Глава 5.

БИПОЛЯРНЫЙ БЕЗДРЕЙФОВЫЙ ТРАНЗИСТОР

Устройство. Биполярный транзистор - это полупроводниковый при­бор, основу которого составляют два взаимодействующих р-п перехода, образованные в едином кристалле полупроводника и разделенные очень узкой областью взаимодействия, называемой базой. Транзистор является одним из самых распространенных полупроводниковых приборов. Он ши­роко используется и как усилительный, и как переключающий элемент, т.е. является универсальным элементом электронных схем. В настоящее время промышленностью выпускается множество всевозможных типов транзи­сторов с мощностью рассеяния от десятков милливатт до десятков ватт и с рабочими частотами от низких, звуковых частот до сверхвысоких частот (СВЧ). На рис. 5.1,о показана упрощенная структура и условное обозначе­ние транзистора р-п-р, а на рис. 5.1,6 - транзистора п-р-п. Транзисторы р-п-р и п-р-п различаются только порядком чередования типов проводимо­сти областей транзистора. Принцип их работы одинаков, но полярности внешних источников напряжений и направления протекания токов транзи­стора п-р-п противоположны полярностям и направлениям протекания то­ка транзистора р-п-р. Это обстоятельство намного расширяет возможности транзисторов, позволяет создавать оригинальные схемы.

1. Устройство и принцип действия

эмиттер база

коллектор

а

б

Рис. 5.1

При дальнейшем рассмотрении за основу принят р-п-р транзистор. Полученные при этом все выводы и соотношения будут справедливы и для п-р-п транзистора с учетом его полярностей.

Конструктивно транзистор состоит из эмиттера (левая р-область), эмиттерного р-п перехода, коллектора (правая /^-область), коллекторного р- п перехода и узкой базы (и-область между переходами). Эмиттерная об­ласть имеет внешний эмиттерный вывод Э, образующий невыпрямляющий контакт с эмиттерной областью. Коллекторный вывод К и базовый вывод Б образуют невыпрямляющие контакты с коллекторной и базовой областями (на практике часто внешние выводы называют соответственно эмиттером, коллектором и базой). Следует иметь в виду, что структуры, показанные на рис. 5.1, ни в коей мере не отражают ни реальные размеры, ни соотноше­ния размеров областей. Реальная структура сплавного транзистора (в уве­личенном виде) показана на рис. 5.2,д. На рис. 5.2,6 приведена структура (в увеличенном виде) планарного п-р-п транзистора, характерного для инте­гральной технологии. Технологические аспекты получения транзисторов и микросхем будут рассмотрены в главе 8. Кристалл полупроводника с тран­зисторной структурой р-п-р помещается в герметический корпус. Внешние выводы изолируются от корпуса. Один из выводов, чаще коллекторный, для улучшения теплоотвода соединяется с корпусом.

Принцип действия. Каждый из р-п переходов транзистора может быть смещен в прямом либо обратном направлении. В зависимости от по­лярности смещений двух переходов возможны четыре режима транзисто­ра. Однако основным является активный (усилительный) режим, при кото­ром эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллектор­ный - в обратном. Ниже подробно описан активный режим транзистора. Другие режимы будут рассмотрены в соответствующих разделах курса. На рис. 5.3 крупным планом показано стационарное распределение потоков

а

б

Рис. 5.2

подвижных носителей в транзисторе в активном режиме и распределение потенциалов в кристалле в направлении эмиттер - коллектор. При этом уч­тены только основные потоки носителей, обусловленные взаимодействием переходов и определяющие сущность транзистора. Но следует иметь в ви­ду, что каждый переход сохраняет полностью и свойства отдельного пере­хода, рассмотренные в предыдущих главах. Поэтому, кроме указанных на рис. 5.3, имеются еще потоки носителей, обусловленные свойствами р-п переходов, на которые будем обращать внимание по мере необходимости. В активном режиме в транзисторе происходят следующие основные про­цессы.

Инжекция. В транзисторе р-п переходы выполняют несиммет- 5ИЧНЫМИ, даже односторонними (р_р » п„). Поэтому можно принять, что через эмиттерный переход, смещенный в прямом направлении, имеет ме­та только движение потока дырок из эмиттера в базу (диффузия дырок чрез пониженный потенциальный барьер эмиттерного перехода) - инжек- ш дырок в базу. Величина тока эмиттера определяется величиной сме­щения и_Эв и прямой ветвью вольт-амперной характеристики диода, т.е.

при малом смещении (десятые доли вольта) ток эмиттера достигает вели­чины в десятки и сотни миллиампер.

Диффузия в базе. В равновесии база нейтральна по всей ширине и электрического поля в базе нет. Потенциал по всей ширине базы одинаков, и на диаграмме он принят равным нулю, поэтому транзистор называется бездрейфовым. Инжектированные дырки в базе являются неосновными носителями. Концентрация равновесных неосновных носителей р_п в базе невелика,и инжектированные дырки значительно увеличивают концентра* цию неосновных носителей - дырок - в базе на границе с эмиттерным пе* реходом, т.е. имеет место процесс возмущения неосновных носителей (см. подраздел 1.5 «Неравновесная концентрация носителей»).

