Твердотельная електроника / TTE_Lect1

2 раза.

При цьому граничні частоти транзистора зі спільною базою і

З останніх формул випливає, що частотні властивості БТ у схемі зі спільним емітером значно гірші, ніж у схемі зі спільною базою. Для порівняння на рисунку 10.3 зображено частотні характеристики обох схем увімкнення.

Рисунок 10.3 – Частотні характеристики БТ в ССБ та ССЕ

Причиною різкого зменшення h21E в ССЕ при збільшенні частоти порівняно з ССБ є не тільки зменшення коефіцієнта h21Б , а й насамперед збільшення зсуву фаз між струмами IE та IK . На низьких

121

б), і тому зменшується коефіцієнт передачі h21E .

Рисунок 10.4 – Векторні діаграми, що пояснюють зменшення модуля коефіцієнта передачі струму бази

З рисунка 10.3 бачимо , що для схеми зі спільним емітером

10.1.1 Вплив ємностей переходів і розподільного опору бази на частотні властивості транзистора

Фізична еквівалентна схема БТ в ССБ на високих частотах показана на рисунку 10.5. На ній враховано вплив бар’єрної ємності КП

CK на роботу транзистора. Дифузійна ємність увімкненого в прямому напрямі ЕП не враховується, тому що малий опір rE , як правило, в

122

десятки тисяч разів менший за опір КП rK , і тому опір rE шунтує ємність ЕП до дуже високих частот.

Рисунок 10.5 – Фізична еквівалентна схема БТ зі спільною базою на високих частотах

Змінна складова струму, створеного джерелом розгалужується на три гілки: через опір КП rK , через бар’єрну ємність КП CK і через опори rБ та RK . Оскільки rK великий, то струм через нього незначний. На низьких частотах реактивний опір ємності CK також великий, і струм через ємність майже не проходить. Але при

важливим частотним параметром транзистора і подається в довідниках. 123

10.2 Робота біполярного транзистора у ключовому режимі

Дуже поширеними в електроніці є імпульсні схеми, в яких транзистор працює в ключовому (імпульсному) режимі. В цьому режимі на вхідний електрод БТ діє імпульсна напруга (струм) великої амплітуди, і тоді транзистор працює як комутатор, що має два граничні положення – замкнуте (режим насичення) і розімкнуте (режим відсічення).

Рисунок 10.6 – Нормально розімкнений ключ на транзисторі

Розглянемо нормально розімкнений електронний ключ на БТ, схему якого показано на рисунку 10.6. Цей ключ призначено для замикання і розмикання кола навантаження за допомогою імпульсів, що надходять від генератора сигналів керування.

Опір RK вибирають з розрахунку, щоб вихідна навантажувальна пряма перетинала круту дільницю вихідних статичних характеристик (точка В на рисунку 10.7). Опір RБ в базовому колі

керування звичайно більший за вхідний опір транзистора.

Унаслідок цього струм у базовому колі практично не залежить від величини вхідного опору транзистора (опору ЕП і розподільного

опору бази rБ ), і з великою точністю можна вважати, що управління роботою ключа здійснюється за допомогою струму бази.

При відсутності імпульсу керування під дією джерела EБ

транзистор перебуває у РВ, тобто у закритому стані, і робоча точка знаходиться на динамічній характеристиці (рисунок 10.7) у положенні

124

UKE EK IКБ0 RK EK . Коло навантаження розірване, тому в

такому стані довільний вхідний сигнал Uвх може без спотворення і

послаблення пройти на вихід схеми, тобто транзистор не шунтує (не закорочує) цей сигнал на корпус. Розподіл концентрації дірок у базі БТ

в цьому режимі показано на рисунку 10.8, а кривою – для моменту t0 .

Концентрація неосновних носіїв у базі мала, опір бази і всього БТ великий.

Рисунок 10.7 – Переміщення робочої точки в ключовому (імпульсному) режимі транзистора

Рисунок 10.8 – Розподіл концентрації дірок у базі БТ в ключовому режимі а), б)

125

У момент t1 до бази БТ подається негативний імпульс струму

(рисунок 10.9), ЕП вмикається в прямому напрямі, дірки з емітера інжектують до бази. ЕП переходить до активного режиму роботи, робоча точка рухається вздовж навантажувальної прямої від т.А до т.В, наближаючись до області режиму насичення (РН). Струм бази в момент

t1 різко зростає до значення IБнас , і концентрація дірок у базі біля ЕП

збільшується. Але струм колектора починає змінюватися лише через деякий час затримки, який потрібно затратити діркам, щоб подолати відстань між емітером і колектором. Через певний час дифундуючі до колектора дірки заповнюють базу, градієнт їх концентрації біля КП

збільшується, і струм колектора зростає (крива t2 на рисунку 10.8, а). В

момент t3 транзистор наближається до РН, розподіл концентрації дірок у базі стає лінійним, наростання струму колектора IК сповільнюється

(рисунок 10.8, а, крива t3 , рис. 10.9). Робоча точка транзистора переходить до точки В на навантажувальній прямій. Ця точка відповідає

напрузі UKE UБЕ (UKE EK )

і струму IKнна (EK UKE )/ RK EK / RK .

Напруга на КП UКБ UKEнEн UБЕ 0 , і КП вмикається в прямому напрямі. Починається інжекція дірок з колектора до бази, і їх концентрація біля КП зростає, стає більшою, ніж рівноважна (рисунок

10.8, крива t4 ). Градієнт дірок у базі в РН залишається постійним, і струм колектора більш не наростає (рисунок 10.9).

