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

2. Ток базы в области отсечки отрицателен и практически не зависит от величины входного напряжения. При базовом управле­ нии входной ток в (1 + Вл//Вг) раз больше входного тока транзис­ тора при эмиттерном управлении и приблизительно равен тепло­ вому току коллекторного перехода 1кт- Ток базы начинает умень­

Эти характеристики приведены на рис. 4-29 (сплошная кривая — для диффузионного транзистора, штриховая — для дрейфового).

Из анализа передаточной характеристики следует, что выходной ток в области отсечки приблизительно равен тепловому току кол­ лектора.

Рассмотренные характеристики представляют собой характе­ ристики собственно транзистора. Они отличаются от реальных характеристик прежде всего тем, что последние представляют собой

130

зависимости токов от напряжений, приложенных непосредственно между выводами транзистора. Поскольку в области отсечки токи малы, то падения напряжения па объемных сопротивлениях гц, г,; и Гд ничтожны и ими можно пренебречь. Поэтому напряжения, приложенные между соответствующими электродами, и смещения на переходах практически равны друг другу. В данном режиме реальные характеристики отличаются от характеристик собственно транзистора в основном из-за токов утечки, канального тока и тока рекомбинации — генерации.

При работе в области отсечки влияние указанных составляю­ щих обратных токов учитывается сравнительно просто: к току

и тока рекомбинации — генерации соответственно для коллектор­ ного и эмиттерного переходов). Соответствующая поправка в вы­ ражении (4-266) для тока базы сводится к уменьшению его значе­ ния на величину суммы токов (/ к С + / э б ) .

Расхождение между реальными характеристиками и харак­ теристиками собственно транзистора, обусловленное наличием балластных токов /К б и / а б , особенно заметно для кремниевых приборов. С повышением температуры это расхождение проявля­ ется в меньшей степени, так как при высокой температуре тепловые токи 1ят и 1кт становятся преобладающими. Поэтому при расчетах схем, работающих в широком диапазоне изменения температуры, учитывается в основном изменение тепловых токов.

Инверсная активная область

В инверсной активной области эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный — в прямом. Соответст­ вующие неравенства, определяющие пределы изменений напря­

приведены на рис. 4-30. Из графиков следует, что неосновные носи­ тели заряда собираются эмиттером, т. е. эмиттер работает как коллектор, а инжектируются эти носители заряда коллектором, т. е. коллектор работает как эмиттер. Часть носителей заряда, инжектированных коллектором, доходит до эмиттерного перехода, образуя инверсно направленный поток I x i , величина которого определяется уравнением I T I = ccj/K .

При работе в инверсной области неосновные носители, до­ шедшие до эмиттерного перехода, покидают базу. При этом ток,

протекающий с эмиттерной цепи, складывается пз инверсного тока ITI П теплового тока эмиттерного перехода /8 г-

Инверсное включение применяется в схемах двунаправленных переключателей, которые целесообразно строить на симметричных транзисторах. В симметричных транзисторах две крайние области,

образующие эмиттер и коллектор, имеют одинаковые свойства и геометрические размеры. Поэтому любой из этих электродов с рав­ ной эффективностью может работать п как эмиттер, и как кол­ лектор.

Для симметричных транзисторов характеристики в инверсной области подобны характеристикам в активной области. Особенности инверсных характеристик несимметричных транзисторов, исполь­

При усилении и преобразовании импульсных сигналов проис­ ходит искажение их формы, обусловленное инерционностью про­ цессов, которые протекают в рабочих областях кристалла. В бипо­ лярных трапзпсторах искажения в основном связаны с процессами, протекающими в области базы и прилегающих к ней переходных слоях.

При изменении амплитуды входного сигнала происходит изме­ нение концентрации носителей заряда и их потоков. В,импульсных устройствах амплитуда сигнала изменяется сравнительно быстро. Однако из-за инерционности транзистора изменение концентра­ ции и потоков носителей заряда происходит с конечной скоростью, что вызывает уменьшение усиления мощности и искажения выход­ ного сигнала. Таким образом, инерционность транзистора коли­ чественно можно характеризовать временем установления кон­ центрации (или плотности заряда) носителей и их потоков.

и дрейфа и, во-вторых, из-за рекомбинации и генерации. В первом случае инерционность транзистора характеризуется средним вре­ менем пролета носителей заряда через область базы и дисперсией

132

этого времени (см. § 2-6). Во втором случае время установления концентрации носителей заряда, а также их потоков определяется средними значениями времени жизни носителей (см. § 2-7).

Инерционность процессов, которые протекают в переходных слоях, прежде всего характеризуется временем установления объемного заряда в собственно переходе. Так же, как и в одиночном р-п переходе (см. § 3-6), продолжительность этого процесса опре­ деляется временем перезаряда емкости эмиттерного 6'Э] п и коллек­ торного С К - П переходов. В ряде случаев приходится учитывать и время устаиовления рекомбинации и генерации в переходном слое.

