книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

ников питания определяют из условия, чтобы к эмиттерному пере­ ходу было приложено прямое напряжение, а к.коллекторному — обратное.

Рис. 2.44. Схема включечешш транзисторов о) с общей базоіі; б) с £'

общим эмиттером; в) с общим коллектором

Хотя напряжения в выходных цепях схем ОБ и ОЭ принято на­ зывать коллекторными, они не являются одинаковыми. Из рисун­ ка 2.446 видно, что разность напряжении между выходом (коллек­

эмиттерному и коллекторному переходам триода, возможны четы­ ре режима его работы; активный, отсечки, насыщения и инверс­ ный. Активный режим используется при усилении малых сигналов; в этом режиме прямое напряжение подается на эмиттерный пере­ ход, а обратное — на коллекторный. В режиме отсечки к обоим переходам подводятся обратные напряжения, ток, протекающий через триод, в этом случае ничтожно мал; практически триод в ре­ жиме отсечки оказывается запертым. В режиме насыщения, наобо­ рот, оба перехода находятся под прямым напряжением, ток в вы­ ходной цепи триода при заданном значении R„ максимален и прак­ тически не регулируется током входной цепи; в этом режиме триод полностью открыт. Последние два режима используются при ра­ боте триода в качестве переключателя; триод продолжительное время работает в этих режимах, в то время как активный режим существует в нем лишь в моменты включения и выключения. На­ конец, в инверсном режиме эмиттер и коллектор меняются своими ролями; эмиттер выполняет функции коллектора, а коллектор, на­ оборот,— функции эмиттера.

Теория работы транзистора

Зонная диаграмма. Рассмотрим работу плоскостного транзистора типа р-п-р, включенного по схеме с общей базой, в ак­ тивном режиме. Такой транзистор содержит два параллельных р-п- р-перехода, расположенных друг от друга на расстоянии, меньшем диффузионной длины неосновных носителей в базе. Явления на по­ верхности транзистора не учитываются.

160

На рис. 2.45а приведена зонная диаграмма транзистора для слу­ чая равновесия. Уровень Ферми во всех трех областях находится на одной высоте. Все энергетические уровни в p-областях, в том числе

потолок валентной зоны WB и дно зоны проводимости Wnp, выше соответствующих уровней в «-области на величину qUK.

Как и при рассмотрении состояния равновесия в р-«-переходе (см. 2.9), можно заключить, что токи через оба перехода транзи­ стора в отсутствие внешних напряжений будут равны нулю, хотя

через каждый переход перемещаются носители заряда в обоих на­ правлениях. Токи, создаваемые этими перемещениями — диффузи­ онный и ток проводимости,— в каждом переходе равны, и поэтому взаимно компенсируются.

При приложении к транзистору нормальных для усилительного режима рабочих напряжений: прямого Пэе к эмиттерному переходу и обратного Uкб к коллекторному зонная диаграмма меняется (рис. 2.456). Прямое напряжение U3g снижает высоту энергетического барьера в эмиттерном переходе до величины q(HK—U33), толщина эмиттерного перехода сіэ уменьшается, границы зон проводимости и валентной в базовой области поднимаются на величину qU3б по сравнению с их положением в равновесном состоянии. Под действи­ ем приложенного обратного напряжения -UKо высота энергетического барьера в коллекторном переходе увеличивается до значения Ч('Ук+ UKG), толщина коллекторного перехода dK растет, границы зон проводимости и валентной в коллекторной области поднимаются на величину qUKG по сравнению с их положением в области базы.

В усилительном режиме в транзисторе типа р-п-р протекают сле­ дующие процессы:

— инжекция основных носителей области эмиттера — дырок — через эмиттерный переход в область базы, а электронов из базы —

вобласть эмиттера;

—диффузионное перемещение инжектированных в базу дырок, которые являются там неравновесными неосновными носителями, от эмиттерного перехода до коллекторного. Перемещение сопрово­ ждается процессом рекомбинации части дырок с основными носи­ телями в базе — электронами; при этом из внешней цепи в базу поступают электроны, которые поддерживают электрическую ней­ тральность во всем объеме базы, и возмещают в ней убыль электро­

нов вследствие их рекомбинации;

— экстракция дырок, подошедших к коллекторному переходу, под воздействием его ускоряющего поля в область коллектора.

Каждый из перечисленных процессов характеризуется соответст­ вующим параметром.

В транзисторе типа п-р-п механизм инжекции и диффузии носи­ телей сохраняется тот же, что и в транзисторе типа р-п-р, но рабо­ чий ток создается в этом транзисторе не дырками валентной зоны змиттерной области, а электронами зоны проводимости.

Прямой ток через эмиттерный переход. В транзисторах обычно концентрация примесей, а следовательно, и основных носителей в эмиттерной области значительно больше, чем в области базы. По­ этому в транзисторе типа р-п-р рр пп. Концентрация неосновных носителей определяется из условий: пр= п? /Др<СРп = я?/ппПолный

рде /Эр — дырочный ток; Іэп — электронный ток.

