книги из ГПНТБ / Маркова В.Н. Малютки ПТ

Распределение объемного заряда

Область, занятая объемным зарядом, на­ зывается собственной шириной перехода, или шириной перехода при нулевом внешнем сме­ щении. Внешнее обратное напряжение увели­ чивает заряд на переходе, расширяя область объемного заряда в обе стороны.

При одном и том же напряжении ширина области, занятой объемным зарядом, может быть различной. В области с высокой концен­ трацией примеси нужное количество ионов может образоваться на более узком участке, чем в области с редко размещенными атома­ ми примеси. В диффузионном р-п-р транзисто­ ре (резкий переход) концентрация NA в р-слое на несколько порядков выше, чем ND в элек­ тронном базовом слое, поэтому объемный за­ ряд , в основном распространяется в базу. Удельное сопротивление базы также может изменяться в широких пределах, а именно: от значения для собственного полупроводника (у германия д= 47 ом • см, у кремния д = 2 3 х X ІО4 ом-см), когда ND практически равняется нулю, до нескольких десятых долей ома на сантиметр, если ND имеет высшие значения — ІО16 см~г для германия и 5• ІО15 для кремния.

В случае плавного перехода коллекторная область может иметь более высокое удельное сопротивление, чем базовая. Тогда объемный заряд больше распространится в коллектор. Разумеется, количество ионов в базе будет равно количеству ионов в коллекторе, только

вбазе они пространственно более сжаты. Когда рассматривают ширину перехода

21

как область, состоящую из неподвижного объемного заряда, или как участок, на кото­ ром падает внешнее напряжение, то имеют в виду суммарную ширину собственного пере­ хода при нулевом смещении и участки объем­ ного заряда, возникшие в результате внешнего электрического воздействия. Ширина'перехода зависит от того, плавно или резко меняется разность концентраций ЛД>—Na -

Если приближенно рассматривать переход как слой диэлектрика, для него характерно некоторое критическое значение напряжен­ ности ЕКр, при котором наступает пробой. При одном и том же напряжении в узком переходе напряженность выше, чем в широком, и бли­

же к £ Кр- У большинства триодов пробивное напря­

жение коллектора ППроб— 10—20 в, хотя у не­ которых ПТ ІЛіроб—60—100 в.

Согласно экспериментальным данным, бы­ ли выведены такие формулы для резкого пе­ рехода: в электронном германии Unvоб ~ ct;83,4 р0’61, в электронном кремнии ІІВроб= = 86 р0'64. Формулы описывают зависимость напряжения лавинного пробоя от р, если р > > 0,5 ом-см. Для обычного рабочего напряже­ ния коллектора (около 10 в) вовсе не обяза­ тельно высокое рб (в германиевых транзисторах Рб=Ш—0,3 ом-см). Высокое удельное сопро­ тивление в узкой базе может привести к пре­ ждевременному пробою — проколу за счет перекрытия объемным зарядом всей базовой области от коллектора до эмиттера. Для хо­ рошего усиления желательно иметь узкую базу, избегая перекрытия ее объемным заря­

22

дом при рабочем напряжении коллектора. Это противоречие легко разрешается только при создании плавного перехода, когда рк>рб (дрейфовый транзистор).

Распространение заряда в базе играет роль обратной связи между эмиттером и коллек­ тором, входом и вы­ ходом. В единичном переходе все дырки, инжектированные в «-слой, должны там рекомбинировать.

От перехода в глубь

обратно смещенный переход (коллектор), то дырки, диффундируя по кристаллу, достигают перехода и вливаются в ток проводимости. Таким образом, появляется второй механизм удаления дырок из базы. Градиент дырок у первого перехода (эмиттера) повышается, диффузия возрастает. Чем ближе второй пере­ ход к первому, т. е. чем больше объемный за­ ряд на коллекторе, тем существеннее влияние второго перехода на первый.

В схеме с общей базой обратная связь опи­

23

сывается статической характеристикой триода Ua= f ( I K) при различных токах / э. Пока ток эмиттера невелик, падение напряжения в объеме базы U0.б значительно меньше паде­ ния напряжения на переходах и влияние U0,б на эмнттерную и коллекторную цепи прене­ брежимо мало. В этом режиме, называемом низким уровнем инжекции, главную роль в обратной связи играет прохождение дырок на участке переменной толщины между эмиттерным и коллекторным переходами. Когда /э велико, напряжение в триоде перераспреде­ ляется. Напряжение на эмиттере падает в результате уменьшения сопротивления змиттерного перехода, а U0.б растет. При этом становится заметной обратная связь. Влияние коллектора на эмиттер можно проследить по входным характеристикам германиевых трио­ дов серии П416—П416Б (рис. 5).

Зависимость величины 'заряда в переходе (и ширины перехода) от напряжения подобна зависимости величины заряда плоского кон­ денсатора от напряжения на его обкладках.

Для резкого перехода зарядная емкость

24

Для плавного перехода

(ee0)3^G

где ф — контактная разность потенциалов;. G — градиент концентрации примесей.

Плавный переход шире резкого и меньше зависит от напряжения, поэтому его следует иметь там, где важна малая емкость, т. е. в высокочастотных приборах.

Основные требования, предъявляемые к ПТ при различных режимах работы

В схемах линейных усилителей и генерато­ ров транзисторы должны иметь высокий коэффициент усиления, линейность характери­ стики и, в зависимости от назначения схемы, высокие значения мощности рассеяния РМаш> и предельной частоты усиления /а. Для трио­ дов, работающих в импульсных схемах, харак­ терны высокие значения Яманс, fa и низкие значения сопротивления насыщения гнас.

