книги из ГПНТБ / Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники

Таким образом, при работе с базовым входом транзистор способен уси­ ливать входной ток в (1 + PJY) Ра з > е с л п выход берется с эмиттера, и в Вд, раз — еслп с коллектора.

4-3. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА

Статические вольт-амперные характеристики позволяют опре­ делить особенности транзистора при его работе в различных обла­ стях. Различают следующие области работы транзистора:

активная область; при работе транзистора в этой области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллектор­ ный — в обратном;

область насыщения; в этой области эмиттерный и коллектор­ ный переходы смещены в прямом направлении;

область отсечки токов; в этой области эмиттерный и коллектор­ ный переходы смещены в обратном направлении;

инверсная активная область; в этой области эмиттерный пере­ ход смещен в обратном направлении, а коллекторный — в прямом.

Особенности транзистора в различных областях удобно иллю­ стрировать графиками распределения плотности заряда неоснов­ ных носителей в базе q. Эти графики позволяют наглядно просле­ дить за изменениями напряжений на переходах и токов при работе транзистора в той или иной области.

Величина плотности заряда неосновных носителей в базе на границе р-п перехода определяется приложенным к рассматри­ ваемому переходу напряжением. Плотности заряда у эмиттерного <7Э и коллекторного qH переходов равны:

где q30 и qHQ — плотности заряда неосновных носителей в равно­ весном состоянии, т. е. в случае, когда к переходам не приложены внешние напряжения.

Напряжения на переходах £7а и UK определяются как разности электро­

статических потенциалов эмиттера п коллектора в неравновесном и равновес­ ном состояниях. Это — напряжение положительной полярности для перехода, смещенного в прямом направлении, и отрицательной полярности для пере-

110

хода, смещепиого в обратном направлении. В частности, для транзисторов р-п-р типа напряжение Ua пли — положительной полярности, если потен­ циал соответствующего перехода относительно базы положителен, п иэ пли UK — отрицательной полярности, если потенциал перехода относительно базы отрицателен. Для транзисторов типа п-р-п наоборот: U-it или UK положитель­

ной полярности в случае, когда потенциал соответствующего перехода отно­ сительно базы отрицателей, и иэ плп UK отрицателен в случае, когда потен-

цпал перехода положителен.

Области работы транзистора разграничиваются нулевыми значениями напряжений иэ п UK соответственно на эмпттерном и коллекторном перехо­

дах. Прп нулевых значениях этих напряжений электростатические потенциа­ лы эмиттера п коллектора равны своим равновесным значениям.

Соотношения (4-7а) п (4-76), которые следуют непосредственно пз хорошо известных граничных условий Шокли (см. § 2-4), позволяют установить гра­ ницы областей работы транзистора. На границах областей плотности заряда у эмиттерного и коллекторного переходов равняются своим равновесным зна­ чениям.

Ниже приводятся графики распределения плотности заряда неосновных носителей д (х) для одномерной модели транзистора. На этпх рисунках даны

также графики распределения плотности заряда в равновесном состоянии (сплошные кривые, помеченные знаком д„). В диффузионных транзисторах

меси распределены равномерно, а плотность заряда неосновных носителей в равновесном состоянии обратно пропорциональна концентрации примесей. В базе дрейфопого транзистора прпмеси распределены неравномерно; кон­ центрация нримеоой у эмиттерного перехода значительно больше концентра­ ции примесей у коллекторного перехода. Поэтому в равновесном состоянии плотность заряда неосновных носителей в базе дрейфового транзистора растет от эмиттера к коллектору. В диффузионных транзисторах равновесные зна­ чения плотности заряда непосредственно у эмиттерного перехода q d a и у кол­

При помощи графиков распределения плотности заряда можно определить и плотности токов. Как известно (см. § 2-1), диффузи­ онная составляющая тока пропорциональна градиенту плотности

заряда неосновных носителей, т. е. касательной к кривым распре­ деления плотности заряда в базе dq (x)/dx. Дрейфовая составля­

ющая тока определяется величиной плотности заряда, т. е. орди­ натой графиков распределения плотности заряда q (х). Таким обра­ зом, при помощи этих графиков можно определить величины токов, протекающих вдоль базы, а также величины токов, обусловлен­ ных переходом в нее неосновных носителей через электроннодырочные переходы. Но через переходы протекают и токи, кото­ рые образуются потоком основных носителей заряда. Так, напри­ мер, одновременно с инжектированием из эмиттера в область базы неосновных носителей из базы в область эмиттера переходят основные носители. Поэтому ток через эмиттерный переход скла­ дывается из двух составляющих: из тока неосновных носителей заряда / а и тока основных носителей заряда I I . Ток неосновных носителей заряда связан с суммарным током выражением

где 1э = Гэ-\-Га.

