§1.8. Биполярные транзисторы с инжекционным питанием

Биполярные транзисторы с инжекционным питанием сравнитель­но новый класс полупроводниковых приборов, появившихся в резуль­тате развития интегральной технологии. На их основе выполняются экономичные логические элементы, запоминающие устройства, анало­го-цифровые преобразователи и т. д. Компоненты, выполненные на основе биполярных транзисторов с инжекционным питанием, имеют высокую степень интеграции, потребляют малую мощность, нормально функционируют при изменениях в широких пределах напряжения пи­тания и потребляемой мощности, хорошо согласуются с существую­щими устройствами, построенными на биполярных транзисторах.

Отличительной особенностью биполярных транзисторов с инжек­ционным питанием является наличие дополнительной области с элек­тропроводностью того же типа, что и у базы транзистора, и, следова­тельно, дополнительного р-п-перехода. Дополнительная область носит название инжектора. Таким образом, транзистор с инжекционным питанием представляет собой четырехслойную структуру РгПгРгПг (рис. 1.33, а), в которой можно выделить два транзистора п^р^-п^ и Pi-Пх-рг-типов, соединенных между собой так, как показано на рис. 1.33, б. Дополнительный р-п-переход между областями р_х и п^ называют инжекторным.

Предположим, что коллектор и база транзистора разомкнуты, а к инжекторному р-п-переходу подключено напряжение Е, смещающее его в прямом направлении (рис. 1.33, в). Тогда из области инжектора в область эмиттера инжектируются дырки, а из эмиттера в инжектор — электроны.

Для упрощения будем считать, что вследствие различных удель­ных проводимостей областей инжекция имеет односторонний характер, и будем учитывать только дырки, инжектированные в эмиттер. В эмит­терной области у инжекторного р-п-перехода возникнет избыточная концентрация дырок, которые в соответствии с принципом электро­нейтральности в течение (3 4-5) т₈ компенсируются электронами, по­ступающими в цепь эмиттера от внешнего источника. Вследствие диф­фузии носители заряда движутся от инжекторного р-п-перехода в глубь эмиттера.

Достигнув эмиттерного р-п-перехода, дырки захватываются его полем и переходят в область базы, частично компенсируя заряд отри­цательно заряженных ионов акцепторной примеси. Часть электронов, пришедших вместе с дырками, компенсирует заряды положительно за­ряженных ионов донорной примеси. Это приводит к снижению потен­циального барьера эмиттерного р-п-перехода и уменьшению его шири­ны, т. е. последний смещается в прямом направлении.

В результате смещения эмиттерного р-п-перехода оставшаяся часть электронов, пришедших с дырками, перемещается в область базы, что экивалентно их инжекции из области эмиттера. Дырки в базе, не ре­комбинировавшие с ионами, обеспечивают ее электронейтральность. Эти носители заряда диффундируют в глубь базы к коллекторному р-п-переходу и, достигнув последнего, аналогичным образом сме

-

щают его в прямом направлении. Таким образом, и эмиттерный и кол­лекторный переходы транзистора типа п-р-п смещены в прямом на­правлении, что, как известно из теории транзисторов, характеризует режшм насыщения транзистора Т_ъ В режиме насыщения сопротивление транзистора и падение напряжения на нем малы и его можно рассма­тривать как замкнутый ключ.

а) 6) ^И Mf

Рис. 1.33. Планарный биполярный транзистор с инжекцион­ным питанием:

а —структура; б — двухтранзисторная модель; в — подключение на­пряжений; г — условное обозначение транзисторов с инжектором л-типа; д — условное обозначение транзистора с инжектором р-типа;

е — эквивалентная схема

Если теперь базу (р₂) соединить с помощью ключа П с эмиттером, то дырки, достигшие эмиттерного р-п-перехода, переходят в базу и компенсируются электронами из внешней цепи, которые, дойдя вместе с дырками до эмиттерного р-п-перехода, устремляются к выводу эмит­тера, попадая по внешней цепи в область базы. Следовательно, в этом случае потенциальный барьер эмиттерного перехода остается неизмен­ным и инжекция электронов в цепь базы через эмиттерный р-п-пере- ход отсутствует. В цепи базы будет протекать ток, вызванный элек» тронами, расходуемыми на рекомбинацию дырок:

/ь » а_2/у/и>

Рис. 1.34. Идеализированная модель транзистора с инжекционным пита­нием (а); его выходные характери­стики (б); эквивалентная схема со­единения четырех транзисторов (в)

где a₂v - коэффициент передачи эмиттерного (инжекторного) тока транзистора 7%.

Таким образом, инжектор, эмиттер, база образуют транзистор, работающий на границе активного режима и режима отсечки.

Коллекторный р-п-переход остается смещенным в обратном направ­лении, и сопротивление транзистора Т_х велико. Напряжение Г/кэ

зависит от сопротивления, подклю­ченного к коллектору, что соот­ветствует разомкнутому положе­нию ключа.

Итак, в расематриваемых режи­мах биполярный транзистор с ин­жекционным питанием является ключом, который находится в зам­кнутом состоянии при разорванной цепи базы и в разомкнутом, если последняя соединена с эмиттером. Это позволяет представить его на эквивалентной схеме обычным би­полярным транзистором, между эмиттером и базой которого вклю­чен источник тока /г (рис. 1.33, е). Если вывод базы замкнут с эмит­тером, то в этой цепи протекает ток /г = /в = а₂л//и.

Когда база разомкнута, ток кол­лектора определяется источником тока /г, и если на коллектор отно­сительно эмиттера подано напря­жение | £/_Кэ I > Фг, то в его цепи в первом приближении потечет ток

/к ^ а₂у/и.

Условные обозначения инжекционных транзисторов типов п^-р^Пг р₂ и ргп_гр₂-п₂ приведены на рис. 1.33,2,5.

Учитывая наличие дополнительного р-п-перехода, можно построить идеализированную эквивалентную схему биполярного транзистора с инжекционным питанием (рис. 1.34, а).

Нормальные и инверсные коэффициенты передачи транзисторов Tj и Т₂ в ней обозначены а^ и а₇. Однако вывод аналитических урав­нений транзистора с помощью этой эквивалентной схемы затруднен и требует привлечения средств вычислительной техники.

В применяемых на практике устройствах у одного транзистора обычно имеется несколько коллекторных областей (многоколлектор­ный транзистор), что дополнительно осложняет анализ и расчеты. В ряде конструкций и инжектор является общим для группы транзи­сторов.

3 Зак. 981 65Выходные характеристики транзистора с инжекционным питанием показаны на рис. 1.34, б. Если цепь базы разомкнута (7$ = 0), тран­зистор находится в режиме насыщения, т. е. его сопротивление и па­дение напряжения С^кэ на нем малы. Если приложить дополнитель­ное напряжение, которое суммируется с С^кэ» то ток транзистора воз­растает до /кнас- После достижения /кнас увеличение напряжения не вызывает существенного изменения тока, так как все инжектирован­ные носители заряда участвуют в создании тока коллектора. При зам­кнутой цепи базы коллекторный р-п-переход транзистора смещен в обратном направлении и в его цепи протекает только обратный ток /кбо» который мало зависит от приложенного напряжения.

Для иллюстрации возможности использования биполярных тран­зисторов с инжекционным питанием рассмотрим эквивалентную схему четырех соединенных между собой двух коллекторных транзисторов (рис. 1.34, в). Когда база транзистора 7\ разомкнута, он находится в состоянии насыщения и в его коллекторной цепи течет ток

/кх — UznI и, определяемый инжекцией и коэффициентом передачи а_2?/ транзисто- Р^а ^^2< ‘

Если /к1<^Кнас, то падение напряжения на транзисторе мало и сн эквивалентен замкнутому ключу. Транзистор Т₂, наоборот, закрыт, так как цепь его базы через 7\ замкнута на эмиттер (точнее, он находится на границе отсечки и активной области). В цепи его кол­лектора протекает обратный ток /кбо₂. Поскольку этот ток невелик, то база транзистора Т₃ разомкнута, транзистор Т₃ находится в насы­щенном состоянии; транзистор Т₄ заперт.

Когда базу транзистора 7\ замыкают на эмиттер, т. е. подают такой потенциал, чтобы t/вэ ~ 0-, состояния всех транзисторов изменяют­ся на противоположные. Таким образом, используя транзисторы с нн- жекционным’питанием, можно строить различные логические элементы/

Для нормального функционирования схем на основе этих тран­зисторов, как ясно из сказанного, необходимо обеспечить прямое сме­щение инжекторного р-п-перехода. Для этого достаточно иметь источ­ник питания (/ = 1,5 В с включенным последовательно резистором.

Схемы на транзисторах с инжекционным питанием нормально функ­ционируют при изменениях питающих токов в широких пределах. С увеличением тока их быстродействие увеличивается, но при этом воз­растает потребляемая мощность.