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

В этих соотношениях iVg — концентрация примеси в базовой области, коэффициент а = AiV/ДИ'п — средняя крутизна изме­ нения концентрации примесей в переходном слое.

Как видно из выражения (3-32), величина зарядной емкости зависит от напряжения смещения. Эта зависимость приведена на

к увеличению токов основных носителей в областях р и га, так как образование этих токов в области р связано с перемещением дырок, а в области га — с перемещением электронов.

Характеризовать качественно емкостный ток через р-п переход только с помощью зарядной емкости не удается. Вторая причина, вызывающая образование емкостного тока, это — действие так называемой диффузионной емкости.

Диффузионная емкость

Рассмотрим изменение плотности заряда неосновных носителей, например, дырок в базе (рис. 3-25) при изменении уровня ин­ жекции, т. е. величины тока, протекающего через р-п переход. Предположим, что к р-п переходу приложено отпирающее напря­ жение, величина которого соответствует начальной плотности заряда дырок qpua4 {х). Увеличим ток на некоторую величину. При этом увеличивается плотность заряда неосновных носителей, стремясь к величине ^ К О н 0е) i и соответственно возрастает напря­ жение на переходе. В установившемся режиме новое значение

При изменении тока новое значение концентрации дырок и соот­ ветственно плотность их заряда qpKon(x), очевидно, могут быть дости­ гнуты по мере накопления (при увеличении тока) или рассасывания (при уменьшении тока) неосновных носителей варяда в базе.

80

Например, накопление неосновных носителей заряда, вызываемое увеличением уровня инжекции, приводит к постепенному росту плотности их заряда (см. штриховую кривую на рис. 3-25) и соответственно к увеличению напряжения на переходе. Следова­ тельно, в неустановившемся режиме базовая область ведет себя

заряда в базе), вызывая постепенное изменение напряжения на переходе. •

Инерционность, которая обусловлена изменением заряда неос­ новных носителей в базе, приводящая к запаздыванию нарастания или спадания напряжения при изменении тока, принято количест­

где

— дифференциальное сопротивление идеального р-п перехода. Сопротивление гп д меняется с изменением тока, протекающего

81

через переход. Поэтому изменяется и диффузионная емкость: величина Са д растет прямо пропорционально диффузионной состав­ ляющей тока. Именно по этой причине влияние диффузионной емкости особенно заметно при прямом включении р-п перехода, тогда как действие зарядной емкости сказывается при обратном включении. Заметим также, что в отличие от зарядной емкости токи заряда и разряда диффузионной емкости образуются потоками неосновных носителей заряда, поскольку действие этой фиктивной емкости, по сути дела, отражает процесс накопления или расса­ сывания неосновных носителей заряда в базе.

3-7. ИМПУЛЬСНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА

Электронно-дырочный переход часто используется в импульс­ ном режиме, т. е. в режиме, когда за короткие промежутки вре­ мени происходит заметное изменение амплитуды сигналов. При этом появляются искажения преобразуемых сигналов, которые обусловлены инерционностью р-п перехода.

При воздействии импульсных сигналов протекают переходные процессы, которые возникают из-за действия зарядной емкости перехода и процессов накопления пли рассасывания носителей заряда в области базы. По мере накопления или рассасывания носителей заряда изменяется напряжение на переходе. Наряду с этим происходит модуляция объемного сопротивления базы, что также влияет на продолжительность переходных процессов. Исследованию указанных процессов посвящено большое число ра­ бот, основные результаты которых достаточно полно освещены в об­ зорной статье [Л. 35].

Переходные процессы нас будут интересовать с точки зрения определения импульсных свойств электронно-дырочного перехода. При этом удобно рассматривать в отдельности процессы отпирания и запирания перехода.