Появляется градиент концентрации дырок в базе и начинается диф­фузия инжектированных дырок от эмиттерного перехода в глубь базы, в сторону коллекторного перехода. Повышенная концентрация дырок в базе у эмиттерного перехода поддерживается за счет непрерывной инжекции из эмиттера. В процессе диффузии большая часть инжектированных дырок достигает границы коллекторного перехода. Движение инжектированных дырок через базу имеет сложный направленно-хаотический вид, т.е. дыр­ки, как подвижные частицы, совершают тепловые хаотические движения, на которые накладывается направленное смещение под действием сил диффузии. В целях улучшения направленного движения дырок в базе (от эмиттера к коллектору) в ней создают электрическое поле, под действием которого дырки направленно перемещаются (дрейфуют) к коллектору. Транзисторы, у которых ;1исители зарядов в базе перемещаются под дейст­вием сил диффузии и электрического поля, называют дрейфовыми.

Экстракция дырок, ток коллектора. Коллекторный переход смещен в обратном направлении, и его собственный обратный ток равен тепловому току /«о- Однако инжектированные дырки, оказавшиеся в базе, на границе коллекторного перехода подхватываются полем коллекторного перехода и выбрасываются в область коллектора, где они являются основными носи­телями. Этот процесс называют экстракцией. В результате этого коллек­торный ток увеличивается сверх 1_Ко, и теперь величина тока коллектора /_к определяется концентрацией продиффундировавших через базу инжекти­рованных дырок, или током эмиттера. Таким образом, величина тока кол­лекторного перехода, смещенного в обратном направлении, определяется величиной тока близко расположенного эмиттерного перехода, т.е. ток коллектора управляется током эмиттера. В этом заключается взаимодейст­вие переходов, и в этом сущность транзистора. Все остальные потоки и процессы носят сопутствующий характер.

Рекомбинация. Ток базы. Часть инжектированных дырок в процессе диффузии в базе встречается с электронами и рекомбинирует. Рекомбини­рующие дырки не достигают коллекторного перехода и не участвуют в управлении коллекторным током. Вместо рекомбинированных электронов

в базу втекают электроны из внешней цепи по базовому выводу, образуя ток базы. Величина тока базы /_Б определяется интенсивностью рекомбина­ции в объеме базы (направление токов во внешних выводах соответствует принятому в электротехнике направлению движения положительных заря­дов).

Токи в эмиттерной и коллекторной областях. Движение носителей через эмиттерную и коллекторную области на большей части происходит под воздействием слабого электрического поля в этих областях, создавае­мого внешними источниками точно так же, как на это было указано при рассмотрении диода. Эти потоки не оказывают влияния на работу транзи­стора, и в дальнейшем они не рассматриваются.

2. Основные соотношения для токов.

Коэффициент передачи тока

Из рассмотрения принципа действия транзистора следует, что ток коллектора составляет лишь часть тока эмиттера (/_э разветвляется на два тока: /_к и /_Б):

/э = /к + /б (5.1)

Отношение тока коллектора к току эмиттера

а = ^, (5.2)

¹э

называют коэффициентом передачи тока. Коэффициент а отражает эф­фективность взаимодействия р-п переходов в транзисторе и количественно равен доле инжектированных эмиттером дырок, достигших коллекторного перехода. Равенства (5.1) и (5.2) выполняются при любых режимах тран­зистора, т.к. они отражают основные процессы в транзисторе. Из этих ра­венств вытекает и условие для тока базы:

/_Б=/э-/к = /э(1-а). (5.3)

Качество транзистора тем лучше, чем меньше дырок рекомбинирует

в базе и чем больше их достигает коллектора, т.е. чем ближе к единице ко­

эффициент а. Для уменьшения интенсивности рекомбинации базу делают, по возможности, очень тонкой, чтобы толщина базы W была много меньше средней длины диффузии неосновных носителей в базе:

W«L.

(5.4)

Теория транзистора устанавливает непосредственно связь величины а с величинами L и W[2]:

Это выражение при выполнении (5.4) может быть упрощено (разложением в ряд) и представлено в более удобном для практического использования виде:

Коэффициент у, называемый коэффициентом инжекции, представля­ет отношение дырочной составляющей тока эмиттера к полному току эмиттера:

Как правило, он близок к единице. В дальнейшем он всегда принимается равным единице.

Современная технология позволяет изготовлять транзисторы с ши­риной базы в единицы (и доли) микрометра и с коэффициентом а, равным

0. 95-0,99. Ток базы (т.е. ток рекомбинации) при этом составляет (0,05- -0,001)/_э.

