Лекция 11 микроэлектроника

Распределение концентраций дырок в базе

Распределение концентраций дырок в базе можно определить приближенным соотношением:

.

(6.34)

Таким образом, что концентраций дырок в базе линейно меняется с расстоянием

На рис. 6.7 показано распределение концентраций основных и неосновных носителей в транзисторе. Изменение концентраций основных носителей много меньше их равновесного значения, поэтому можно считать, что концентрация основных носителей в каждой из областей транзистора постоянна.

Рис. 6.7. Распределение концентраций основных и неосновных носителей в транзисторе при нормальном смещении

Распределение токов основных и неосновных носителей показано на рис. 6.8. Токи основных носителей построены на основании следующих соображений. В области эмиттера протекает независящий от координаты ток I_э, равный сумме токов основных и неосновных носителей. Так как ток неосновных носителей I_nэ(x) уменьшается по мере удаления от перехода, то ток основных носителей I_pэ(x) должен возрастать. Хотелось бы еще раз подчеркнуть, что процесс переноса носителей через базу – диффузионный, зависящий от градиента концентрации носителей.

Рис. 6.8. Распределение токов в транзисторе при нормальном смещении

Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратносмещенного коллекторного pn-перехода и экстрагируются из базы в коллектор.

Аналогичные рассуждения можно привести и для p-коллектора, в котором протекает постоянный по длине ток коллектора. Разница состоит только в том, что ток I_К меньше тока эмиттера. В активном режиме работы, когда транзистор усиливает входной сигнал, коллекторный переход смещен в обратном направлении. Он "собирает" инжектированные носители, прошедшие через слой базы.

Поток электронов, образующих ток I_nЭ не проходит через коллекторную цепь и не способствует усилению сигнала, поэтому его стремятся сделать как можно меньше. Для этого степень легирования эмиттера задают значительно выше, чем степень легирования базы, тогда инжекционный ток из эмиттера в базу значительно выше инжекционного тока базы в эмиттер.

В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители (дырки) рекомбинируют с основными носителями в базе (электронами). Для восполнения прорекомбинированных основных носителей в базе через внешний контакт должно подойти такое же количество носителей. Поток электронов создается электронами, поступающими из внешней цепи в базу для восполнения потери электронов из-за их рекомбинации с дырками. Таким образом, ток базы – это рекомбинационный ток. Ток во внешнем контакте базы мал, так как при I_nЭ0 он лишь восполняет концентрацию прорекомбинировавших в базе неосновных носителей заряда.

Коллекторный ток I_к состоит из тока носителей заряда, инжектированных эмиттером aI_э, и теплового тока утечки коллекторного перехода I_КБ0 (индекс «Б» от режима ОБ). Запишем основные уравнения, характеризующие соотношения между токами транзистора:

, IБ = IЭ – IК = IЭ – αIЭ = IЭ(1-α) – IКБ0

(6.34)

Ток базы I_Б транзистора будет состоять из трех компонент, включающих электронный ток в эмиттерном переходе , рекомбинационный ток в базе и тепловой ток коллектора I_КБ0.

Тепловой ток коллектора при включении по схеме ОБ I_КБ0 имеет две составляющие: , где I_s - тепловой ток, I_g - ток генерации коллекторного pn-перехода. Ток I_КБ0 - ток обратно смещенного коллекторного перехода.

Таким образом, в биполярном транзисторе реализуются четыре физических процесса:

• инжекция из эмиттера в базу;

• диффузия через базу;

• рекомбинация в базе;

• экстракция из базы в коллектор.

6.1.1 Статические вольт-амперные характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой

При любом включении транзистор характеризуется семейством входных и выходных характеристик. На рис. 6.9,а показаны зависимости коллекторного тока от разности потенциалов между коллектором и базой U_КБ для pnp-транзистора или выходные ВАХ транзистора с ОБ (или выходными ВАХ), поскольку они характеризуют выходную цепь транзистора.

На рис. 6. 9,б показаны зависимости тока эмиттера от разности потенциалом между эмиттером и базой U_ЭБ, или входные ВАХ транзистора с ОБ (или просто входными ВАХ), поскольку они характеризуют входную цепь транзистора.

а б

Рис. 6. 9. Выходные и входные ВАХ pnp-транзистора с ОБ

Следует напомнить, что для pnp-транзисторов при нормальном включении эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный переход – в обратном. Соответственно для npn-транзисторов при нормальном включении U_эб<0, U_кб>0 и I_эб<0, I_кб>0. Обычно все ВАХ рисуют в первом квадранте, т.е. по существу по осям откладывают модули соответствующих токов и напряжений.