162

базе, служит коэффициент переноса (или иначе эффективность пе­ реноса), определяемый как отношение тока Ікр неосновных носите­ лей, подошедших к коллекторному переходу, к току Ізр неосновных носителей, инжектированных из эмиттера в базу (т. е. дырок в р-ц-р-транзисторе):

Токи /ар и /і;р пропорциональны градиентам концентрации соот­ ветственно при а' = 0 и * = оуг,. Если принять за начало координат границу между эмиттерным переходом и базой, то плотность ды­ рочного тока можно записать в виде

iP= - q D Р1 Е~.

неосновных носителей из базы по сравнению с их диффузионным удалением от перехода в полупроводниковом диоде. Это, в свою очередь, увеличивает ток через эммттерный переход. По мере того как дырки, инжектированные в базу, удаляются вглубь базы, на их место, из эмиттера поступают новые носители заряда, в резуль­ тате чргр концентрация дырок у эмиттерного перехода остается неизменной.

Из уравнения непрерывности (2.14) можно получить выражение

в случае транзистора, т. е.-в Lpfwf, раз больше по сравне-. нию с диодом.

164

Таким образом, считая, что при х = 0, р = ри а при x — Wß, р = О,

МОЖНО ПОЛуЧИТЬ ф о р м у л у, СВЯЗЫВаЮЩуЮ jp, р 1 II W(>.

dx WQ

Если положить, что плотность дырочного тока в базе jp посто­ янна, то dpldx неизменно в пределах базы и р меняется по линей­ ному закону от р\ у эмиттериого перехода до нуля у коллекторного перехода. -В самом деле, из-за рекомбинации дырок на пути их движения к коллекторному переходу ток [р не остается постоян­ ным, и кривая р несколько выгибается вниз, так что \dpjd.г| при х = 0 немного больше, чем при x = Wß. Отсюда

Чтобы получить большие значения ф, приближающиеся к еди­ нице, следует уменьшить вероятность рекомбинации неосновных носителей в базе, для чего нужно, во-первых, уменьшить толщину базы шр и, во-вторых, увеличить диффузионную длину дырок в базе Lpб Последнее достигается уменьшением концентрации до­ норных примесей, а следовательно, и электронов в базе. Если по­ ложить, например, Lpб = 250 мкм и Шб=25 »Тем, то ф=0,995.

Изложенное выше относится к работе транзистора на низких частотах. При переходе к высоким частотам, когда время прохож­ дения инжектированными носителями базы окажется сравнимым ■с периодом сигнала, приложенного между эмиттером и базой, про­ цесс перемещения дырок в базе резко изменится; особенности ра­ боты транзистора на высоких частотах будут рассмотрены в даль­ нейшем.

Умножение тока в коллекторном переходе. Неравновесные но­ сители заряда — дырки, подошедшие к коллекторному переходу, экстрагируются его ускоряющим электрическим полем в область коллектора. Можно считать, что все внешнее обратное коллектор­ ное напряжение (7KG прикладывается к переходу, и падением на­ пряжения в областях коллектора и базы можно пренебречь. При значениях С/Кб порядка 10 В в переходе создается сильное элект­ рическое поле напряженностью ІО4 dB/см. Одновременно происхо­ дит встречная экстракция неосновных носителей коллекторной об­ ласти — электронов под действием того же ускоряющего поля в область базы. Ток Ік0, создаваемый этими электронами, называет­ ся начальным током коллекторного перехода; он является вред­ ным, так как, увеличивая концентрацию электронов в области ба­

165

зы, усиливает в ней рекомбинацию дырок (уменьшает LPQ) к уменьшает коэффициент переноса ф. Величина тока / ь-о не зависит от эмиттерного тока Іар и им не управляется.

Экстракция неосновных носителей базы через коллекторный переход характеризуется коэффициентом умножения коллекторно­ го тока в переходе М = Ік/Ікр, где Ік — полный управляемый ток через коллекторный переход. В плоскостных транзисторах обычно­ го типа М = 1 Коэффициент умножения коллекторного тока оказы­ вается больше единицы в так называемых лавинных транзисторах, в которых умножение потока носителей внутри коллекторного пе­ рехода осуществляется в результате многократных столкновений носителей с атомами решетки. Другой способ умножения коллек­ торного тока (М > 1 состоит в использовании в транзисторе р-п- ловушки.

Токи в транзисторе

Коэффициент передачи тока для схемы включе­ ния с общей базой.

Интегральным коэффициентом передачи эмиттерного тока пазы

(электронов или дырок)., а стрелки во внешних цепях — направле

где laР—уІа, /эи = /э(1 у).