Возможность усиления тока транзистором. Хотя ток коллектора меньше тока эмиттера (а < 1), но именно процесс управления током кол­лектора при помощи тока эмиттера лежит в основе усиления. На возмрж- ность усиления указывает уже то обстоятельство, что в цепи эмиттера ток протекает при очень малом напряжении (десятые доли вольта), а в коллек­торной цепи напряжение на порядок больше и мощность в коллекторной цепи может значительно превышать мощность в эмиттерной цепи. Реаль­ные усилительные схемы наряду с транзисторами содержат ряд других элементов (резисторы, конденсаторы и др.) и являются более сложными устройствами. Они будут подробно рассмотрены далее.

Неучтенные потоки носителей. Кроме рассмотренных основных по­токов носителей имеют место потоки носителей, не влияющие на величину тока коллектора, т.е. не участвующие во взаимодействии:

1. Ток инжекции из базы в эмиттер. При прямом смещении эмитгер- ного перехода происходит также инжекция электронов из базовой области в эмиттерную. В эмиттерной области эти электроны рекомбинируют с дырками. Уход электронов из базы восполняется через базовый вывод, т.е.

(5.5)

инжекция электронов в эмиттер увеличивает ток базы. Инжекция электро­нов учитывается коэффициентом инжекции у в (5.5). Чтобы у был близок к единице, эмиттерный переход выполняют односторонним: концентрация дырок в эмиттере намного превышает концентрацию электронов в базе (р_Р » п„).

2. Токи поверхностной рекомбинации. Процессы рекомбинации на поверхности могут приводить к появлению эмиттерных токов поверхност­ной рекомбинации. Для уменьшения этого тока, а также тока утечки по­верхность полупроводников тщательно обрабатывают (полируют, травят и т.д.), а площадь коллектора делают значительно больше эмиттера, чтобы коллектор перехватывал весь поток дырок.

3. Ток рекомбинации дырок у базового вывода. Инжектированные дырки, оказавшиеся в результате у базового вывода, рекомбинируют с электронами, увеличивая ток базы. Чтобы уменьшить или даже исключить этот ток, базовый вывод располагают настолько далеко от эмиттера, что до него дырки практически не доходят.

4. Обратный ток коллекторного перехода 1_Ко. Этот ток увеличивает коллекторный ток. Однако он мал и очень мало изменяется.

3. Три схемы включения транзистора

Как элемент электрической цепи транзистор может быть включен по-разному. В зависимости от того, какой из внешних выводов является общим для входной и выходной цепей, возможны три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим кол­лектором (ОК). Основные свойства транзистора определяются соотноше­ниями токов и напряжений в выходных и входных цепях.

Рис. 5.4

В этом отношении каждая из схем включения транзистора имеет свои особенности.

Схема с общей базой (ОБ) приведена на рис. 5.4,д. Входным током в этой схеме является ток эмиттера /э, выходным - ток коллектора /_к. Не-

трудно заметить, что принцип действия транзистора был рассмотрен на примере схемы ОБ. Поэтому для ОБ целиком справедливы все полученные ранее соотношения. С учетом теплового тока и основных соотношений

1. и (5.2) в активном (усилительном) режиме связь выходного токае входным может быть представлена в следующем виде:

^вых __ -^К _ ^Ко

/_э /э '

Выходной ток меньше входного, т. е. схема ОБ не может усиливать ток. Но возможно многократное усиление напряжения, только реализуется эта возможность в более сложных схемах - усилительных каскадах, которые будут рассмотрены далее. Схема ОБ используется редко.

Схема с общим эмиттером (ОЭ) приведена на рис. 5.4,6. Входным является ток базы, выходным - ток коллектора.

Отношение тока коллектора к току базы называют коэффициентом усиления тока базы.

Из основных соотношений (5.1) и (5.2) токи

/_к - а/_э, /б — (1 —а)/_э.

Тогда коэффициент усиления тока базы (3 может быть выражен через основной коэффициент передачи тока а:

Р = -^~. (5.7)

1-а

Для приведенных выше значений а = 0,95...0,99 коэффициент Р = 20...100. Таким образом, в схеме ОЭ происходит многократное усиле­ние тока (Р » 1), в отличие от схемы ОБ, в которой выходной ток меньше входного (а < 1). В схеме ОЭ возможно также многократное усиление на­пряжения, но тоже в усилительных каскадах. Но такой результат получил­ся лишь потому, что за входной ток в схеме ОЭ принят ток базы. Все про­цессы в транзисторе при этом остаются неизменными, в частности при из­менении прямого напряжения на эмиттерном переходе происходит инжек- ция в базу, затем - диффузия, экстракция и т.д.

В выходной цепи схемы ОЭ включены последовательно коллек­торный и эмиттерный переходы, поэтому выходное напряжение равно сумме напряжений на этих переходах, а неуправляемый ток коллектора /*к■

(при /_Б = 0) значительно больше, чем /_Ко в схеме ОБ. Это объясняется тем, что ток /к, возникающий в коллекторном переходе, как и в схеме ОБ, сей­час (в схеме ОЭ) протекает последовательно еще через эмиттерный пере­ход в прямом направлении, что неизбежно вызывает понижение потенци­ального барьера, инжекцию дырок из эмиттера в базу, диффузию их к кол­лектору и экстракцию, т.е. увеличение тока коллектора сверх /к₀ за счет взаимодействия с эмиттерным переходом.

