Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009

+

е1

е

а)

ен sin (root)

бательном контуре, суммируется с напряжением И0 , и в кристал­

ле создается переменное электрическое поле {52 = {51 + Бт sin ro0 t.

Всоответствии с мгновенным значением рабочая точка переме­ щается по характеристике между точками Ь и с. Из рис. 3.22, б

видно, что в течение некоторого интервала времени Лt напря­

женность поля {52 может быть меньше критического значения Бкр·

Вэти интервалы времени домен высокого поля, если он сформи­

ровался, может разрушиться, не достигнув анода. Если же к на­ чалу периода формирование нового домена еще не наступило, то

его образование начнется лишь по истечении периода Лt, т. е. с некоторой задержкой по отношению к моменту исчезновения прежнего домена. И, наконец, к началу периода процесс форми­

рования нового домена может оказаться незавершенным: в этом

случае в кристалле формируется не домен высокого поля в виде

двойного слоя электрических зарядов разных знаков, а область более плотного отрицательного объемного заряда, который и

перемещается по кристаллу по направлению .к аноду.

В любом из этих случаев колебания в контуре не прекраща­

ются; может измениться лишь частота колебаний или их фор­ ма. Первый случай называют режимом с подавлением домена, вто­ рой случай - режимом с задержкой домена, а третий - режимом ограничения накопления объемного заряда (ОНО3). Таким обра­

зом, помимо пролетного режима, рассмотренного нами ранее,

генератор на диоде Ганна может работать и в других режимах. Наступление того или иного режима зависит от скорости фор­

мирования или рассасывания домена, скорости его перемеще-

5. Варикапы: ВФХ, динамический диапазон, эквивалентные

схемы, параметры.

10.Параметры и характеристики физических процессов в про­ летном режиме и режиме с захваченной плазмой.

11.Диоды Ганна: объяснить БАХ и физические процессы при

доменной неустойчивости.

12.Охарактеризуйте режим работы диодов Ганна.

13.Каковы основные принципы технологии полупроводнико­

вых диодов?

14.Импульсные и переходные процессы в диодах на основе р­

п-nереходов.

Глава 4

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

4.1. Общие вопросы. Устройство, режимы работы транзисторов

Биполярный транзистор - это электропреобразовательный по­ лупроводниковый прибор с одним или несколькими электриче­ скими переходами, имеющий три или более выводов. Термин

«биполярный» в названии этих транзисторов отражает тот

факт, что процессы в них определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). В основе работы би­

полярных транзисторов лежит инжекция через р-п-переход

неосновных носителей, заряд которых компенсируется основ­

ными носителями.

4.2.Физические процессы

внормальном активном режиме.

Коэффициенты передачи тока

В активном режиме, который является наиболее распростра­ ненным, особенно для усилительных схем, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном.

Рассмотрим транзистор р-п-р-типа. (Хотя на практике чаще используют п-р-п-транзисторы, дальнейшее рассмотрение бу­

дем проводить на основе р-п-р-транзисторов, так как для них

направление движения дырок совпадает с направлением тока,

что облегчает понимание.) В этом случае дырки, инжектирован­ ные из эмиттера в базу, движутся к коллекторному переходу. Ин­ жекцией электронов из базы в эмиттер можно пренебречь, по­ скольку концентрация примесей в эми'l·терной области, как пра­ вило, много больше, чем в базовой. Движение инжектированных носителей через базу обусловлено как диффузией, так и дрейфом носителей. Диффузия вызвана повышением концентрации носи­ телей из-за их инжекции в базу около эмиттерного перехода. В об­ ласти, примыкающей к коллекторному переходу, под действием обратного напряжения происходит экстракция дырок. Дрейфовое движение вызвано внутренним электрическим полем в базе, воз­ никающим из-за неравномерного распределения в ней примеси. Такие транзисторы с неоднородно легированной базой, в которой дрейфовое движение играет значительную роль, называют дрей­

фовыми.

Возникновение внутреннего поля можно проиллюстрировать схемой на рис. 4.4, где представлено распределение доноров в

п-базе, аналогичное показанному на рис. 4.3, б. Неравномерное распределение примеси в базе, а следовательно, и основных но­

сителей, поскольку при комнатной температуре вся примесь

ионизована, вызывает диффузию электронов в направлении

реннее поле Бвнутр• которое будет ускоряющим для инжекти­

рованных из эмиттера дырок. Инжектированные дырки, прой­ дя область базы, будут втягиваться в коллектор ускоряющим электрическим полем. Часть инжектированных дырок при их

движении к коллектору будет рекомбинировать в области базы,

образуя базовый ток. Число рекомбинировавших носителей не­ велико, поскольку толщина базы мала по сравнению с диффу­ зионной длиной дырок. В результате токи эмиттераlэ и коллек­ тора I к различаются незначительно и их разность равна току ба­

зы Iв, т. е. Iв = Iэ -Iк· Коллекторный ток очень слабо зависит от

напряжения на коллекторном переходе, поскольку при любом обратном напряжении все дырки, дошедшие до коллекторного перехода, ускоряются его полем и уносятся в коллектор. На­

правление токов можно проследить по схеме на рис. 4.2.