В эмиттерной области вдали от перехода, где инжектированныя электроны полностью рекомбинируют, ток принимает чисто дыроч­ ный характер, а во внешней цепи он будет создаваться электронами.

Ток через коллекторный переход / к состоит из:

— тока экстракции неравновесных дырок из базы в коллектор

— тока экстракции неосновных носителей области коллектора (электронов) через переход — начального тока коллекторного пере­ хода /к0 'При более точном рассмотрении ток / к0 должен был бы а>

166

держать и дырочную составляющую, созданную неосновными носи­ телями базы (дырками), но при Стб>аи этим током по сравнению с электронной составляющей можно пренебречь;

—возникающих при наличии лавинного умножения носителей

врезультате ударной ионизации в коллекторном переходе двух до­ полнительных токов: электронного, направленного электрическим полем в переходе в сторону базы, и дырочного, направленного в сто­

рону коллектора. По величине эти токи одинаковы и равны

h A M — 1).

Таким образом, результирующий ток в коллекторной области

исодержит следующие составляющие:

—ток инжекции электронов через эмиттерный переход /эп=

=/ э(і—Y);

—ток электронов, поступающих в базу из внешней цепи и вос­

полняющих потери электронов в базе из-за их рекомбинации с ин­ жектированными дырками

— начальный коллекторный ток /ко, направленный в цепи базы навстречу предыдущим трем составляющим.

Результирующий ток, протекающий в цепи базы транзистора типа р-п-р, чисто электронный и может быть определен как сумма составляющих базового тока:

Из полученной формулы следует, что ток базы может изменять свое направление. При малых значениях входного напряжения Д 5 ток / э(і1—а) меньше Іко, не зависящего от Дб, и направление тока /б будет противоположно указанному на рие. 2.45е. При используе­ мых на практике значениях Дб /э(1-—ссо) > / к-о-

В справочниках обычно приводится значение дифференциально­ го коэффициента передачи тока, который определяется как

167

Связь между а и eta легко установить, дифференцируя ур-ние (2.4)1):

(Z— ссэ -j- / э Д а э

Д1 7 ’

но практически в активном режиме и при малых уровнях инжек­ ции аэ меняется при изменении эмиттерного тока незначительно, т. е. аг^ОэПоэтому в дальнейшем будем пользоваться дифференциаль­ ным параметром а, называя его просто коэффициентом передачи тока в схеме с общей базой.

На рис. 2.47а представлены кривые распределения концентраций основных и неосновных носителей в транзисторе типа р-п-р для случая равновесия (штриховые) и при нормальных напряжениях на

ской нейтральности этого участка, нарушенной рекомбинацией дырок. В области базы концентрация дырок Рб(х) меняется по линейному закону, спадая до нуля у коллекторного перехода, который экстрагирует дырки. Для сохранения нейтральности, базы по аналогичной прямой изменяется концентрация элек­ тронов tiö(x), однако отклонение пъ(х) от прямой пп составляет не­ сколько процентов потому, что П5 (х)^>рв(х). В области коллек-' торного перехода спад концентрации электронов пк(х) до нуля

168

объясняется экстракцией электронов в область базы. Для сохра­ нения нейтральности коллектора также должна уменьшиться и концентрация дырок рк(х).

Используя диаграммы распределения неосновных носителей в транзисторе, можно приближенно определить величины токов эмит­ тера, коллектора и рекомбинационную составляющую тока базы.

том концентрации dpö(x3 ,,)/dx\a, т. е. /3«/jtgcp3, где k — коэффи­ циент пропорциональности. Количество дырок, подходящих к кол­ лекторному переходу, пропорционально градиенту их концентра­ ции у коллекторного перехода dpö(xKn)/dx, т. е. 7K«/etg(pK Ток базы пропорционален избыточному заряду в базе, так как чем больше в ней неравновесных носителей, тем больше возможностей для их рекомбинации. Избыточный заряд в базе пропорционален площади под кривой ро(х), если за ось взять кривую рп и пло­ щадь, лежащую ниже кривой рв(х), принять отрицательной. Та­ ким образом, можно считать /б~<2изб- В ряде случаев процессы в транзисторе удобнее рассматривать путем анализа заряда, на­ копленного в базе транзистора при его работе.

Коэффициент передачи тока для схем включения с общим эмиттером и с общим коллектором. Как было выяснено выше, па­ раметр а = Д/кМ/э является коэффициентом передачи тока для схемы включения триода с общей базой. Для схемы с общим эмит­

Обычно величина ß и Кік составляют несколько десятков, а ино­ гда превышают и сотню, и только в мощных транзисторах могут быть порядка нескольких единиц.

Другие формулы для пересчета коэффициентов передачи тока

Особенности мощных транзисторов

Транзистор считается мощным, если мощность, выде­ ляемая в его коллекторном переходе, равна или превышает 1,5 Вт. Предельно допустимая мощность транзистора определяется пре­

169