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают три режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором эмиттерный переход находится в открытом состоянии, а коллекторный – в закрытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах.

В импульсных схемах транзистор работает в режиме электронного ключа. При этом ток коллектора в открытом состоянии транзистора (когда ключ замкнут) ограничивается не транзистором, а внешними сопротивлениями. Говорят, что ток не растёт с ростом входного тока, а достигается насыщение роста. Отсюда возник термин – «режим насыщения». В режиме насыщения оба pn-перехода смещены в прямом направлении. Разомкнутому состоянию электронного ключа соответствует режим отсечки тока, или просто «режим отсечки». В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении. Таким образом, возможны три состояния (три режима работы транзистора) – активный, насыщения и отсечки.

Учитывая симметричную структуру транзистора, функции эмиттера и коллектора можно поменять местами. При этом включение транзистора называют инверсным. Очевидно, что как и при нормальном включении, здесь также возможны три режима – активный, насыщения и отсечки.

Рассмотрим влияние режимов работы транзистора (и его ВАХ) более подробно. Если положить U_КБ=0, то, как видно из рис. 6.9,б входная характеристика транзистора соответствует характеристике pn-перехода, включенного в прямом направлении. Если U_КБ  0, то входная характеристика изменяется, т.е. транзистор – прибор, в котором существует обратная связь и сигнал в выходной цепи может оказывать влияние на сигнал входной цепи.

При U_ЭБ=0 и U_КБ концентрация в базе равновесная p_n0Б, градиент концентрации в базе отсутствует, токи через эмиттерный и коллекторный переходы равны нулю (т.0). В случае узкой базы распределение концентрации неосновных носителей в базе можно считать линейным.

На ВАХ можно выделить три области, соответствующие различным режимам работы транзистора: активную область, область насыщения и область отсечки.

Если эмиттер смещен в прямом направлении, происходит инжекция носителей заряда в базу и, доходя до коллектора, они создают ток в выходной цепи (т. А на рис. 6.9).

Активная область (т. А на рис. 6.9, б) соответствует усилительному режиму. Для нее выполняются условия U_ЭБ>0, U_КБ<0, следовательно, в соответствии p_n(0)>p_n0, p_n(W)<p_n0. Как правило, |U_КБ|>>||, поэтому можно считать p_n(W)≈0.

Возрастание U_ЭБ будет сопровождаться увеличением тока эмиттера, а также ростом p_n(0) и ростом градиента концентрации неосновных носителей заряда ∂p_n/∂x, а, следовательно, возрастанием тока через базу (т. В на рис. 6.9), изменяет скорость рекомбинации и ток базы.

Отметим тот факт, что в активном режиме переходы транзистора имеют различную ширину: запертый коллекторный переход значительно шире открытого эмиттерного перехода.

Если при постоянном токе эмиттера увеличивать обратное смещение на коллекторе, ширина ОПЗ коллекторного перехода будет возрастать, ширина базы уменьшается (эффект Эрли, рис. 6.10,б) и градиент концентрации в базе в этом случае может остаться постоянным только при уменьшении концентрации неосновных носителей у ЭП. Это соответствует уменьшению напряжения на эмиттере и смещению характеристик влево (т. С на рис. 6.9).

а	б
нормальное включение, UКБ=const, UЭБ – переменное	нормальное включение, UЭБ =const, UКБ – переменное
Рис. 6.10 Распределение неосновных носителей в базе pnp-транзистора при нормальном включении в схеме с ОБ

Если напряжение на ЭП равно нулю, отрицательное напряжение на коллекторе приводит к уменьшению концентрации дырок в базе, состояние термодинамического равновесия на ЭП нарушается, что в свою очередь вызывает приток дырок из эмиттера, и ток эмиттера при U_КБ < 0 отличен от нуля (т. D на рис. 6.9).

Если положить I_Э = 0, то выходная характеристика будет соответствовать ВАХ pn-перехода, включенного в обратном направлении (рис. 6.9,а). Проходящий при этом в коллекторной цепи ток I_КБ0 является неуправляемым и часто, называется тепловым, поскольку он создается неосновными носителями, генерируемыми в области базы и эмиттера. Ток I_КБ0 надо именно измерять, так как аналитически оценить все составляющие тока невозможно.

С увеличением напряжения на коллекторе ток коллектора растет. Величина наклона кривых характеризуется сопротивлением . С увеличением напряжения на коллекторе ширина базы уменьшается, вследствие чего уменьшается вероятность рекомбинации дырок в базе, и при постоянном токе эмиттера ток дырок, доходящих до коллектора, должен возрастать с повышением напряжения на КП. Поэтому сопротивление коллектора должно уменьшаться.