111

Аналогично коллекторный переход характеризуется коэффи­ циентом игокекцпи коллектора ук, который представляет собой отношение тока неосновных носителей заряда 7i„ протекающего

телей заряда, вреден, так как он приводит к уменьшению усиле­ ния мощности. Поэтому при изготовлении транзисторов стре­ мятся по возможности уменьшить величину этого тока, иначе говоря, стремятся получить транзисторы с коэффициентом инжекции, очепь близким к единице. Ниже мы будем пренебрегать токами основных носителей '. При этом можно считать, что коэф­

ний (см. § 2-1 — 2-3). Эти соотношения можно составить более паглядным способом — на основе физического представления работы транзистора.

При разомкнутом эмиттере (1Э = 0) вольт-амперная характе­ ристика коллекторного перехода не будет отличаться от вольтамперной характеристики электронно-дырочного перехода с те­

коллекторного диода также остается постоянным. Но при этом

носителей, которые передаются от эмиттера к коллектору, противо­ направлен току коллекторного диода. Следовательно, в общем

Как здесь, так и в последующих выводах положительными считаются токи, направления которых совпадают с направлениями стрелок, указанных на рис. 4-14.

1 Случаи, когда необходимо учитывать ток основных носителей, огова­ риваются.

112

Совершенно так же прн разомкнутом коллекторе (/,< = 0) вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода опреде­ ляется тепловым током 1Ь? и напряжением Ua, т. е. ток эмиттера равняется / э т [ехр (С/э/срт) — 1]. Поскольку биполярный тран­ зистор представляет собой симметричный прибор, то его коллек­ тор может работать эмиттером, а эмиттер — коллектором, как это и происходит при инверсном включении транзистора. Поэтому передача неосновных носителей через базу может происходить не только от эмиттера к коллектору, но и в обратном (инверсном) направлении — от коллектора к эмиттеру. При этом ток в эмиттерной цепи a,iIK представляет собой часть тока коллектора, харак­ теризуемую коэффициентом передачи тока коллектора а/. Этот ко­

В уравнениях (4-8) п (4-9) ток перехода определяется величиной напря­ жения, приложенного к данному переходу, и величиной тока, протекающего через противоположный переход. В ряде случаев удобно пользоваться урав­ нениями, связывающими токи с напряжениями на эмиттерном и коллектор­ ном переходах. Такую систему уравнений можно получить преобразованием уравнений (4-8) п (4-9) к виду

Наряду с этими уравнения™ прп определении характеристик транзи­ стора, описывающих его работу в той или иной области, целесообразно ис­ пользовать известное соотношение [Л. 1]

Это равенство позволяет определить одну пз входящих в него величин, зная три остальных. Оно является следствием принципа взаимности, который, как доказали Шоклп и его сотрудники [Л. 1], соблюдается в полупроводнико­ вых приборах в самом общем случае. Поэтому можно пользоваться равенством (4-12) при анализе работы как диффузионных, так н дрейфовых транзисторов.-

При работе транзистора с базовым входом целесообразно выразить токи

113

где Р/ = aj/(l — ocj)_— коэффициент передачи тока базы в эмиттер (инверс­ ная бета).

Приведенные системы уравнений представляют собой аналити­ ческие выражения статистических характеристик собственно тран­ зистора. Нас же интересуют характеристики реального прибора, которые отличаются от характеристик собственно транзистора. Во-первых, характеристики реального транзистора определяются не падениями напряжений на р-п переходах, а напряжениями, которые приложены к внешним выводам электродов прибора. Эти напряжения складываются из падения напряжений на пере­ ходах и объемных сопротивлениях. Падения напряжений на элек­ тродах можно измерять непосредственно, поэтому как при расче­ тах, так п при снятии характеристик транзистора удобно иметь дело именно с этими напряжениями. Во-вторых, величины токов реального транзистора и собственно транзистора тоже неодина­ ковы: они отличаются на величину токов утечки, канальных токов и тока рекомбинации-генерации, учет которых в ряде случаев необходим.

Характеристики собственно транзистора интересуют нас постольку, поскольку характеристики реального транзистора в значительной мере определяются процессами, которые происхо­ дят в базе, а следовательно, свойствами собственно транзистора. Имея характеристики собственно транзистора, нетрудно опреде­ лить характеристики реального.