Отпирание р-п перехода. Импульсное сопротивление. Время установления прямого сопротивления

Рассмотрим переходный процесс в р-п переходе при его отпира­ нии скачком тока. Такой режим работы можно обеспечить, выбрав сопротивление R в схеме питания (рис. 3-26) на порядок и более превышающим дифференциальное сопротивление перехода. Тогда источник импульсного напряжения Ur с сопротивлением R будет работать в режиме генератора тока, поскольку величина тока / , отбираемого от источника Ur, практически не зависит от падения напряжения на р-п переходе UK, т. е.

82

Эпюры тока и напряжений показаны на рис. 3-27. Как известно, напряжение на электронно-дырочном переходе Ua складывается из напряжения на объемном сопротивлении £/CD- и напряжения на переходном слое Un, т. е.

ия=ио0 + ип.

При подаче ступеньки тока напряже­ ние С/0б, скачком увеличиваясь, достигает величины

возрастая по мере накопления неосновных носителей в базе,

тпЦ>т 1D j

стремится к уровню lu ^1 -f-

' TD

Эпюры, приведенные на рис. 3-27, а, построены для токов малой амплитуды, когда не сказывается влияние эффекта модуляции объемного сопротивления базы Гб. При малых токах падение напря­ жения на го и изменение этого напряжения из-за модуляции г6

1 *

"of

Рпс. 3-27. Эпюры тока и папряжоniiii прп отпира­ нии р-п перехода.

о — для импульса то­ ка малой амплитуды; б — для импульса тона большой ампли­ туды.

^1 V

оказываются значительно меньше напряжения на переходном слое Ua. Суммарное же напряжение UR после скачка величиной 1гц возрастает монотонно (рис. 3-27, а).

При работе с токами большей амплитуды (рис. 3-27, б) объем­ ное падение напряжения С70б становится сравнимым с напряжением на переходном слое, причем напряжение С/0е сначала скачком воз-

83

растает до величины 7>б0, где Гб0—значение объемного сопротивления базы, соответствующее равновесной концентрации носителей заря­ да. По мере накопления носителей заряда в базе ее проводимость возрастает, а сопротивление ?-о уменьшается. Суммарное напряже­ ние С/д сначала возрастает (из-за увеличения падения напряжения на переходном слое Ua), а затем спадает (из-за уменьшения падения напряжения на сопротивлении rg). При этом эпюра суммарного падения имеет форму кривой с ярко выраженным максимумом

#д.макс (Р п с - З " 2 7 . б ) - Эпюра напряжения £/д позволяет определить основные импуль­

сные параметры электронно-дырочного перехода при прямом включении: импульсное сопротивление перехода

рое определяется продолжительностью всплеска импульса напря­

жения ия.

Импул ьсное сопротивление /"д нмп обычно в несколько раз боль­ ше прямого сопротивления перехода 7-Пр, определяемого отношением

Время установления т у с т определяется средним временем иролета носителей через область базы TTN-

Запирание р-п перехода. Рассасывание носителей заряда. Время восстановления обратного тока

Рассмотрим переходные процессы, которые возникают при запи­ рании электронно-дырочного перехода.

В исходном состоянии переход открыт приложенным к нему напряжением Еш (рис. 3-28), и через него протекает прямой ток

врежим работы, определяемый

в момент времени t0 с включением запирающего перепада ток

штриховыми линиями. Между тем наблюдаемое на практике изме-

84

Рис. 3-29. Вольт-ам- периая характеристи­ ка п временные диа­ граммы тока, проте­ кающего через р-п

переход при его за­ пирании.

(рис. 3-29). Затем начинается спад обратного тока до своего уста­ новившегося значения /0 брЭту картину можно наблюдать при помощи осциллографа, включив последовательно с р-п переходом измерительное сопротивление й „ з м (рис. 3-28), падение напряже­ ния на котором Uam — /д-йцвм будет пропорционально току / д , протекающему через электронно-дырочный переход.