Количественно величина I _Ко легко находится из (5.6) при оборван­ной базе (/б = 0). При этом остается одна цепь, в которой токи на всех уча­

стках одинаковы и приняты за /_Ко (/_к = /_Ко, /э ⁼ /*к₀)^:

/ Ко Ct/*Ko ~ /ко-

Из этого равенства легко найти связь неуправляемого тока I _Ко с а

и ко-

/ко='к_оГ^ = /ко(1 + Р)- (5-8)

1-а

С учетом неуправляемого тока /к„ для схемы ОЭ выходной ток мо­жет быть записан в следующем виде:

/_К=Р-/б+4>- (5-9)

Схема ОЭ используется очень широко. Она является основной схе­мой включения транзистора в электронных устройствах.

Схема с общим коллектором ЮЮ приведена на рис. 5.4,в. Входным является ток базы /_Б, выходным - ток эмиттера /_э. Отношение выходного тока к входному мало отличается от аналогичного отношения схемы ОЭ:

^вых _ IЭ __ 1 = 1 + В /вх h 1-а

Неуправляемый ток имеет то же значение 1*_Ко, т.к. при /_Б = 0 цепь протекания тока остается прежней. Для схемы ОК выходной ток /э может быть записан в следующем виде:

/_э=(1 + Р)/_Б+/к₀. (5.10)

В схеме ОК выходное напряжение почти равно входному (за выче­том прямого напряжения на эмиттерном переходе). Схема ОК не может усиливать напряжение, но многократно усиливает ток. Эта схема исполь­зуется редко.

4. Статические характеристики транзистора

Взаимозависимость токов и напряжений на входе и выходе транзи­стора может быть выражена семействами статических характеристик. № всех возможных характеристик наибольшее распространение получил* входные и выходные характеристики. Из них могут быть получены все сведения, необходимые для практического использования транзисторов.

Статические характеристики в схеме ОБ. Выходные (или коллек­торные) характеристики представляют зависимость тока коллектора от на­пряжения коллектора при постоянном токе эмиттера:

⁷К ^j/rj=const

На рис. 5.5,а приведены выходные характеристики маломощного транзистора. Для транзистора р-п-р типа ток /к и напряжение отрица­тельны, для транзистора п-р-п типа - положительны. Однако характери­стики принято изображать в первом квадранте для обоих типов без учета полярности токов и напряжений. Каждая выходная характеристика - это обратная ветвь вольт-амперной характеристики коллекторного р-п перехо­да, смещенная на величину а1_Э, и в соответствии с (5.6) ток /к не зависит от напряжения U_Kб. Практически же ток коллектора немного увеличива­ется с ростом напряжения С/кб и характеристики имеют незначительный наклон.

Рис. 5.5

Рост тока коллектора с ростом напряжения обусловлен модуляцией толщины базы (эффектом Эрли). Модуляция толщины базы - уменьшение толщины базы при увеличении напряжения на коллекторном переходе,

смещенного в обратном направлении. Ширина коллекторного перехода увеличивается при увеличении [/_КБ. Расширение коллекторного перехода идет в основном в сторону базы и уменьшает ее толщину. Уменьшение вы­зывает ряд дополнительных явлений, одним из которых является увеличе­ние, в соответствии с (5.5), коэффициента а (при этом уменьшается доля рекомбинированных в базе дырок). Увеличение а и обусловливает рост тока коллектора (наклон характеристик) при увеличении t/кв- Наклон вы­ходных характеристик учитывают введением дифференциального сопро­тивления коллекторного перехода параллельно коллекторному переходу.

с1C/,

r_v =

к ,.

di_K

Д U_K

/3 -const А/КБ

(5.11)

/ э =const

Величина а при этом считается не изменяющейся. Усредняя г_к, можно ха- рактеризовать семейство выходных характеристик ОБ достаточно строгим соотношением [3]:

/_к =а/_э+/_Ко +%&-. (5.12)

гк

На практике последний член в (5.12) часто не учитывают (из-за его малости) и пользуются упрощенным выражением (5.6).

Пример 5.1. Вычислить величину г_к по построениям приращений на рис. 5.5.

10 В

Решение: r_v =

^К А/_к

. _1Л . 0,1 мА

/ э=12мА ⁹

- = 100 кОм.

Д*У_КБ = 14В-4 В = 10 В. Д/к «0,1 мА.

Особенностью выходных характеристик ОБ является сохранение то­ка неизменным при уменьшении {/«в до 0. При этом экстракция всех по­дошедших к коллекторному переходу дырок осуществляется внутренним полем перехода (потенциальным барьером) и ток коллектора не уменьша­ется. Уменьшить ток /к до нуля можно, только изменив полярность напря­жения £/кб, ^как показано пунктиром на рис. 5.5,а.