Завершая рассмотрение активного режима, отметим, что основной вклад в ток через базовый электрод (ток базы) вносит рекомбинационная составляющая. Равная ей рекомбинационная составляющая тока эмиттера определяет его отличие от тока коллектора, создаваемого практически исключительно сквозным потоком дырок, (). С учетом того, что база транзистора делается очень узкой и слабо легируется, потери электронов на рекомбинацию в базе очень невелики, и I_Б<< I_Э.

Инверсный режим (инверсный активный режим) работы транзистора аналогичен активному режиму с той лишь разницей, что в этом режиме в открытом состоянии находится коллекторный переход, а в закрытом – эмиттерный переход. Коэффициент усиления по току в инверсном режиме для pnp-транзистора можно записать по аналогии с :

	(6.27)
	(6.35)

В связи с тем, что усилительные свойства транзистора в инверсном режиме оказываются значительно хуже, чем в активном режиме, транзистор в инверсном режиме практически не используется.

Режим насыщения (т. А и т. Е на рис. 6.9) соответствует режиму, при котором оба перехода транзистора находятся в открытом состоянии. Границы режима насыщения определяются условиями U_ЭБ>0 и U_КБ≥0, следовательно, p_n(0)>p_n0, p_n(W)≥p_n0. В точке А U_ЭБ>0 и U_КБ=0, соответственно p_n(0)>p_n0 и p_n(W)=0, в точке Е U_КБ>0 и U_к.б>0, соответственно p_n(0)>p_n0 и p_n(W)>p_n0. (рис. 6.11).

а	б
UЭБ– положительное, UКБ=0 (т. А)	оба перехода смещены в прямом направлении (т.Е)
Рис. 6.11 Распределение неосновных носителей в базе pnp-транзистора в режиме насыщения по схеме с ОБ

В этом режиме и эмиттер, и коллектор инжектируют электроны в базу, в структуре протекают два встречных сквозных потока дырок (нормальный и инверсный). От соотношения этих потоков зависит направление токов, протекающих в цепях эмиттера и коллектора.

Вследствие двойной инжекции база транзистора очень сильно насыщается избыточными носителямими (электронами для npn-транзистора и дырками для pnp-транзистора), из-за чего усиливается их рекомбинация с основными носителями, и рекомбинационный ток базы оказывается значительно выше, чем в активном или инверсном режимах. Ток коллектора не обеспечивает отвод всех подходящих к коллектору инжектированных носителей заряда (говорят об ограничении тока коллектора).

В связи с насыщением базы транзистора и его переходов избыточными носителями заряда, их сопротивления становятся очень маленькими. Поэтому цепи, содержащие транзистор, находящийся в режиме насыщения, можно считать короткозамкнутыми, в этом режиме транзистор представляет собой эквипотенциальную точку.

В режиме отсечки (см. т. F на рис. 6.9) оба перехода транзистора находятся в закрытом состоянии.

Рис. 6.12 Оба перехода смещены в обратном направлении (режим отсечки) т. F

Сквозные потоки электронов в режиме отсечки отсутствуют. Через переходы транзистора протекают потоки неосновных носителей заряда, создающие малые и неуправляемые тепловые токи переходов. База и переходы транзистора в режиме отсечки обеднены подвижными носителями заряда, в результате чего их сопротивления оказываются очень высокими. Поэтому считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.

Режимы насыщения и отсечки используются при работе транзисторов в импульсных (ключевых) схемах.

Рассмотренные процессы инжекции и собирания носителей коллектором не зависят от схемы включения, соответственно, и рассмотренные режимы – будут иметь место и в каскадах с общим эмиттером и общим коллектором.

6.1.2 Усиление транзистора, включенного по схеме с общей базой

Согласно выражению ,  = 0,95… 0,99, в схеме с ОБ усиление тока отсутствует. Несмотря на это усиление мощности существует, так как в усилительном режиме (U_э.б>0, U_к.б<0) выходное дифференциальное сопротивление ()много больше входного дифференциального сопротивления (). Таким образом, практически одинаковый ток проходит и через высокое сопротивление и через низкое, вследствие чего в схеме с ОБ имеет место усиление мощности.

Из-за высокого выходного сопротивления в цепи коллектора может быть включено достаточно большое сопротивление нагрузки (R_К на рис. 6.2) – до 1 МОм. Относительно малое изменение напряжения на эмиттере будет вызывать большое изменение напряжения на сопротивлении нагрузки. В результате различия входного и выходного сопротивлений транзистор дает усиление по мощности.