подані прямі напруги; в інверсному режимі колекторний перехід зміщений в прямому, а емітерний - в зворотному напрямку.

За конструктивними особливостями і технології виготовлення біполярні транзистори можуть бути епітаксійних-планарнимі, планарнимі, дифузійними, дифузійно-сплавними, сплавними і т. Д.

В даний час транзистори виготовляються переважно з кремнію. На рис. 4.3, а представлена напівпровідникова структура кремнієвого епітаксійних-планарного транзистора, характерна для більшості дискретних транзисторів.

На поверхні напівпровідникової пластини формується тонкий діелектричний шар вю.,. Сильнолегованих підкладка л '-типу (1) разом зі слаболегірованних епітаксіальним шаром л типу ( 2) товщиною XV еп - 10 мкм утворюють колекторну область. Області бази р типу (3) і емітера л 'типу (4) (рис. 4.3, а, б) створюються методом дифузії або іонної імплантації. Електроди формуються тонкоплівковими металевими смужками 5, 6 , 7 (рис. 4.3, а , де а - ширина емітера). Розподіл концентрації домішок в напрямку від поверхні (шар 8Ю 2 ) через емітер до колектора наведено на рис. 4.3, б, де А ^ ДЗ "# АБ , 7У ДК , А ^ дП - концентрація донорів в емітер, акцепторів в базі, донорів в колекторі і підкладці відповідно. Товщина бази XV Б сучасних малопотужних високочастотних транзисторів складає 0,2 ... 1 мкм.

Мал. 4.3

Фізичні процеси в нормальному активному режимі. Коефіцієнти передачі струму

В активному режимі, який є найбільш поширеним, особливо для підсилюючих схем, емітерний перехід зміщений в прямому напрямку, а колекторний - у зворотному.

Розглянемо транзистор р - п -р-типу. (Хоча на практиці частіше використовують п-р - / г транзистори, подальший розгляд будемо проводити на основі р-л-р транзисторів, так як для них напрямок руху дірок збігається з напрямком струму, що полегшує розуміння.) У цьому випадку дірки, інжектовані з емітера в базу, рухаються до колекторного переходу. Інжекцією електронів з бази в емітер можна знехтувати, оскільки концентрація домішок в еміатерной області, як правило, набагато більше, ніж в базовій. Рух інжектованих носіїв через базу обумовлено як дифузією, так і дрейфом носіїв. Дифузія викликана підвищенням концентрації носіїв через їх інжекції в базу близько емітерного переходу. В області, що примикає до колекторного переходу, під дією зворотної напруги відбувається екстракція дірок. Дрейфовий рух викликаний внутрішнім електричним полем в базі, що виникають через нерівномірний розподіл в ній домішки. Такі транзистори з неоднорідно легованої базою, в якій дрейфовий рух відіграє значну роль, називають дрейфовими.

Виникнення внутрішнього поля можна проілюструвати схемою на рис. 4.4, де представлено розподіл донорів в л базі, аналогічне показаному на рис. 4.3, б. Нерівномірний розподіл домішки в базі, а, отже, і основних носіїв, оскільки при кімнатній температурі вся домішка ионизована, викликає дифузію електронів в напрямку

колектора. Через відхід електронів в базі з боку емітерного переходу утворюється надлишкова НЕ скомпенсований заряд іонів донорів, позначений на рис. 4.4 хрестиками "+", а з боку колектора пішли електрони утворюють надлишковий негативний заряд "- *. В результаті сформувалися надлишкових зарядів і виникає внут

Мал. 4.4

реннее поле ^ внухр , яке буде пришвидшує для інжектованих з емітера дірок. Інжектовані дірки, пройшовши область бази, будуть втягуватися в колектор пришвидшує електричним полем. Частина інжектованих дірок при їх русі до колектора буде рекомбінувати в області бази, утворюючи базовий струм. Число рекомбинированного носіїв невелика, оскільки товщина бази мала в порівнянні з дифузійної довжиною дірок. В результаті струми емітера / е і колектора / к розрізняються незначно і їх різниця дорівнює току бази / Б , т. Е. I Б = / е - Лс * Колекторний струм дуже слабо залежить від напруги на колекторному переході, оскільки при будь-якому зворотній напрузі всі дірки, що дійшли до колекторного переходу, прискорюються його полем і несуться в колектор. Напрямок струмів можна простежити за схемою на рис. 4.2.

Слабкий вплив колекторного напруги на колекторний струм призводить до того, що диференціальне опір колекторного переходу г до = КБ / (П К дуже велике, що характерно для р-п переходу, зміщеного в зворотному напрямку. У такій ситуації в колекторний ланцюг можна включити чималий навантажувальний резистор Л н практично без зміни колекторного струму. Якщо вхідний струм емітера збільшується на величину Д / е , то прирощення колекторного струму Д / к буде приблизно тим же самим, т. е. Д / е ~ Д / к . Збільшення вХІДНИЙ МО Ність ДР " Х , споживаної в емітерний ланцюга, визначається величиною Д / е і диференціальним опором емітерного переходу г е = <Ш ев / з1 / е , яке для прямосмещенного переходу дуже мало в порівнянні з опором обратносмещенного колекторного переходу г до , т. Е . г до г е . У результаті значення приросту вхідної потужності ДР ВХ = Д / е ДС / ЕВ = Д / | г е буде багато менше виділяється на навантаженні Я н зміни вихідної потужності ДР ВЬ1Х = Д / до Д1 / КБ = = Д7 (| Я Н , оскільки зазвичай До п г е . Таким чином, схема підсилює з коефіцієнтом посилення К = ДР ВИХІД / ДР ВХ = Я н / г е > 1. В активному режимі струм емітера / е для р - п - р -транзістора складається з струмів інжекції дірок в базу 1 Ер і електронів з бази в емітер / Ел , а також струму рекомбінації в переході / Ерск , т. е. 7 е = 7 Ер + / Еп + ^ Ерек * з усіх складових ток інжекції

