Ткаченко_Ф_А_Техническая_электроника_2000

61

10. Предельная резистивная частота fR – это частота, на которой актив-

ная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящей из p–n перехода и сопротивления потерь, обращается в нуль

11. Резонансная частота – частота, на которой общее реактивное сопротивление p–n перехода и индуктивности выводов диода обращается в нуль

Примером туннельных диодов являются: ГИ201, КИ303, АИ102.

2.17. Обращенные диоды

Обращенные диоды выполняются на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном смещении значительно больше, чем при прямом напряжении.

На рис. 2.23 представлена вольт– амперная характеристика и условное обозначение обращенного диода.

При концентрации примесей порядка

1018см−3 уровень Ферми находится на потолке валентной зоны p–области и на дне зоны проводимости n–области. При подаче обратного напряжения происходит туннельный перенос электронов из валентной зоны p–области на свободные уровни зоны проводимости n–области, и через диод протекает большой обратный ток.

При прямом смещении диода, перекрытия зон не происходит и прямой ток определяется только диффузионным током. Рабочим участком обращенного диода является обратная ветвь ВАХ, что отражено в его названии. Данный тип диодов используется в детекторах, смесителях СВЧ диапазона и переключающих устройствах.

62

ГЛАВА 3 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярным транзистором называют электропреобразовательный прибор, имеющий два p–n перехода, пригодный для усиления мощности электрических сигналов. По принципу действия транзисторы делятся на: биполярные и полевые. В работе биполярных транзисторов используются носители обеих полярностей (дырки и электроны), что и отражено в их названии. В полевых (униполярных) транзисторах используется движение носителей одного знака.

Особенность биполярного транзистора состоит в том, что между его электронно–дырочными переходами существует взаимодействие – ток одного из переходов может управлять током другого.

По порядку чередования p–n переходов транзисторы бывают: n–p–n и p–n–p

типов (рис. 3.1). Область транзи-

стора, расположенная между p–n переходами, называют базой. Одна из примыкающих к базе областей должна наиболее эффективно осуществлять инжекцию

носителей в базу, а другая – экстрагировать носители из базы.

Область транзистора, из которой происходит инжекция носителей в базу, называют эмиттером, а переход эмиттерным.

Область транзистора, осуществляющая экстракцию носителей из базы, называют коллектором, а переход коллекторным.

По применяемому материалу транзисторы классифицируются на германиевые, кремниевые и арсенид-галлиевые.

По технологии изготовления транзисторы бывают: сплавные, диффузионные, эпитаксиальные, планарные. Толщина базы делается значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей в ней. При равномерном распределении примеси в базе внутреннее электрическое поле в базе отсутствует, и неосновные носители движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионными или бездрейфовыми. При неравномерном распределении примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле, и неосновные носители движутся в ней в результате дрейфа и диффузии. Такие транзисторы называют дрейфовыми.

Кроме того, концентрация атомов примеси в эмиттере и коллекторе (низкоомные области) значительно больше, чем в базе (высокоомная область).

63

Площадь коллекторного перехода больше эмиттерного, что способствует увеличению коэффициента переноса носителей из эмиттера в коллектор.

По мощности, рассеиваемой коллекторным переходом, транзисторы бы-

вают:

малой мощности P < 0,3 Вт;

средней мощности 0,3 Вт < P < 1,5 Вт; большой мощности P > 1,5 Вт.

По частотному диапазону транзисторы делятся на: низкочастотные fпр < 3 МГц;

среднечастотные 3 МГц < fпр < 30 МГц; высокочастотные 30 МГц < fпр < 300 МГц; сверхвысокочастотные fпр > 300 МГц.

Обозначение биполярных транзисторов состоит из шести или семи элементов.

Первый элемент – буква или цифра, указывающая исходный материал: Г(1) – германий, К(2) – кремний, А(3) – арсенид галлия.

Второй элемент буква, указывающая на тип транзистора Т – биполярный, П – полевой.

Третий элемент – цифра, указывающая на частотные и мощностные свойства (табл. 3.1)

Таблица 3.1 Классификация транзисторов по мощности и частоте

Четвертый, пятый, (шестой) элементы – цифры, указывающие порядковый номер разработки.

Шестой (седьмой) элемент – буква, указывающая на разновидность транзистора из данной группы. Примеры обозначения транзисторов: КТ315А;

КТ806Б; ГТ108А; КТ3126.

3.1. Режимы работы биполярного транзистора

В зависимости от полярности внешних напряжений, подаваемых на электроды транзистора, различают следующие режимы его работы:

1. Активный режим – эмиттерный переход смещен в прямом направлении (открыт), а коллекторный – в обратном направлении (закрыт).

64

2.Режим отсечки – оба перехода смещены в обратном направлении (за-

крыты).

3.Режим насыщения – оба перехода смещены в прямом направлении (от-

крыты).