Входные (или эмиттерные) характеристики представляют зависи­мость тока эмиттера от напряжения эмиттера при постоянном напряжении на коллекторном переходе:

⁷Э У(^ЭБ ^£/к_Б = const ’

На рис. 5.5,6 приведены входные характеристики маломощного транзистора. При С/кв ⁼ 0 входная характеристика - это прямая ветвь вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода. При увеличении напряжения С/_КБ входные характеристики смещаются в сторону оси тока /э-

Одной из причин этого смещения является та же модульная ширина базь.. которая при постоянном токе эмиттера приводит к уменьшению напряже­ния Uэб, а при постоянном t/эв - к увеличению /э- Ток /э и напряжение Uy для р-п-р транзистора положительны.

Статические характеристики в схеме ОЭ. Выходные характеристик* представляют собой зависимость тока коллектора /к от напряжения межд' коллектором и эмиттером ^ПР^И постоянном токе базы:

f КЭ )(/_Б = const *

На рис. 5.6,а приведены выходные характеристики ОЭ того же траь зистора, что и на рис. 5.5,а. Это тоже обратные ветви коллекторного neD*- хода, смещенные в соответствии с (5.9) на величину Р /б.

а б

Рис. 5.6

Модуляция толщины базы в схеме ОЭ обусловливает больший на­клон выходных характеристик, чем в схеме ОБ, по причине взаимодейс^т вия с эмиттерным переходом: приращения тока коллектора проходят чере эмиттерный переход, вызывают понижение потенциального барьера, № жекцию дырок из эмиттера в базу, диффузию и, экстракцию. Результи­рующее приращение будет больше первоначального в (/ + Р) раз (точно таг же, как /_Ко увеличивается до f _Ко⁼ О + РУко)- Следовательно, дифференци­альное сопротивление коллекторного перехода в схеме ОЭ

Г_к = ДU_K3 /Д/к |/_Б —const >

(5.13

будет в (1 + Р) раз меньше, чем в (5.11):

(5.13')

С учетом наклона характеристик и усреднения г _к, выходные характери­

стики ОЭ могут быть описаны более строгим соотношением (подобным

которое можно определить, экстраполируя коллекторные характеристики транзистора (начиная с Uю = 0) (см. рис. 5.6,а).

Решение: АС/кэ ⁼ 12В-6В = 6В, Д/к»0,5мА. = 6В/0,5 мА =

= 12 кОм.

Минимальное значение тока /_к, равное /_Ко, получается при токе базы, равном -/_Ко, следовательно, при изменении тока базы от 0 до -/«₀ транзи­стор в схеме ОЭ управляется обратным током базы (эмиттерный переход при этом остается смещенным в прямом направлении вследствие смеще­ния входной характеристики), однако этот диапазон токов мал (между ха­рактеристиками с /_к = /ко и /_к = / ко) и практическое значение его весьма незначительно. На практике последним членом в (5.14) также иногда пре­небрегают (но здесь это пренебрежение дает большую ошибку, чем в ОБ, поэтому не всегда может быть принято) и используют упрощенное соот­ношение (5.9).

Выходные характеристики ОЭ расположены полностью в первом квадранте, и практически все характеристики проходят через нуль. Обу­словлено это тем, что напряжение на коллекторном переходе всегда мень­ше выходного £/кэ на величину напряжения между базой и эмиттером (У_БЭ. Поэтому нулевое смещение на коллекторном переходе, соответствующее оси токов на рис. 5.5,а ({У_КБ = 0), достигается при ненулевом £/_Кэ, равном по величине С/бэ (tfe измеряется десятыми долями вольта). При нулевом же выходном напряжении U_Kэ коллекторный переход оказывается уже смещенным в прямом направлении (при этом оба перехода включены па­раллельно) и появившийся ток инжекции коллекторного перехода направ­

ил 2) для ОБ):

(5.14)

где т£ - усредненное значение сопротивления коллекторного перехода,

ср

^ГКср (Л4

^кэ =

(5.13")

Пример 5.2. По приращениям на рис. 5.6 вычислить г к при С/кэ ⁼

= 12 В.

лен встречно току экстракции. Результирующий ток /к при этом прак­тически равен нулю. Ток /_к и напряжение U_Kэ для р-п-р транзистора отри­цательны.

Входные характеристики ОЭ представляют собой зависимость тока базы от напряжения между базой и эмиттером С/_Бэ при постоянном выход­ном напряжении £/«э:

⁷Б =/(^бэ)| и_{кэ =const}-

На рис. 5.6,6 приведены входные характеристики того же транзис­тора. По виду они аналогичны входным характеристикам ОБ (см. рис.

6. . Входное напряжение ОЭ по величине равно входному напряжению ОБ, лишь полярность его противоположная (С/_Бэ ⁼ ~£/эб)- Однако входной ток ОЭ (/б) в (1 + (3) раз меньше тока /_э. При увеличении напряжения £У_Кэ входная характеристика смещается в сторону оси напряжений. Одной из причин этого смещения также является модуляция толщины базы. Ток /_Б и напряжение £/_Бэ для транзистора р-п-р отрицательны.