Падение напряжения в объеме полупроводника можно учиты­ вать при помощи объемных сопротивлений. Наиболее существенно влияние объемного сопротивления базы гс, которая представляет собой сопротивление полупроводникового материала базовой области и базового контакта току основных носителей заряда, протекающему через вывод базы. При больших токах приходится учитывать влияние объемного сопротивления коллектора г^, а в ряде случаев и объемного сопротивления эмиттера г'э.

Влияние тока рекомбинации — генерации и канального тока наиболее существенно проявляется в кремниевых транзисторах при низких значениях прямого напряжения. Поэтому характе-

114

ристики этих приборов совпадают с расчетными лишь при смеще­ ниях, превышающих некоторую величину. Причем чем выше температура переходов, тем при более низких смешениях харак­ теристики приближаются к идеальным. При определении вольтамперных характеристик коллекторного и эмиттерного диодов влияние указанных токов можно учесть, представив характерис­ тики в следующем виде:

и коэффициентов в стеиени экспоненты, при помощи которых учитывается влияние всех слагаемых тока соответствующего диода. Средние значения тепловых токов и коэффициентов зависят

от температуры и напряжения смещения иа соответствующем переходе. При низких смещениях /„г > ha, 1'ат > hr', пък > 1;

тпэ > 1. По мере увеличения смещения и повышения температуры перехода средние значения тепловых токов, уменьшаясь, стре­

потоком основных носителей заряда, поэтому наличие этих токов приводит к уменьшению коэффициента инжекции перехода. Соответственно уменьшается коэффициент передачи тока эмиттера

или тока коллектора а;, а следовательно, и коэффициент пере­ дачи тока базы f>N или В/.

Таким образом, влияние тока рекомбинации — генерации и канального тока на статистические характеристики можно учи­ тывать соответствующим уменьшением коэффициентов передачи токов, заменой тепловых токов их средними значениями и вве­ дением коэффициентов тк и тэ в степени экспонент, описыва­ ющих вольт-амперную характеристику коллекторного и эмит­ терного диодов. Следует иметь в виду, что все эти видоизменения необходимо делать лишь при определении статистических характе­ ристик в микрорежиме, т. е. в режиме относительно низких сме­ щений.

Поскольку соответствующие напряжения смещений для р-п-р и п-р-п транзисторов противоположной полярности, то их вольтамперные характеристики оказываются расположенными в раз­ личных квадрантах. Это создает определенные неудобства, поэ­ тому принято строить вольт-амперные характеристики без учета полярности напряжений смещения, расположив их в одном и том же .квадранте для р-п-р и п-р-п транзисторов.

115

Активная область

Это — наиболее характерная область работы транзистора в линейных усилителях. При работе в активной области напряжение на коллекторе UK, смещающее переход в обратном направлении, не должно превышать напряжение пробоя. Если при этом рассе­ иваемая па коллекторе мощность получается больше максимально допустимой, то наибольшая величина напряжения коллектора определяется значением, при котором мощность, рассеиваемая на коллекторе, не превышает допустимую. Максимальное значе­

эмиттерный переход, перемещаясь от эмиттера к коллектору, образуют нормально направленный поток. Величина тока, обра­ зуемого потоком неосновных носителей, в диффузионном транзис­ торе определяется градиентом плотности заряда в базе. В устано­ вившемся режиме плотность заряда в базе диффузионного тран­ зистора изменяется почти линейно (рис. 4-15, а); градиенты плот­ ности заряда непосредственно у эмиттерного и коллекторного переходов, а следовательно, и токи через переходы отличаются друг от друга незначительно.

116

В базе дрейфового транзистора ток вблизи эмиттерного пере­ хода в основном определяется дрейфовой составляющей. Вблизи эмиттерного перехода плотность заряда q (х) велика, но меняется незначительно и имеет небольшой градиент, поэтому диффузи­ онная составляющая тока значительно меньше дрейфовой. Вблизи же коллекторного перехода, наоборот, плотность заряда невелика, так как неосновные носители заряда, достигшие коллекторного перехода, покидают базу. Но градиенты концентрации достигают

фузионной составляющей.

При работе в активной области неосновные носители заряда, которые достигают коллекторного перехода, полностью покидают

Первая составляющая тока I T N образуется нормально направ­ ленным потоком неосновных носителей заряда, которые инжек­ тируются в базу через эмиттерный переход, и определяется сле­ дующим выражением:

ITN = сбл>7э.