В импульсном режиме триод может нахо­

коллектор прямо смещен относительно базы), когда падение напряжения на нем минималь­ но; 2) в закрытом, когда Ік имеет минималь­ ное значение.

Падение напряжения на триоде в открытом состоянии обусловлено внутренним сопротив­ лением, сопротивлением насыщения, которое определяется сопротивлениями открытых пе­

25

реходов и самого кристалла. Сопротивление насыщения, определяемое только объемом триода, можно представить в виде суммы:

:Гк + V +

Если количество неосновных носителей в базе превышает равновесие, сопротивление насы­ щения снижается. Величину гнас снижает так­ же термическая генерация (ток нагревает кри­ сталл).

З а в и с и м о с т ь п а р а м е т р о в ПТ от т е м п е р а т у р ы . П р е д е л ь н а я м о щ ­ н о с т ь р а с с е я н и я . Существование р-п перехода и, стало быть, работа транзистора возможны до тех пор, пока по обе стороны перехода находятся слои с определенным ти­ пом проводимости, т. е. пока пп^>рп и рР^>пр. С повышением температуры вероятность непо­ средственного перехода Электронов из валент­ ной зоны в зону проводимости возрастает. Об­ разуются пары электрон — дырка, увеличи­ вающие концентрацию неосновных носителей. В конце концов по обе стороны перехода образуются слои с одинаковым характером проводимости и переход перестает существо­ вать.

Естественно, что чем выше концентрация примесей, тем выше температура, при которой можно сравнивать концентрацию неосновных и основных носителей. Поэтому для производ­ ства высокотемпературных триодов служат полупроводники с низким удельным сопротив­ лением. Для примера рассмотрим два полу­ проводника германия p-типа с рі=0,3 и рг=

26

= 10 ом-см. Концентрация дырок в них при комнатной температуре будет соответственно рѴі = Ю16 и Рр2 = 3-1014 см~ъ. Чтобы кон­ центрации основных и неосновных носителей в этих полупроводниках были сравнимы по вели­ чине, температура одно­ го полупроводника долж­ на быть 530, а другого — 380° К- Эта температура рассчитывается по фор­ муле

пр = п%

не запрещенной зоны АЕ. У кремния ширина этой зоны больше, чем у германия; кремние­ вые триоды имеют более высокие рабочие температуры.

Параметры триода зависят от концентра­ ции носителей и, следовательно, от темпера­ туры. В результате изменения параметров транзистора работа его ухудшается при тем­ пературах гораздо более низких, чем те, при которых перестает существовать переход. Для стабильной работы ПТ весьма существенное значение имеет зависимость обратного тока коллектора (рис. 6) от температуры.

Прохождение тока через переход сопрово­

27.

ждается выделением тепла на сопротивлении перехода. Нагрев полупроводника вызывает появление добавочных носителей тока, в связи с чем повышается температура перехода. Если во внешней цепи нет ограничивающего сопро­ тивления, при возрастании тока может прои­ зойти необратимый пробой, который нарушит структуру перехода. Сопротивление запертого перехода весьма велико. В схеме с общим эмиттером через открытый коллектор прохо­ дит ток, в десятки раз превышающий величину входного тока базы. Поэтому рассеяние мощ­ ности на коллекторе играет решающую роль в общем балансе рассеиваемой на триоде мощ­ ности.

Зависимость коэффициента а от 'темпера­ туры довольно сложная. Увеличение скорости диффузии обусловливает рост коэффициента а, а снижение эффективности эмиттера за счет роста ' проводимости базы снижает зна­ чение ос. Если проводимость в базе и эмит­ тере изменяется одинаково, например в выра­ щенной структуре, где NA^ N D^ значение а в некоторых пределах зависит только от теп­ ловой скорости диффузии носителей в базе D§.

Влияние температуры на коэффициент В значительно сильнее, чем на коэффициент а. Это объясняется характером соотношения ко­ эффициентов В и а.

С максимальной температурой, при кото­ рой может работать, т. е. усиливать сигнал ПТ, связана и максимальная мощность рас­ сеяния Рмакс. Чем массивней корпус, тем больше его поверхность и меньше перегрева­ ется ПТ, Однако при повышении температуры

28

среды теплоотдача ухудшается. Если предста­ вить перепад температуры как перепад напря­ жения, а поток мощности как ток (рис. 7), за­ висимость этих величин будет:

T „ - T K= P R Tt;

Тк — Тс = PRT;,

Tn- T c ^ P ( R Tl + RT2),

где RT — тепловое сопротивление,, град/вт-,

Р— мощность, вт.

Вэтих уравнениях допустимая температу­ ра перехода (коллектора) связана с допусти­ мой мощностью рассеяния таким соотноше­ нием:

Триоды серии П201 — П203, имеющие кор­ пус с радиатором, работая в качестве усили­ телей мощности звуковой частоты или пре­ образователей тока, рассеивают мощность до

10 вт, а серии П207—П208А— до 100 вт.

В ы с о к о ч а с т о т н ы е с в о й с т в а п л о с к о с т н ы х т р а н з и с т о р о в . В гене­ рирующих, усилительных и импульсных схе­ мах высокочастотные свойства ПТ опреде­ ляются в основном четырьмя факторами: пре­ дельной частотой усиления по току, усилением по току и по мощности, предельной мощ­ ностью рассеяния. Эти величины неразрывно связаны друг с другом и ни одна из них не может быть выбрана произвольно.

29

Предельной частотой усиления по току fa называется частота, при которой коэффициент

на рис. 8, предельную частоту fa и усиление по мощности К можно рассчитать по фор­ мулам

30