Для того чтобы выяснить физическую суть наблюдаемой картины, рас­ смотрим изменение плотности заряда неосновных носителей в базе, например,

рающего импульса начинается рассасыва­ ние избыточных носителей заряда, накопленных в базе. По мере умень­

шения заряда неосновных носителей уменьшается и напряжение на переходе. Но пока переход включен в прямом направлении, ток, протекающий через него, практически определяется параметрами внешней цепи. Действительно,

85

пока идет рассасывание избыточных носителей из областп базы.

В момент времени ^ переход смещается в обратном направлении, так как плотность заряда неосновных носителей, накопленных в базе непосред­ ственно на границе переходного слоя становится меньше своей равновесной величины дра. Начинается спад тока, протекающего через переход. По мере

рассасывания носителей, остававшихся в базе поело смещения перехода в об­ ратном направлении (см. рис. 3-30, область, заштрнхованпую в виде клеток), ток, уменьшаясь, стремится к своему установившемуся значению ioGpi опре­ деляемому тепловыми токами и током утечки.

Время, в течение которого происходит рассасывание избыточ­ ных носителей, пока переход включен в прямом направлении, назы­

вается длительностью среза £с р . Сумма времени рассасывания и длительности среза, характеризующаяся продолжительностью переходного процесса при запирании электронно-дырочного пере­ хода, называется временем восстановления обратного тока т в о с с т .

Время рассасывания определяется средним значением времени пролета неосновных носителей через область базы %TN- Длитель­ ность среза зависит от величины зарядной емкости и времени рас­ сасывания остатка носителей из базы, продолжительность кото­ рого в свою очередь характеризуется дисперсией времени пролета носителей в инверсном направлении.

3-8. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА

Для расчета электрических цепей, включающих в себя р-п переходы,

можно пользоваться вольт-ампериымп характеристиками переходов. Однако по этим характеристикам не всегда удобно учитывать влияние разброса пара­ метров. Кроме того, вольт-амперные характеристики, снятые в стационарном режиме, не позволяют произвести расчет прп воздействии высокочастотных и импульсных сигналов. Поэтому приходится пользоваться эквивалентными схемами электронно-дырочных переходов.

Различают два вида эквивалентных схем: малосигнальные эквивалент­ ные схемы и эквивалентные схемы для большого сигнала.

Малоспгнальные эквивалентные схемы применяются в тех случаях, когда переменная составляющая сигнала значительно меньше постоянных состав­ ляющих токов н напряжений, поэтому р-п переход в первом приближении

можно считать линейным элементом. В этом случае используются дифферен­ циальные параметры, которые определяются наклоном характеристики в задан­ ной рабочей точке.

В тех случаях, когда сигнал по величине сравним с постоянной состав­ ляющей, пользуются эквивалентными схемами для большого сигнала и интег­ ральными параметрами, ПОЗВОЛЯЮЩИМИ определить с достаточной для прак­ тики точностью величины токов и напряжений.

Малосигналъная схема

Малосигнальная эквивалентная схема электронно-дырочного перехода показана на рис. 3-31. В ней учтены как паразитные элементы, определяемые геометрией конструктивных элементов прибора (кристалла, корпуса, выво­ дов, контактов и т. а-) и пх расположением относительно друг друга, так

86

и сопротивления утечки г у т , т. е.

87

Для перехода, работающего прп отпирающем смещенпп, практически можно пренебречь влиянием зарядной емкости п считать суммарную емкость Сп = Сп . д- В зависимости от величины тока / и среднего времени пролета xTN [см. выражение (3-35)] значение диффузионной емкости колеблется в пре­ делах от еднипц пикофарад до сотых долей микрофарад.

При запирающем смещении сказывается главным образом влияние заряд­ ной емкости Сп . з, величина которой в зависимости от площади перехода, кон­ центрации примесей или градиента в переходном слое, а такжо напряжения на переходе составляет единицы — сотни пикофарад.