5. Предельные режимы (параметры) по постоянному току транзистора

При работе транзистора постоянные токи и напряжения огра­ничиваются предельными режимами, превышение которых приводит к бы­строму выходу транзисторов из строя. В паспортных данных указываются так называемые допустимые значения, которые определяются с запасом по отношению к предельным режимам и гарантируют надежную работу тран­зистора вплоть до допустимых значений. Основными ограничениями, тре­бующими специального учета, являются:

(Укб.лоп, t/кэдоп - максимально допустимые напряжения на коллекторе в схемах ОБ и ОЭ, ограничиваются пробоем коллекторного перехода;

Ряоп - допустимая мощность рассеяния {Р_рк = I_K-Uк), при которой температура коллекторного перехода не превышает допустимой;

^кдоп - максимальный допустимый ток коллектора, ограничиваю­щийся площадью перехода S_ncp и допустимой плотностью тока j:

/к доп ~ *^перУ*

Для кремниевых переходов j ~ 1 А/мм². Для германиевых переходов j « 0,5 А/мм². Кроме того, /к_ДОп ограничивается допустимой мощностью рассеяния при заданном напряжении на коллекторе (1/_КБ или U_K3).

6. Малосигнальные параметры и эквивалентные схемы транзистора

Часто транзистор используется в таком режиме, когда токи и напря­жения быстро изменяются на малую величину (Д/, Д U) около значительно большего постоянного значения (/, U). При этом в активном режиме боль­шое значение имеет реакция транзистора на эти малые приращения ДI, AU. В большинстве случаев выполняется соотношение

M«I, AU«U.

Такой режим называют малосигнальным (или режимом малого сиг­нала). С другой стороны, статические характеристики в общем нелинейны и для постоянного тока транзистор является существенно нелинейным элементом. Однако в некоторой части характеристики могут быть пред­ставлены отрезками прямых. Это означает, что для не очень малых прира­щений (изменений) токов А1 и напряжений AU транзистор можно считать линейным элементом, свойства которого описываются малосигнальными параметрами. Для малых приращений транзисторы могут быть представ­лены линейными эквивалентными схемами, которые широко используются для анализа и расчета схем на транзисторах. При дальнейшем рассмотре­нии транзисторов и транзисторных схем следует всегда различать свойства транзистора по отношению к малым приращениям ДI, AU (малым сигна­лам) и свойства транзистора по отношению к постоянному току / и напря­жению U. Эти свойства существенно отличаются, поэтому малосигналь­ные параметры нельзя применять для анализа и расчета режима по посто­янному току, и наоборот. На практике используются две разновидности малосигнальных параметров:

1. Внутренние параметры транзистора, учитывающие физические процессы в транзисторе.

2. Четырехполюсниковые параметры транзистора, учитывающие лишь внешние свойства транзистора, проявляющиеся во взаимодействии с другими элементами.

Обе эти разновидности имеют свои преимущества и недостатки, ни одна из них не обладает решающими преимуществами, обеспечивающими монопольное применение. Практически обе разновидности равноправны и обе используются как в практических расчетах, так и в учебной литерату­ре. Поэтому необходимо знать обе системы параметров.

Внутренние параметры. Достаточно полно физические процессы ак­тивного режима в транзисторе для приращений отражают следующие па­раметры:

1. гэ - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, смещенного в прямом направлении. Как и дифференциальное сопротивде-

ние диода, г_э может быть определено из входных характеристик по прира­щениям (приближенно):

а также из теоретической вольт-амперной характеристики для эмиттерного перехода (так же, как R-, в главе 4):

Пример 5.3. Вычислить а_и, а_д в точке А выходных характеристик ОБ (см. рис. 5.5,а) с координатами /кл = 11,8 мА, 1_ЭА = 12 мА, (Укбл = 4 В.

Д/ю* = 3,9 мА, а_д = 3,9/4,0 = 0,97. а_д « а_и.

Коэффициент а_д отражает процесс диффузии инжектированных ды­рок и управление коллекторным током. В общем случае коэффициент а_д из (5.16) отличается от коэффициента а из (5.2), который может быть на­зван интегральным коэффициентом передачи тока (<х_и). Однако это разли­чие в большинстве случаев несущественно, поэтому в дальнейшем разли­чие между ними не будет учитываться, т.е. принимается а_д « а_и.

2. г_к — дифференциальное сопротивление коллекторного перехода:

отражающее наклон выходных характеристик в схеме ОБ в связи с моду­ляцией толщины базы и выведенное ранее, при рассмотрении статических (выходных) характеристик в схеме ОБ, там же найдено г_к= 100 кОм.

Величина г_к находится в пределах от 100 кОм и более.

3. г_Б - объемное сопротивление базы. Это обычное (омическое) со­противление базового слоя протеканию тока базы к базовому выводу. Оно зависит от размеров и удельного сопротивления базовой области и нахо­

(5.15)

Пусть /_к « /э = 5 мА, ср_т = 25 мВ. Из (5.15) г_э = 5 Ом.

На практике, как правило, г-, находится из (5.15).