Разумеется,., искажения, которые появляются при усилении импульсных сигналов, представляют собой результат одновремен­ ного действия всех указанных процессов. С целью упрощения ана­ лиза будем рассматривать действие каждого из этих процессов в отдельности. Так, например, при анализе процессов в базе будем считать переходы идеальными и пренебрегать изменениями потока неосновных носителей, которые происходят в переходных слоях из-за рекомбинации и изменения заряда обедненных слоев. На основании такого абстрагированного представления составля­ ются эквивалентные схемы (см. § 5-3,5-4), которые позволяют харак­ теризовать инерционность транзистора с достаточной для инже­ нерной практики точностью.

Искажения, обусловленные инерционностью транзистора, наи­ более ярко проявляются при усилении или преобразовании им­ пульсных сигналов в виде идеального перепада (скачка) тока (рис. 4-31). По реакции транзистора на такой сигнал можно оценить наибольшие искажения и определить основные импульсные пара­ метры транзистора. Поэтому ниже рассматриваются искажения, которые появляются при скачкообразном изменении входного тока (тока эмиттера или тока базы).

Изменение потока неосновных носителей заряда в базе. Передача тока эмиттера и тока базы

Искажения, которые появляются при изменении потока носи­ телей заряда, можно наблюдать при работе транзистора в активной области.

Представим себе идеальный транзистор, у которого эмиттерный переход обладает предельной эффективностью инжекции (уэ = 1). При скачкообразном увеличении (уменьшении) тока эмиттера на

вых, изменение тока коллектора задерживается и, во-вторых, фронт тока коллектора расплывается.

Если бы все носители заряда перемещались через область базы за одно и то же время, равное среднему времени пролета %TNI то

133

ток коллектора также изменялся бы скачком, но с задержкой на время trjv (см. пунктирную линию на рис. 4-31). В действи­ тельности же из-за разброса (дисперсии) времени пролета носи­ телей часть из них достигает коллекторного перехода раньше, чем за время тгл7, а часть — позже. Поэтому наряду с задержкой проис­ ходит расплывание фронта тока коллектора.

Прп скачкообразном изменении тока эмиттера ток коллектора меняется во времени по сложному закону [Л. 46, 47]. Однако с достаточной для инженерной практики точностью можно счи­ тать, что это изменение происходит по экспоненте с задержкой на время t3N (см. штриховую линию на рис. 4-31). Расплывание фронта обусловлено дисперсией времени пролета, поэтому коли-

чественно его можно характеризовать средним квадратичным от­ клонением времени пролета1 а^лт, считая постоянную времени экспоненты xa J \ равной CTT,V- Временную задержку t3N можно опре­ делить как разность среднего времени пролета TTN И величины

OTN, Т . е.

=XTN — OTJV-

Таким образом, искажение фронта и задержка импульса тока iK (t), образуемого нормально направленным потоком неосновных носителей, которые достигают коллекторного перехода, харак­

Это уравнение позволяет определить изменение тока коллек­ тора при любом законе изменения тока эмиттера. При этом иска­ жения характеризуются двумя величинами: постоянной времени коэффициента передачи тока эмиттера Ta /v и временем задержки г3дг.

1 Среднее квадратичное отклонение — это арифметический корень квад­ ратный из величины писперспи.

134

Рассмотрим искажения тока коллектора при скачкообразном

коллектора происходит почти по экспоненциальному закону с той

Чтобы установить связь постоянной времени коэффициента передачи тока базы трд> с физическими параметрами транзистора, воспользуемся дифференциальным уравнением (4-28) и равенством

ограничившись двумя первыми членами разложения и подставив

где TrN — среднее значение времени жизни носителей заряда, обра­ зующих нормально направленный поток.

135

Следовательно, прп изменении тока базы ток коллектора дости­ гает своего стационарного значения по мере установления про­ цесса рекомбинации для нормально направленного потока.

Интересно выяснить, почему искажения тока коллектора, которые появ­ ляются при резком измепеппп тока базы, определяются временем жизни носителей тг Л ,, тогда как при резком измене­ нии тока эмиттера это искажение характери­ зуется дисперсией времени пролета носителей.

Для этого прежде всего рассмотрим передачу короткого импульса тока базы транзистором.

заряд которых необходимо нейтрализовать (электроны но могут покинуть базу через эмштериый и коллекторный переходы, а через базовый контакт к этому моменту времени прекращаются приток и сток электронов, поскольку внеш­

Поэтому спад п потока дырок и тока коллектора iK (t), формируемого этим потоком, происходят по экспоненте с постоянной времени xrN.