Прп практических расчетах в большинстве случаев эквивалентную схему электронно-дырочного перехода можно упростить и прпвестп к виду, пока­ занному на рис. 3-32. В этой схеме не учитывается действие паразитных эле­ ментов ZIKOH 1 1 Скон> влияние которых из-за сравнительно малой величины проявляется лишь па частотах, превышающих сотни мегагерц. Поэтому только в приборах, предназначенных для работы в СВЧ-технике, влпяитте указанных элементов становится сравнимым с влиянием емкости перехода Сп . В упро­ щенной эквивалентной схеме учтено такжо приблизительное равенство г0 о

Представленные па рис. 3-31 и 3-32 эквивалентные схемы применимы для всех видов электронно-дырочных переходов, но со следующими ограничениями.

Для туннельных диодов [Л. 37, 38] следует учесть, что дифференциальное сопротивление перехода имеет отрицательный знак (гД И ф = — р т ) , его вели­ чина определяется наклоном вольт-амперной характеристики в рабочей точке. Дпффузпонная емкость перехода отсутствует, так как диффузионные процессы практически не влияют на работу туннельного диода.

Для обращенных диодов [Л. 37] в проводящем состоянии диффузионная емкость также равняется нулю.

Для опорных диодов [Л. 37], работающих в области пробоя, дифферен­ циальное сопротивление перехода гД П ф в заданной рабочей точке определяется наклоном вольт-амперной характеристики в области пробоя, а диффузионная

При большом сигнале электроппо-дырочиый переход работает в широком диапазоне изменений напряжений п токов н представляет собой нелинейный элемент, характеристики которого меняются с изменением уровня сигналов. Поэтому приведенные малоспгнальные эквивалентные схемы, параметры

нерной практике -обычно пользуются эквивалентными схемами. Прп этом предпочтительно применяют упрощенные схемы, позволяющие избавиться от громоздких и сложных расчетов, разумеется, за счет допустимого снижения точности апалпза.

Эквивалентная схема элоктронпо-дырочного перехода для большого сигнала приведена на рнс. 3-33. Так же как и в малоенгнальной схеме, реак­ тивное действие конструктивных элементов характеризуется паразитной индуктивностью L K O H И паразитной емкостью СионХарактерной особенностью

88

этой схемы является наличие нелинейных элементов: зарядной емкости Сп. 3 ,

сопротивления базы гд и идеального диода Д и д .

Как известно, величина емкости Сп. 3 изменяется существенно с измене­

нием напряжения на переходе. Поэтому при широком диапазоне изменений напряжения зарядный ток определяется нелинейным дифференциальным уравнением

конечном приращении напряжения на переходе. Можно показать, что эта

начальное) значение напряжения на переходе; пс — показатель степени,

характеризующий зависимость емкости от напряжения [см. (3-32)].

Таким образом, интегральная емкость р-п перехода, которая используется

при практических расчетах как усредненное значение Сп . 3 ,определяется вели­ чиной дифференциальной емкости прп одном пз граничных значений напря­

отлетаются друг от друга на порядок и более. Прп этом формула (3-43) упрощается:

C n . 3 ^ C n . 3 ( t f n ) T - V ,

где СП, з {Un) — величина дифференциальной емкости прп большом (по абсо­

лютной величине) значении напряжения на переходе.

Нелинейным элементом является п диод ДИ д> напряжение на котором оп­ ределяется величиной заряда неосновных носителей. Заряд неравновесных носителей, который накапливается на базе непосредственно на границе пере­ ходного слоя, определяется выражением

где Он= О — Q0 — заряд неравновесных носителей; Q = qSn и Qa = gBSn — суммарные заряды неосновных носителей на границе перехода в неравновес­ ном и равновесном состояниях соответственно.

Прп помощи коэффициента т учитывается отклонение реальной вольт-

амперной характеристики от идеальной, которое обусловлено влиянием тока рекомбинации — генерации и канального тока V

1 Строго говоря, влияние тока рекомбинации — генерации и канального тока надо было учитывать подключением дополнительных диодов параллельно диоду Днд. Однако это приводит к существенному усложнению эквивалентной схемы, поэтому на практике такая схема редко применяется.

89