У момент t5 імпульс керування в базі БТ закінчується, і прилад

поступово повертається до свого початкового стану. Починається процес розсмоктування дірок у базі за рахунок їх екстракції до областей емітера і колектора. Зміна знака градієнта концентрації біля ЕП (крива

t5 на рисунку 10.8) і перехід дірок до області емітера спричиняють зміну напряму струму бази, який досягає значення IБ (рисунок 10.9). За час розсмоктування неосновних носіїв (від моменту t5 до моменту t7 )

концентрація дірок у базі біля ЕП та КП зменшується таким чином, що градієнт їх концентрації залишається постійним (крива t6 і t7 на

рисунку 10.8, б), і тому струми IБ та IK не змінюються. Після того як концентрація дірок у базі біля КП і ЕП досягає рівноважного значення

126

( pn0 ), градієнти їх концентрації починають зменшуватись, і це викликає зменшення струмів бази і колектора до початкових значень

IБ0 = IKБ0 та IK0 = IKБ0 , характерних для РВ.

Рисунок 10.9 – Часові діаграми струмів БТ в ключовому режимі

На тривалість переднього і заднього фронтів вихідного імпульсу струму (рисунок 10.9) суттєво впливають частотні властивості БТ. Чим вища гранична частота транзистора, тим вища його швидкодія в ключовому режимі.

Крім того, швидкодія БТ в режимі перемикання збільшується при збільшенні коефіцієнта передачі струму h21E (або збільшенні

амплітуди імпульсу струму бази – імпульсу керування).

З метою підвищення граничної частоти транзистори виготовляють з малими ємностями переходів, а також, оскільки на швидкість розсмоктування впливає не лише екстракція, а й рекомбінація, зменшують середню тривалість життя неосновних носіїв шляхом введення до бази домішок, що прискорюють рекомбінацію (наприклад, золото у кремнієвих БТ).

127

10.3 Одноперехідний транзистор

Одноперехідний транзистор, або двобазовий діод (рисунок 10.10), - це біполярний прилад, що працює в режимі перемикання.

P n перехід, що відокремлює високолеговану область емітера від низьколегованої базової області, розділяє останню на дві частини:

нижню з довжиною l1 і верхню базу з довжиною l2 . Струм емітера при

прямому вмиканні цього переходу містить здебільшого лише діркову складову, і тому перехід називають інжектором. Принцип дії приладу грунтується на зміні об’ємного опору бази під час інжекції.

Рисунок 10.10 – Будова одноперехідного транзистора

На омічні контакти верхньої і нижньої баз подається напруга,

що викликає проходження через прилад струму I2 . Цей струм створює на опорі нижньої бази спад напруги Uвн , яке містить p n перехід у зворотному напрямі. Через закритий перехід тече його зворотний струм

I10 (рисунок 10.10). При прикладенні до входу транзистора напруга перехід не відкривається, і малий струм I10 залишається практично незмінним. Транзистор перебуває в закритому стані. При

U1 Uвн перехід вмикається прямо, і починається інжекція дірок до баз, унаслідок чого їх опори зменшуються. Це приводить до зменшення спаду напруги Uвн , подальшого відкривання переходу, збільшення струму I1 , подальшого зменшення опорів баз і т.д.

128

Починається лавинний процес перемикання транзистора, що супроводжується збільшенням ємітерного струму I1 і зменшенням спаду напруги між емітером і нижньою базою (U1 ). На вхідній

статичній характеристиці виникає ділянка з негативним диференційним опором (рисунок 10.11, а). Внаслідок процесу перемикання транзистор переходить до відкритого стану. В цьому стані прилад перебуватиме доти, поки інжекція дірок через перехід буде підтримувати в базі

надлишкову концентрацію носіїв, тобто поки струм I1 буде більшим за величину I1 вимкн (рисунок 10.11, а).

На рисунку 10.11,б показано вихідні характеристики

резистор. При I1 >0 вихідні характеристики набирають нелінійного характеру, оскільки результуюча напруга на переході змінюються при зміні вихідного струму I2 .

Рисунок 10.11 – Вхідна (а) і вихідна (б) статичні характеристики одноперехідного транзистора

Одноперехідні транзистори використовують у різноманітних імпульсних схемах (генератори релаксаційних коливань, підсилювачі тощо).

129

10.4 Високочастотні малопотужні транзистори

Як відомо з п.10.1, частотний діапазон БТ має задовольнити

бар’єрну ємність КП CK .

При виготовленні високочастотних транзисторів сплавний спосіб не застосовують, оскільки він не дозволяє отримати вузьку базу

(малий опір rБ ) і малу площу переходів. Тому такі транзистори

виготовляють за технологією дифузійного введення домішок. Глибина проникнення атомів домішок у напівпровідниковий кристал залежить від тривалості процесу дифузії та виду дифундуючих домішок.

При цьому в кристалі створюється нерівномірний розподіл домішок від поверхні до глибини. Це сприяє збільшенню концентрації

домішок у базі біля ЕП і, як наслідок, зменшенню rБ . Відносне

зменшення концентрації домішок біля КП приводить до зменшення його бар’єрної ємності за рахунок розширення переходу в бік бази, а також до збільшення пробивної напруги колектора.

Прикладом транзисторів, виготовлених за дифузійною технологією, є дрейфові транзистори. У базах транзисторів створюється експоненціальний розподіл донорних домішок, що зменшується від емітера до колектора (рисунок 10.12).

У наслідок іонізації атомів домішок у базі виникає так зване вбудоване електричне поле, спрямоване від емітера до колектора. Це поле збільшує швидкість руху через базу. Завдяки цьому усувається істотний недолік сплавних транзисторів з точки зору частотних властивостей, тобто зменшується час прольоту дірок через базу. Ємність КП у таких транзисторах мала, тому що він має велику товщину.

130