Слабое влияние коллекторного напряжения на коллектор­

ный ток приводит к тому, что дифференциальное сопротивле­

ние коллекторного перехода rк = dИкв/diк очень велико, что ха-. рактерно для р-п-перехода, смещенного в обратном направле­ нии. В такой ситуации в коллекторную цепь можно включить

достаточно большой нагрузочный резистор Rн практически без

изменения коллекторного тока. Если входной ток эмиттера уве­

личивается на величину ЛJэ• то приращение коллекторного то­

ка Лiк будет приблизительно тем же самым, т. е. Лiэ ""' Лiк.

Увеличение входной мощности ЛРвх' потребляемой в эмиттер­

ной цепи, определяется величиной ЛJ3 и дифференциальным со­

противлением эмиттерного перехода rэ = dИэв/diэ, которое для. прямосмещенного перехода очень мал6 по сравнению с сопро­ тивлением обратносмещенного коллекторного перехода rк, т. е. rк » r3 • В результате значение приращения входной мощности

ЛРвх = ЛJ3 ЛИ3в = ЛJ~ rэ будет много меньше выделяемого на

нагрузке Rн изменения выходной мощности ЛРвых = ЛJк ЛИкв =

= ЛIRRн, поскольку обычно Rн » rэ· Таким образом, схема уси­

ливает с коэффициентом усиления К = ЛРвыхlЛРвх = Rн/r3 > 1.

В активном режиме ток эмиттера Iэ для р-п-р-транзистора

состоит из токов инжекции дырок в базу Iэр и электронов из ба­ зы в эмиттер I э п• а также тока рекомбинации в переходе I э рек' т. е. 13 = I 3 P + Iэп + Iэрек· Из всех составляющих ток инжекции

дырок I эР из эмиттера в базу определяет выходной коллектор­

ный ток, и, следовательно, является полезным. Остальные две ~оставляющие относятся к потерям, и их необходимо по воз­

можности уменьшать. Полный ток коллектора Iк, помимо тока

инжекции, учитывает ток рекомбинации в базе I р, рек и обрат­ ный ток коллекторного перехода I кво• который не зависит от то­ ка эмиттера. Рекомбинацию инжектированных носителей в ба­

зе учтем введением коэффициента а - статнческого коэффнцнен­

та передачн тока эмнттера в схеме с общей базой (ОБ). В ре­ зультате полный ток коллектора можно записать в форме

(4.1)

Из выражения (4.1) следует, что

В выражении (4.2) приближенное соотношение справе;цливо для рабочих токов Iк, которые обычно много больше Iкво· Фи­

зически а определяется коэффициентами инжекции эмиттера

Уэ = Iэр/Iэ и переноса носителей через базу Лв = Iк/Iэр• т. е.

Коэффициент инжекции Уэ показывает, какую часть состав­

ляет полезный ток инжекции дырок из эмиттера в базу в пол­ ном токе эмиттера. Величина Лв отражает потери инжекти- '

рованных дырок при их движении через базу за счет рекомби­

нации. Рекомбинация определяет ток базы, который равен Iв =

Из выражения (4.3) видно, что при токе Iэ = Iкво/(1 - а) ток Iв =О. Рабочие токи эмиттера значительно больше Iкво/(1 - а), тогда ток базы можно вычислить по формуле

(4.4)

В импульсных и цифровых интегральных схемах достаточно

1

широко используется инверсный режим, когда в противополож­

ность нормальному режиму роли эмиттера и коллектора меняют-

ся местами. В инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный - в обратном. Входным

носа.

Для большинства транзисторов а1 > а, поскольку коллектор­

ный переход не обладает, в отличие от эмиттерного, свойством

односторонней инжекции, так как концентрация примеси в

коллекторной области много меньше, чем в эмиттерной (см. рис. 4.3). В результате 'Ук < 'Уэ· Помимо этого, внутреннее поле

базы является тормозящим для носителей, движущихся из кол­

лектора в эмиттер, что уменьшает Ав!' и в результате оказыва­

ется Ав r < Ав, кроме того, Ав может уменьшаться из-за рекомби­

нации носителей в пассивной базе (окисленной поверхности по­ лупроводника базы или на базовом контакте).

Для схемы с ОЭ входным током является ток базы Iв, а

выходным - ток коллектора I к· В этом случае, пользуясь выра­

жением (4.1) и учитывая, чтоlэ = lк + Iв, можно для коллектор­

ного тока получить следующее выражение

Введем обозначение~= а/(1 - а). Коэффициент~ называется

статическим коэффициентом передачи тока базы. Окончательно вы­

ражение (4. 7) можно записать в виде

(4.8)

Из этой формулы следует:

(4.9)