4. а_д - дифференциальный коэффициент передачи тока:

(5.16)

Решение: а_и

/|

^гк/ _П,8/ /1_Э - /12

= 0,98. Д/_э = (12 - 8) мА = 4 мА,

/

dt/.

\

дится в пределах 50-200 Ом (ток базы протекает вдоль тонкого слоя базы).

5. Цэк - коэффициент внутренней обратной связи по напряжению, отражающий влияние коллекторного напряжения на эмиттерное в связи с модуляцией толщины базы:

dt/эв

М-эк

d U

КБ

/ э =const

Коэффициент Цэк мал: от 2-10'⁴ и менее. Знак минус означает, что увеличе­ние С/кб (по модулю) уменьшает U-_)b. Ввиду малости |Л-_Ж может не учиты­ваться.

6. Ско - барьерная емкость коллекторного перехода, приводится в справочниках для указанного там же напряжения [/к₀- Для другого напря­жения U_K емкость С_к([/к) вычисляется по формуле С_к =С_Ко • ^jU_Ko /U_K , где п = 2 для ступенчатого перехода, п = 3 для плавного перехода.

Рис. 5.7

Т-образная эквивалентная схема. Т-образная эквивалентная схема с внутренними параметрами для схемы ОБ приведена на рис. 5.7,а. Эта схе­ма отражает физические процессы в транзисторе для малых приращений в активном режиме и дает правильное соотношение при расчетах. Однако эта эквивалентная схема совершенно непригодна для анализа режима по постоянному току. Вместо приращений на эквивалентных схемах принято приводить переменные составляющие малой величины U и / Иногда вме­сто Цэк U2 вводят добавочное сопротивление в цепь базы г_у>", называемое диффузионным сопротивлением базы, такой величины, чтобы на г_Б" выде­лялась часть напряжения U₂, равная и-_ж U₂. Однако при этом необходимо уменьшать величину г_э, чтобы не изменилось входное сопротивление транзистора. Ввиду малости Цэк> а также для максимального упрощения эквивалентной схемы и расчетов по ней (что, на наш взгляд, является бо-

лее важным фактором) в дальнейшем ни генератор Цэк U₂, ни г_Б" в эквива­лентные схемы вводиться не будут. •.

На рис. 5.7,6 приведена Т-образная эквивалентная схема для схемы

ОЭ. Элементы схемы те же, что и на рис. 5.1,а. Генератор обратной связи уже не включен в схему. В связи с тем, что входным током является /_Б, ге­нератор тока в выходной цепи а г'э заменен на равноценный ему генератор тока р /_Б.

Сопротивления г_к*, г_к связаны соотношением (5.13), а емкости С\, Ск - соотношением

■ С*к = С_к(1+р). (5.17)

К недостаткам Т-образной эквивалентной схемы относят невозмож­ность непосредственного измерения внутренних параметров (точка Б' на­ходится внутри базовой области). Однако, как показано ниже, определение внутренних параметров не вызывает затруднений.

Э ^гэ

К Б ^ге

Б'

г _Б

Р(Б

Гэ

Рис. 5.8

Упрощенные эквивалентные схемы. В большинстве практических схем сопротивления гк , г_к могут не учитываться. Кроме того, при работе транзисторов на низких частотах могут не учитываться и емкости коллек­торного перехода С к, Ск- Упрощенные эквивалентные схемы приведены на рис. 5.8.

1. Зависимость внутренних параметров транзистора от режима и от температуры

Зависимость от режима. Режим определяется током /_э и напря­жением /Ук- От величины /_э и С/_к зависят все внутренние параметры. Одна­ко некоторые зависят слабо (г_Б, г_к), да и роль самих параметров в работе транзисторов не одинакова. Поэтому при практическом применении тран­зисторов достаточно учитывать лишь зависимости, существенно влияю­щие на работу транзистора. Таковыми являются: г_э (/_э) - зависимость дифференциального сопротивления эмиттерного перехода, которая отра­

99

жена формулой (5.15) и представлена на рис. 5.9,а; а (7_Э) - зависимость ко­эффициента передачи тока а от тока /э- В настоящее время нет точного объяснения этой зависимости. В основе ее лежат многие неучтенные в тео­рии процессы. Экспериментальная зависимость представлена на рис. 5.9,а фафиком (3 (/э). Вид кривых Р (/_э) существенно различен для разных типов транзисторов. Общим для всех транзисторов является возрастание коэф­фициента усиления с увеличением /э на участке I. При этом даже для ма­ломощных транзисторов участок I может занимать интервал от десятых долей миллиампера у одних транзисторов до десятков миллиампер у дру­гих транзисторов, а для мощных транзисторов - до сотен миллиампер.

На участке II около максимального значения р_тах коэффициент из­меняется мало. Этот участок также неодинаков для разных типов транзи­сторов и может охватывать интервал токов /|_1пшх от единиц до десятков миллиампер для маломощных транзисторов и до сотен миллиампер для мощных транзисторов.

Затем с увеличением тока /_э происходит монотонное уменьшение коэффициента р вплоть до весьма малых значений.