дірок 1 Ер з емітера в базу визначає вихідний колекторний струм, і, отже, є корисним. Решта дві складові відносяться до втрат, і їх необхідно по можливості зменшувати. Повний струм колектора / к , крім струму інжекції, враховує струм рекомбінації в базі / Брек і зворотний струм колекторного переходу / КБ0 , який не залежить від струму емітера. Рекомбінацію інжектованих носіїв у базі врахуємо введенням коефіцієнта а - статичного коефіцієнта передачі струму емітера в схемі із загальною базою (ПРО). В результаті повний струм колектора можна записати у формі

З виразу (4.1) випливає, що

У вираженні (4.2) наближене співвідношення справедливо ДЛЯ робочих струмів / к , які зазвичай БАГАТО більше / до в * Фізично а визначається коефіцієнтами інжекції емітера у е = / е "// е і перенесення носіїв через базу Х Б = / К // Ер , т. е.

Коефіцієнт інжекції у е показує, яку частину становить корисний струм інжекції дірок з емітера в базу в повному струмі емітера. Величина Х Б відображає втрати інжектованих дірок при їх русі через базу за рахунок рекомбінації. Рекомбінація визначає струм бази, що дорівнює / Б = = / е - / к . Якщо скористатися співвідношенням (4.1), то можна отримати

З виразу (4.3) видно, що при струмі / е = ^ кво / (1 - ° 0 ток / Б = 0. Робочі струми емітера значно більше / К під / (1 "° 0" тоді струм бази можна обчислити за формулою

В імпульсних і цифрових інтегральних схемах досить широко використовується інверсний режим, коли на противагу нормальному режиму ролі емітера і колектора меняют-

ся місцями. У інверсному режимі колекторний перехід зміщений в прямому напрямку, а емітерний - в зворотному. Вхідним струмом в схемі з ПРО буде колекторний струм, а вихідним - емітерний. Аналогічно (4.1) для інверсного режиму

де а 7 - інверсний коефіцієнт передачі струму, / :) БО - зворотний струм емітерного переходу при / к = 0.

З (4.5) випливає, що

причому аналогічно (4.2) а 7 = у до А. Б7 , г Д е 7К - коефіцієнт інжекції колектора, Х Б1 - інверсний коефіцієнт перенесення.

Для більшості транзисторів a t > а, оскільки колекторний перехід не володіє, на відміну від емітерного, властивістю односторонньої інжекції, так як концентрація домішки в колекторної області багато менше, ніж в емітерний (див. Рис. 4.3). В результаті у дое . Крім цього, внутрішнє поле бази є гальмуючим для носіїв, що рухаються з колектора в емітер, що зменшує Х Б1 , і в результаті виявляється Х Б7 <А. б , крім того, А. б може зменшуватися через рекомбінації носіїв в пасивній базі ( окисленої поверхні напівпровідника бази або на базовому контакті).

Для схеми з ОЕ вхідним струмом є струм бази / Б , а вихідним - струм колектора / к . В цьому випадку, користуючись виразом (4.1) і з огляду на, що / е = / к 4 / ь , можна для колекторного струму отримати такий вираз

Введемо позначення р = а / (1 - а). Коефіцієнт р називається статичним коефіцієнтом передачі струму бази. Остаточно вираз (4.7) можна записати у вигляді

З цієї формули випливає:

Таким чином, (3 є ставлення вихідного колекторного струму до вхідного базового струму. Високоякісні транзистори мають а> 0,99, тоді р> 100.

У режимі насичення відбувається двостороння інжекція неосновних носіїв через обидва переходу, які зміщені в прямому напрямку. У цьому випадку струм бази буде більше в порівнянні з нормальним, або активним режимом (НАР), оскільки через інжекції носіїв з бази в колектор і з колектора в базу відбувається додаткова рекомбінація носіїв і / Б > (1 - а) / е для схеми з ПРО або р / Б > / до для схеми з ОЕ.

У режимі відсічення на обидва переходу подаються зворотні напруги і через переходи протікають зворотні струми / Ебо і / кво . Оскільки площа і товщина колекторного переходу більше, ніж емітерного (ступінь легування емітерний області багато більше, як правило, чим колекторної), то / КБО ^ / Е бо *

Розглянуті коефіцієнти передачі струмів залежать від всіх складових струмів, що протікають у всіх ланцюгах транзистора, тому схи (3 змінюватимуться як функції струму емітера, напруги на колекторі, температури і т. Д.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >