Артёмов К.С. Твердотельная электроника

5.6. Емкости транзистора

5.6.1. Диффузионные емкости

Изменения эмиттерного и коллекторного напряжений вызывают изменение заряда диффундирующих по базе носителей. А из электричества известно, что изменение заряда при изменении напряжения – это емкость. В транзисторе различают две диффузионных емкости – коллекторного и эмиттерного переходов. Однако эти емкости на практике не используются. Емкость эмиттерного перехода из-за того, что учитывают зависимость коэффициента переноса от частоты, а диффузионную емкость коллекторного перехода из-за ее малости.

5.6.2. Барьерные емкости

В транзисторе p-n-переходы рассматриваются как плоские конденсаторы. Так как ширина перехода зависит от напряжения, то емкости транзистора тоже зависят от напряжения. При прямом смещении перехода емкость уменьшается (эмиттерный переход), при обратном увеличивается (коллекторный переход).

Емкость эмиттерного перехода вместе с дифференциальным

коэффициента инжекции на частотные свойства коэффициента передачи транзистора пренебрежимо мало по сравнению с влиянием коэффициента переноса. Поэтому емкость эмиттерного перехода на практике не учитывается.

Емкость коллекторного перехода с учетом смещения перехода определяется известной из теории диодов формулой:

частотные и переходные свойства транзистора.

5.7. Обратный ток коллекторного перехода

Обратный ток коллектора транзистора, включенного по схеме с общей базой, рассматривается как ток обратносмещенного реального диода со

45

всеми его составляющими. Напомним, что температура удвоения составляет приблизительно 10 °С как для германиевых, так и для кремниевых приборов.

5.8. Вольт-амперные характеристики транзистора

Подводя итог, мы можем скорректировать входные и выходные ВАХ. Кривые эмиттерных характеристик (рис. 5.8) образуют плотный пучок (малая величина эк ). Зависимость коэффициента обратной связи от напряжения на

коллекторе приводит к тому, что с ростом U к плотность семейства растет. В целом эффект Эрли смещает кривые относительно начальной U к 0 влево и

вверх. С ростом температуры семейство смещается влево, а с уменьшением – вправо. У кремниевых транзисторов все семейство сдвинуто вправо на

0,3...0,4 В.

Выходные характеристики показаны на рис. 5.9. С ростом температуры все семейство смещается вверх на величину роста обратного тока коллектораIк0 . Напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода – U M . PКдоп –

допустимая мощность рассеяния на коллекторе транзистора. Если мощность на коллекторе превышает допустимую, то начинается тепловой пробой коллекторного перехода (см. тему "Пробой p-n-перехода").

Отличием от идеальных ВАХ является изменение наклона кривых изза конечного значения и зависимости rк от режима: с ростом U к

сопротивление падает (угол наклона кривых растет). Таким образом ток коллектора зависит от rк . Мы можем уточнить выражение тока коллектора:

I к I э I к0 U к , rк

где U к / rк – собственный ток коллектора. Последний член выражения для

тока учитывается только при работе на переменном токе. При приближенных расчетах обратным током коллектора, как и собственным током коллектора, можно пренебречь. При приближении коллекторного напряжения к U M

наблюдается лавинный пробой.

Зависимость 0 от тока эмиттера выражена в том, что при одинаковом приращении тока эмиттера расстояние между кривыми уменьшается.

ЛЕКЦИЯ 6. СХЕМА С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

6.1. Общая характеристика

46

Транзистор имеет три вывода – эмиттер, базу и коллектор. Если он включается в схему как четырехполюсник, то для получения усиления база должна быть одним из входных электродов, а коллектор – одним из выходных. На основании этого транзистор может быть включен тремя способами – с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).

Рассмотрим схему ОЭ. На рис. 6.1а показано подключение к транзистору источников смещения, а на рис. 6.1б – условное обозначение, токи и напряжения между электродами транзистора. Воспользуемся

коллекторного перехода транзистора, включенного по схеме с общим

Из полученных формул следует, что 1. Обратный ток коллектора в схеме ОЭ значительно больше обратного тока коллектора в схеме ОБ, rк* rк .

47

Вернемся к выражению тока коллектора в схеме ОЭ. Обычно вкладом собственного тока коллектора U К / rк* можно пренебречь. Тогда

– интегральный коэффициент передачи тока базы в коллекторную

цепь. Дифференциальный коэффициент передачи можно найти, если взять приращения токов:

Обратный ток коллектора не зависит от тока базы. В режиме усиления малого сигнала, когда входной ток меняется слабо, зависимостью от тока

режима и температуры. Следует только отметить, что так как малые изменения влекут за собой большие изменения 1 / 1 , то есть , то

зависимость последнего от режима и температуры выражена значительно сильнее, чем зависимость коэффициента передачи . Схема ОЭ требует более эффективной, тщательной стабилизации температуры и режимаI Б ;U КЭ , чем схема ОБ.

Эквивалентная схема транзистора с ОЭ показана на рис. 6.2. Мы видим, что эмиттерная и базовая цепи поменялись местами, а коллекторная цепь построена в соответствии с выражением тока коллектора схемы ОЭ.

Семейство входных характеристик показано на рис. 6.3 для транзистора p-n-p. Кривые базового семейства по сравнению с эмиттерным (ОБ) имеют другой масштаб (меньшие токи) и сдвинуты вниз на величину обратного тока. Параметром является U КЭ . Его влияние обусловлено

наличием обратной связи по напряжению, характеризуемой количественно коэффициентом эк . С другой стороны, часть напряжения коллектора падает

на эмиттерном переходе. Оба влияния направлены навстречу, то есть имеют противоположное действие. Но главную роль играет падение напряжения на эмиттерном переходе. Поэтому с ростом U КЭ кривые смещаются в сторону

больших входных напряжений и необходимо приложить большее входное U Б , чтобы получить одинаковый входной ток.

48

Семейство выходных характеристик транзистора в схеме ОЭ показано на рис. 6.4. Основные отличия от схемы ОБ следующие.

1. Все семейство расположено в одном квадранте и получено сдвигом

(зависимость rк* от тока и напряжения).

3.Обратный ток коллектора течет через весь транзистор, и поэтому он называется сквозным обратным током. I K* 0 I К 0 .

4.I Б может быть меньше ноля, но не более I К 0 . Так, для p-n-p-

транзистора положительный ток базы – вытекающий из нее, а отрицательный

– втекающий.

5. В области пробоя есть специфические особенности. В схеме ОБ в области пробоя коэффициент передачи тока эмиттера равен М M .

Тогда в области пробоя коэффициент передачи тока базы M /(1 M ) .

U U M . Этот факт отражен в справочниках по транзисторам. Например,

допустимое напряжение коллектор-эмиттер обычно существенно меньше допустимого напряжения коллектор-база.

6. Схема ОЭ имеет еще один пробой, которого нет у схемы ОБ – прокол или смыкание базы. Мы знаем, что увеличение U K ведет к

удельного сопротивления базы и может быть меньше напряжения лавинного или полевого пробоя. Прокол по своему проявлению аналогичен лавинному пробою. Как и полевые пробои, прокол является обратимым пробоем, если он не приводит к тепловому пробою. В интегральной схемотехнике это явление используется для получения стабилитронов. Выводы эмиттера и базы закорачивают и получают диод К-БЭ, который в режиме смыкания базы имеет напряжение пробоя от трех до пяти Вольт.

49

( ) 0 / 2 . Аргумент j – фазо-частотная характеристика , или ФЧХ.

6.2.3. Предельная частота коэффициента передачи

Из формулы модуля коэффициента передачи тока базы следует, что

при единицей под знаком радикала можно пренебречь, и тогда0 / . Говорить об усилительных свойствах транзистора в схеме ОЭ имеет смысл до тех пор, пока модуль больше единицы. Частота, на которой 1, называется предельной частотой коэффициента передачи –

T :

6.2.4. Постоянная времени коллектора

По эквивалентной схеме транзистора для высоких частот параллельно дифференциальному сопротивлению коллекторного перехода включается емкость коллекторного перехода CK . Постоянная времени коллекторного

перехода равна:

Таким образом, схемы включения ОБ и ОЭ имеют одинаковые постоянные времени коллекторного перехода. С учетом зависимости коэффициента передачи тока базы от частоты получим постоянную времени коллектора

транзистора в схеме ОЭ: KT K *.

6.2.5. Максимальная частота генерации

Максимальная частота генерации – это наибольшая частота, при которой транзистор может работать в схеме автогенератора:

51

где rб CK – постоянная времени цепи, связывающей выход транзистора

(коллектор) и его вход (базу) - постоянная времени цепи обратной связи транзистора, CK – емкость коллекторного перехода в схеме ОБ.

Из формулы постоянной времени цепи обратной связи, которая указывается в справочниках по транзисторам, можно определить сопротивление базы транзистора. CK также дается в справочниках.

Коротко о схеме включения транзистора с общим коллектором ОК. Коэффициент передачи тока базы на единицу больше, чем в схеме ОЭ. В схеме ОК выходной ток – ток эмиттера, а входной – ток базы. Известна связь между ними: I Э I K I Б 0 I Б I Б 1 0 I Б . Отсюда следует, что в схеме ОК коэффициент передачи тока базы в цепь эмиттера равен 1 0 .