4.Инверсный режим – коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В таком режиме коллектор выполняет роль эмиттера, а эмиттер – роль коллектора. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении.

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения. Потенциал общего электрода принимается за нулевой (земля). Отсчет напряжений на остальных электродах производится относительно точки нулевого потенциала.

На рис. 3.2,а показана схема включения транзистора с общей базой (ОБ), на рис. 3.2,б – схема с общим эмиттером (ОЭ), на рис. 3.2,в – схема с общим коллектором (ОК).

3.2. Принцип действия транзистора

Принцип действия транзисторов n–p–n и p–n–p типов одинаков, различие заключается лишь в полярности внешних напряжений и типа основных носителей, инжектированных в область базы (рис. 3.3).

Принцип действия транзистора принято рассматривать в активном режиме работы в схеме с общей базой рис. 3.3,б. Под действием внешнего напряжения Uэб эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а под действием

Uкб коллекторный переход – в обратном.

При увеличении Uэб снижается потенциальный барьер эмиттерного пе-

рехода, и так как концентрация электронов в эмиттере значительно больше концентрации дырок в базе, то происходит инжекция электронов из эмиттера в базу и дырок из базы в эмиттер. Это вызывает протекание токов инжекции: Iэn – электронного и Iэр – дырочного. Так как число дырок в области базы

значительно меньше количества электронов в области эмиттера, то Iэр << Iэn .

65

Для количественной оценки составляющих полного тока эмиттерного перехода вводят параметр – коэффициент инжекции или эффективность эмиттерного перехода

ким образом входная цепь эмиттер–база оказывается замкнутой, во внешней цепи протекает входной ток, ток эмиттера Iэ. Часть подошедших дырок к эмиттерному переходу рекомбинирует с инжектированными электронами, а вследствие разности концентрации (в диффузионных транзисторах) и разности концентраций и наличия внутреннего электрического поля (в дрейфовых) электроны и дырки движутся вглубь базы к коллекторному переходу. Так как ширина базы значительно меньше диффузионной длины электронов, то большинство инжектированных электронов не успевает рекомбинировать. Электроны,

66

подошедшие к обратносмещенному коллекторному переходу, попадают в ускоряющее поле Uкб, экстрагируют (втягиваются) в коллектор, создавая ток коллектора Iкn , а подошедшие дырки отталкиваются полем коллекторного перехода и возвращаются к базовому выводу. Таким образом выходная цепь – коллектор–база оказывается замкнутой и в ней протекает ток Iк .

Процесс переноса неосновных носителей через базу характеризуется коэффициентом переноса

величина которого зависит от ширины базы, диффузионной длины носителей и близка к единице ε=0,988…0,995.

Экстракция электронов может сопровождаться ударной ионизацией атомов полупроводника и лавинным умножением носителей заряда в коллекторном переходе. Процесс умножения носителей в коллекторном переходе оценивается коэффициентом лавинного умножения

где h21б = γεM – статический коэффициент передачи тока эмиттера.

Кроме управляемого тока коллектора, который зависит от количества носителей, инжектированных из эмиттера в базу и экстрагированных из базы в коллектор с учетом коэффициента лавинного размножения, протекает обратный неуправляемый ток Iкбо .

Причина появления этого тока обусловлена дрейфом неосновных носителей базы и коллектора к обратносмещенному коллекторному переходу и их экстракцией через переход. Этот ток имеет такую же природу, как и обратный ток полупроводникового диода. Поэтому его называют обратным током коллекторного перехода.

Таким образом принцип действия транзистора основан на следующих физических процессах:

1.Инжекция носителей через прямосмещенный эмиттерный переход.

2.Рекомбинация и диффузионный перенос носителей через область базы от эмиттерного к коллекторному переходу.

3.Экстракция носителей через обратносмещенный коллекторный пере-

ход.

67

3.3. Токи в транзисторе

Согласно рис. 3.3 ток эмиттера Iэ имеет две составляющие: электронную Iэn и дырочную Iэр

Это выражение устанавливает связь между токами транзистора. Оно справедливо для любой схемы включения и удовлетворяет первому закону Кирхгофа.

В активном режиме токи коллектора и эмиттера почти равны, а ток базы равен их разности. Коллекторный ток практически не зависит от напряжения на коллекторном переходе. Даже поля контактной разности потенциалов достаточно для экстракции всех электронов, достигших коллекторного перехода.

Поэтому дифференциальное сопротивление коллекторного перехода rк = dUкб dIк

очень велико (переход включен в обратном направлении). В цепь коллектора можно включать нагрузку с достаточно большим сопротивлением Rн, практи-

чески не изменяя ток коллектора (рис. 3.3,б). Дифференциальное сопротивле-

При изменении входного (эмиттерного) тока на ∆Iэ, практически на такую же величину возрастает коллекторный ток. Однако изменение потребляемой мощности в цепи эмиттера ∆Pвх = ∆Iэ2rэ значительно меньше изменения мощности

в выходной цепи ∆Pвых = ∆Iк2Rн ≈ ∆Iэ2Rн, т.е. транзистор способен управлять

большой мощностью в коллекторной цепи при небольших затратах мощности в эмиттерной цепи.