Вторая составляющая тока 1кт образуется потоком неосновных носителей, которые благодаря термогенерации пар электрон— дырка рождаются непосредственно в базовой и коллекторной областях. Это — тепловой ток коллекторного перехода.

Третья составляющая тока — 1кт ехр (£/„/фт) — образуется ос­ новными носителями заряда, преодолевшими потенциальный барьер коллекторного перехода. В равновесном состоянии (Е7К = 0) эта составляющая тока компенсируется тепловым током. Сле­ довательно, на границе активной области ток коллектора

1« — OI.NI А.

По мере увеличения смещения UK ток основных носителей уменьшается и при | UH | 75* (3 -4- 4) ф Т на 75 -е- 100 же практи­

чески становится равным нулю. Поскольку в активной области транзистор обычно работает при смещениях не менее 1—2 в, то током основных носителей через коллекторный переход можно пренебречь. При этом

В уравнении (4-16) не учитывается влияние тока рекомбинации, канального тока и тока утечки коллекторного перехода. При работе в активной области учет этих составляющих можно осуществить сравнительно просто, заменив в уравнении (4-16) тепловой ток 1кт обратным током коллекторного перехода / к о . Тогда

117

Выражением (4-17) определяется одна из основных характе­ ристик транзистора при работе в активной области. Это — его выходная характеристика или так называемая коллекторная характеристика, представляющая собой зависимость тока коллек­ тора от выходного напряжения с параметром 1Э = const. При

1 1

1010-

5

работе с базовым входом параметром является ток базы IQ. В этом случае семейство коллекторных характеристик описывается выра­ жением

которое можно получить из уравнения (4-17), подставив в него

/ э = /к + /б-

Коллекторные характеристики транзистора при работе с эмиттерным входом приведены на рис. 4-16, а при работе с базовым входом — на рис. 4-17.

118

С изменением напряжения U,{Q ИЛИ UIA ток коллектора частично меняется из-за .изменения обратного тока / к о (см. § 3-5). Однако объяснить наблюдаемые на практике изменения 1К за счет только изменения / к о не удается, так как приращение / к обычно значи­ тельно превышает приращение /,( 0 .

Изменение коллекторного напряжения влияет на величину тока коллектора косвенно: с повышением обратного смещения коллекторный переход расширяется, а поэтому толщина базы уменьшается, и, наоборот, с понижением этого смещения коллек­ торный переход сужается, а толщина базы увеличивается. С умень­ шением толщины базы уменьшается время пролета неосновных носителей заряда через пее, что приводит к уменьшению доли носителей, рекомбинирующих в базе, следовательно, к увеличе­ нию части носителей, достигающих коллектора. Иначе говоря, с повышением обратного смещения на коллекторном переходе уменьшается толщина базы, что приводит к увеличению коэф­

Таким образом, изменение тока коллектора с изменением выход­ ного напряжения является результатом зависимости коэффици­ ента передачи тока эмиттера cc,v или коэффициента передачи тока базы р\\ от обратного смещения, приложенного к коллектор­ ному переходу. Поэтому и при аналитических расчетах необхо­

осложняет анализ и расчет транзисторных схем. Поэтому на прак­ тике предпочитают определять влияние модуляции толщины базы на характеристики транзистора косвенным способом — при помощи фиктивного сопротивления г,„ шунтирующего коллекторный пере­ ход. По сутн дела, посредством этого сопротивления учитывается изменение коэффициента передачи тока с изменением UK, т. е. вместо того, чтобы варьировать величиной oc;v или р\у как функцией UK, можно ввести сопротивление коллекторного перехода /•„ и пред­ ставить ajv и p\v не зависящими от UK. Дифференциальное значение соиротивления коллектора можно определить по наклону коллек­ торной характеристики. Причем при работе транзистора с базовым входом это сопротивление в (1 + p\v) раз меньше, чем при работе

сэмиттерным входом.

Всхеме с базовым управлением сужение базы (с увеличением

напряжения UK) также уменьшает вероятность рекомбинации, поэтому число дырок, дошедших до коллектора, возрастает. Соот­

ветственно увеличивается число электронов, которые остаются в базе р-п-р транзистора. Так, например, если поток дырок, дошед­ ших до коллектора, возрастает на величину Ар, то число электро­ нов, остающихся в- базе, увеличивается на ту же величину An = = Ар. Для нейтрализации заряда оставшихся в базе электронов

119