Семейство входных характеристик аналогично семейству ВАХ схемы ОЭ, но сдвинуто вправо на величину U КБ . Семейство выходных характеристик

схемы ОК отличается от аналогичного семейства схемы ОЭ тем, что выходной ток в схеме ОК не I K , а I Э . Остальные параметры такие же, как в

схеме ОЭ.

6.3. Дрейфовые транзисторы

Транзисторы, которые изготовляются по планарной технологии путем диффузии примеси, имеют иной механизм переноса зарядов в базе. Известно, что при диффузии концентрация примеси спадает по глубине. В базовом слое концентрация примеси у эмиттера больше, чем концентрация у коллектора. При комнатной температуре вся примесь ионизована. Следовательно, около эмиттера создается нескомпенсированный заряд ионов. Свободные носители заряда, образующиеся при ионизации примеси, диффундируют в сторону меньших концентраций и скапливаются у коллекторного перехода. В базе образуется встроенное поле. В транзисторе n-p-n заряд ионов положительный. При прямом смещении эмиттерного перехода происходит инжекция электронов в базу. Далее они не диффундируют по базе, а подхватываются полем базы, то есть дрейфуют в поле базы и уносятся в коллектор. Таким образом, поле базы является тянущим для неосновных носителей заряда.

Влияние поля базы количественно характеризуется коэффициентом поля . В результате изменится коэффициент передачи тока эмиттера:

Для кремниевых транзисторов коэффициент поля равен 12, для германиевых 8.

52

Из-за того, что при изготовлении транзисторов диффузию приходится проводить дважды – для получения сначала коллекторного перехода, а потом эмиттерного с разницей концентраций в слоях в два порядка, а также с целью достижения больших значений коэффициента инжекции, в эмиттерную область загоняется предельно растворимое количество примеси. В результате получается очень тонкий эмиттерный переход и высокоомный слой коллектора. Следствием этого являются некоторые особенности дрейфовых транзисторов.

Во-первых, получается малое значение рабочего напряжения эмиттербаза. Из-за этого недопустимо инверсное включение транзистора, которое приводит к полевому, а затем, практически мгновенно, к тепловому пробою.

Во-вторых, в эквивалентных схемах необходимо учитывать объемное сопротивление слоя коллектора, которое на высоких частотах становится комплексным.

В-третьих уменьшается эффект Эрли. Если посмотреть на входные характеристики транзистора, то кривые семейства образуют более плотный пучок, чем диффузионные транзисторы, то есть, меньше коэффициент обратной связи по напряжению.

В-четвертых, из-за тянущего поля уменьшается число носителей, рекомбинирующих в базе. То есть уменьшается рекомбинационный ток базы и увеличивается коэффициент передачи тока эмиттера и т. о. .

В-пятых, так как носители быстрее пролетают базу, улучшаются частотные свойства транзистора.

В-шестых, из-за хорошей контролируемости процесса диффузии примесей (температура, время), можно получить транзисторы со сверхтонкой базой, а, следовательно, со сверхбольшими значениями и , или так

называемые супербета-транзисторы.

В-седьмых, из-за большого сопротивления слоя коллектора практически исключен прокол базы.

В настоящее время существует множество других технологий получения p-n-переходов, дающих как равномерное, так и неравномерное распределение примесей в базе и, таким образом, диффузионный или дрейфовый механизмы переноса зарядов. Технологию изготовления переходов иногда указывают в справочниках по транзисторам.

ЛЕКЦИЯ 7. ТРАНЗИСТОР КАК АКТИВНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК

Понятие ”активный" четырехполюсник означает, что он имеет коэффициент передачи по мощности больше единицы. "Линейный" – означает линейную связь, например, выходного и входного напряжений. Транзистор обладает усилением по мощности, однако в целом он является

53

нелинейным элементом. Для получения на основе транзистора активного линейного четырехполюсника необходимо обеспечить его работу на линейных участках входных и выходных вольт-амперных характеристик, то есть задать рабочую точку. Далее берут приращения токов I и напряженийU на входе и на выходе транзистора. Приращения должны быть небольшими, чтобы параметры активного элемента не зависели от входного сигнала. Такой режим называют режимом малого сигнала. Экспериментально параметры четырехполюсника определяют в окрестностях рабочей точки в режиме малого гармонического сигнала, то есть берут комплексные

схема активного четырехполюсника в системе z-параметров показана на рис. 7.2. Генератор z12 I 2 – зависимый генератор напряжения обратной связи. Он действует во входной цепи, а зависит от тока выходной цепи. Генератор z21I1 – зависимый генератор напряжения прямой передачи. Его эдс зависит от входного тока.

7.2. Система y-параметров

54