3.4. Статические характеристики

Статические характеристики транзистора устанавливают функциональную связь между токами и напряжениями транзистора. На практике наибольшее распространение получили статические характеристики, в которых в каче-

68

стве независимых переменных приняты входной ток и выходное напряжение, и они описываются следующей системой уравнений:

а) входная Uвх = f (Iвх) при Uвых= const; б) выходная Iвых = f (Uвых) при Iвх = const.

Вспомогательные характеристики являются следствием входных и выходных:

в) характеристика прямой передачи Iвых = f (Iвх) при Uвых= const; г) характеристика обратной связи Uвх = f (Uвых) при Iвх = const.

3.4.1. Статические характеристики в схеме с ОБ

ВХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

На рис. 3.4 представлена схема включения транзистора с общей базой. Семейство входных характеристик Uэб = f (Iэ) при Uкб = const представлены на

рис. 3.5 и выражает зависимость входного напряжения от входного тока.

При Uкб = 0 входная характеристика

представляет собой прямую ветвь вольт– амперной характеристики прямосмещенного эмиттерного перехода и может быть описана уравнением

При увеличении по абсолютной величине напряжения на коллекторе входная характеристика смещается в область больших токов, за счет уменьшения ширины базы (эффект Эрли) и увеличения градиента концентрации неосновных носителей в ней.

Это приводит к уменьшению рекомбинации носителей в базе и возрастанию тока эмиттера при неизменном напряжении Uэб. То, что коллекторное напря-

жение влияет на входную характеристику, свидетельствует о наличии в транзисторе внутренней обратной связи. Это вызвано следующими причинами:

1) увеличение абсолютной величины коллекторного напряжения уменьшает ширину базы (эффект Эрли) и рекомбинацию носителей в ней. При неизменном напряжении на эмиттерном переходе происходит увеличение градиента концентрации неосновных носителей в базе, увеличивается коэффициент переноса, что и обуславливает увеличение тока эмиттера;

69

2) внутренняя обратная связь возникает за счет падения напряжения на распределенном сопротивлении базы при протекании Iкбо , что

приводит к увеличению результирующего напряжения на эмиттерном переходе.

ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

рис. 3.6 и выражают зависимость выходного тока

от выходного напряжения

Если Iэ = 0, то выходная характеристика представляет собой характери-

стику обратно-смещенного коллекторного перехода. Транзистор работает в режиме отсечки в области, расположенной ниже данной характеристики.

Если во входной цепи эмиттера задан ток Iэ, то при Uкб = 0 в коллектор-

ной цепи протекает ток Iк = h21бIэ, т.е.

поля контактной разности потенциалов коллекторного перехода достаточно для экстракции носителей из базы в коллектор. С увеличением абсолютного значения Uкб ток Iк несколько возрастает

за счет появления обратного тока Iкбо , а

также некоторого увеличения коэффициента переноса, вызванного уменьшением толщины базы.

При подаче на коллектор прямого напряжения появляется прямой ток коллектора, направленный навстречу току h21бIэ. Результирующий ток в цепи

коллектора уменьшается, транзистор работает в режиме насыщения.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЯМОЙ ПЕРЕДАЧИ

70

При Uкб= 0, Iкбо = 0 характеристика передачи выходит из начала координат, и в первом приближении ее можно считать прямой линией. С ростом Iэ коэффициент

передачи тока эмиттера h21б становится нелинейным.

С увеличением напряжения на коллекторе характеристика сдвигается вверх, что обусловлено уменьшением рекомбинации носителей в базе за счет уменьшения ее ширины (эффект Эрли). Характеристики прямой передачи можно построить, используя семейство выходных характеристик.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Семейство статических характеристик обратной связи транзистора, характеризующее зависимость Uэб = f (Uкб) при

Iэ = const, представлено на рис. 3.8.

Характеристика обратной связи имеет отрицательный наклон, что связано с уменьшением ширины базы и тока рекомбинации, а также с ростом градиента концентрации носителей тока эмиттера при увеличении абсолютного значения напряжения Uкб. Так как характеристика

снимается при постоянном токе эмиттера, то необходимо уменьшать инжекцию носителей из эмиттера в базу посредством снижения Uэб. Характеристики об-

ратной связи можно построить, используя семейство входных характеристик.

3.5. Статические характеристики транзистора в схеме с ОЭ

На рис. 3.9 представлена схема включения транзистора в схеме с ОЭ. Семейство входных характеристик Uбэ = f (Iб) при Uкэ= const представлена на

рис. 3.10.

При отсутствии внешнего напряжения Uкэ= 0 входная характеристика представляет собой вольт–амперную характеристику двух параллельно вклю-