Если представить ток базы в виде пачкп коротких импульсов (рис. 4-34), то все импульсы тока в коллекторпой цепи, приходящие вслед за первым,

136

будут накладываться друг на друга. При этом суммарный ток коллектора будет изменяться но тому же закону, по которому происходит спад коротких импуль­ сов, поскольку по мере этого спада будет происходить установление тока коллектора.

Итак, при ограничении стока или притока основных носителей заряда продолжительность переходных процессов в базе опреде­ ляется временем установления процесса рекомбинации. Поэтому при ограничении изменения тока базы ток коллектора изменяется по экспоненте с постоянной времени X,-N, определяемой средним значением времени жизни носителей заряда.

Изменение заряда неосновных носителей. Накопление и рассасывание носителей заряда в базе. Диффузионные емкости

При работе транзистора в области насыщения не все носители заряда, которые достигают коллекторного перехода, покидают область базы. Часть их них остается в базе, и происходит накоп­ ление избыточных носителей заряда. При отключении входного напряжения требуется определенное время для нх рассасывания из области базы. Поэтому инерцион­

лей, которые накапливаются в базе непосредственно у коллекторного и эмиттерного переходов.

Изменение заряда носителей в базе наиболее существенно влияет на величину токов, протекающих через переходы. При импульсном воздействии во время накопления или рассасывания носителей токи заметно превышают свои стационарные значения. Для при­

137

ходя до коллекторного перехода, могут покинуть область базы, так как ток коллектора /к _„ ограничен внешним сопротивлением /?„ (см. рис. 4-24). Часть носителей остается в базе и, накапливаясь у коллекторного перехода, приводит к увеличению напряжения на нем. Коллекторный переход смещается в прямом направлении,

итранзистор насыщается.

Вмомент времени t0 (рис. 4-35) к эмиттериому входу приклады­ вается скачок напряжения, амплитуда которого выбрана так, чтобы полностью запереть транзистор и перевести его в область отсечки токов. Еслп бы транзистор был безынерционным прибором,

сывания избыточных носителей заряда из базы требуется некоторое время, в течение которого заканчиваются переходные процессы. Рассасывание носителей начинается в момент включения запираю­ щего импульса. По мере уменьшения заряда неосновных носите­ лей уменьшается и напряжение на эмиттерной Ua и коллекторном UK переходах. Но пока переходы смещены в прямом направлении, токи эмиттера 1а2 и коллектора /„_„ практически определяются параметрами внешней цепи, так как изменения напряжений U9 и Uк пренебрежимо малы по сравнению с напряжением источников смещения. Поэтому, пока в базе имеется достаточное количество избыточных носителей, поддерживающих потоки через переходы, токи эмиттера и коллектора остаются неизменными.

138

Процесс рассасывания и накопления носителей заряда в базе инерционен, так как он связан с их диффузией и рекомбинацией. При движении неосновных носителей заряда через область базы даже в дрейфовых транзисторах диффузия носителей заряда играет заметную роль. Характерной особенностью диффузии явля­ ется дисперсия (разброс) времени пролета носителей, что замед­ ляет рассасывание или накопление носителей в данной области. Так, например, при прекращении инжекции носителей через эмиттерный переход нормально направленный поток носителей, образующий ток ITN У коллекторного перехода, не сразу прекра­ щается, как это следует из уравнения для установившегося ре­ жима: ITN — CINIQ ( С М . § 4-3). Спад или нарастание тока ITN замед­ ляется из-за дисперсии времени пролета носителей. Закон изме­

Физический смысл этого уравнения был выяснен при составле­ нии уравнения (4-28). Эти уравнения отличаются друг от друга только тем, что предыдущее составлено для приращения тока кол­ лектора i„ (t), вызываемого изменением тока эмиттера i3 (t) при работе транзистора в активной области. Независимо от режима работы транзистора ток ITN (t), который формируется нормально направленным потоком носителей, дошедших до коллекторного перехода, определяется уравнением (4-35). От условий же работы зависит, какая часть неосновных носителей заряда уходит из области базы через коллекторный переход. Так, при работе в актив­ ной области все неосновные носители заряда, которые достигают коллекторного перехода, покидают область базы, образуя в кол­ лекторной цепи ток

При этом приращение тока коллектора iK (t) равняется прира­ щению тока AITN [именно на этом равенстве и основано уравнение (4-28)]. Если по какой-либо причине сток носителей в коллектор­ ную цепь ограничен, то из базы в коллектор поступит лишь столько неосновных носителей, сколько необходимо для поддержания тока коллектора, и равенство (4-36) нарушается.

Продолжительность процесса накопления или рассасывания носителей заряда определяется также временем установления про­

(2-2) следует, что если расходимость потоков равна нулю, то изменение плотности заряда неосновных носителей, обусловленное

139