Зависимость от температуры. Температурные влияния на диод, рас­смотренные в главе 4, целиком имеют место и в транзисторе. В частности, обратный ток коллекторного перехода /_Ко возрастает в соответствии с вы­ражением (3.11)

(-20

(А<о)г ⁼(^Ко)20°С -2 ¹⁰ ,

а входная характеристика изменяется так же, как прямая ветвь диода, т.е. прямое напряжение при увеличении температуры уменьшается на

100

2. мВ/град, т.к. ТКН « -2 мВ/град. От температуры зависит также величина всех внутренних параметров, но наиболее существенными, требующими обязательного учета (наряду с учетом /_Ко и ТКН входной характеристики), являются:

(3(7) - зависимость коэффициента усиления тока базы от температу­ры, представленная экспериментальным графиком на рис. 5.9,6 (прибли­женно можно считать, что (3 изменяется на 0,5 % на 1 град, изменения тем­пературы);

/-•)( Т) - зависимость дифференциального сопротивления эмиттера от

КТ ®т-

температуры. В соответствии с (5.15) г_э = = она линеина

Ч-Iэ ⁷э

(рис. 5.9,6).

Зависимости (5(7), /_Ко('Г), г_э(Т) и ТКН входной характеристики назы­вают прямым влиянием температуры на свойства транзистора.

а б

Рис. 5.10

Рост коэффициента (3 и тока /к₀ приводят к существенному из­менению выходных-(и входных) характеристик (рис. 5.10). Но изменение тока коллектора (при постоянном /_Б) с изменением температуры, в свою очередь, вызывает уже режимные изменения параметров, которые называ­ют косвенным влиянием (через режимное влияние) температуры, т.к. пер­вопричиной их является температура. Результирующее влияние темпера­туры будет складываться из прямого и косвенного.

2. Четырехполюсниковые A-параметры транзистора и эквивалентная схема с /«-параметрами

Четырехполюсниковые /г-параметры транзистора получены на осно- ве теории четырехполюсников, согласно которой любую линейную систе- му с неизвестной структурой (часто называемую «черным ящиком») мож- но представить четырехполюсником с параметрами, отражающими взаи- модействие «черного ящика» с другими элементами. Ценным в этой тео- рии является то, что параметры четырехполюсника («черного ящика») мо- гут быть определены по внешним измерениям, в частности по опытам хо- лостого хода и короткого замыкания на входе и выходе четырехполюсни- ка. Из всех возможных взаимосвязей входных и выходных величин четы- рехполюсника для транзисторов более подходящей является смешанная система, в которой за независимые принимаются входной ток 1\ и выход- ное напряжение U₂ (рис. 5.11,а). Величины U|, 1₂ - это функции первых двух величин:

U_i=f_l(I_]-,U₂),

h=Mh\U₂)-

(5.18)

Для полных значений токов и напряжений транзистор является не­линейной системой и уравнения (5.18) определяют координаты точки на статических характеристиках.

и>

Рис. 5.11

Малые приращения токов ДI для линейных участков характеристик связаны линейной зависимостью с приращениями Д U:

AU,

Ж

дI

М₂Л

5/,

■Д/, +

д/, +

Ж.

dU₂ df₂ dU,

■ли_?,

■A U-,

(5.19)

Производные, являющиеся коэффициентами в системе линейных уравнений (5.19), обозначают h_u, h_n, h_2l, h₂₂ (читаются /г-один-один, й-один-два и т.д.).

102

Заменяя приращения малыми переменными составляющими щ, i_|( м_г, i₂, можно вместо (5.19) записать общепринятую малосигнальную систему уравнений транзистора с /г-параметрами, соответствующую линейному че­тырехполюснику (рис. 5.11,6):

“1 =^h\\'к ^+hn ' h - Ьц ' *1 + ^22

(5.20)

Коэффициенты в (5.20), называемые /г-параметрами, имеют следую­щий смысл:

Ап - входное сопротивление при коротком замыкании на выходе,

^п\\

и.

A U

А/,

U о =const

и 2^0

hn - коэффициент обратной связи по напряжению при холостом хо­де на входе,

U |

AU,

il= о

A U₂

h₂\ - коэффициент передачи тока в прямом направлении при корот­ком замыкании на выходе,

"21

, А1₇ А/,

U 2 =const

h₂2 - выходная проводимость при холостом ходе на входе,

h22=^

!=0

At/,

/] =const

и определяются измерениями токов iu h и напряжениями и_ии₂ во внешних выводах. Простота осуществления режимов короткого замыкания на выхо­де (достаточно включить на выходе емкость не очень большой величины) и холостого хода на входе (достаточно включить во входную цепь индук­тивность не очень большой величины) по переменной составляющей (по­стоянные составляющие при этом могут быть любые) обусловила преиму­щественное использование A-параметров из всех возможных (у-пара- метров, z-параметров и др.).

Эквивалентная схема с A-параметрами, соответствующая системе уравнений (5.20), приведена на рис. 5.12. Направления токов соответству­ют принятым в теории четырехполюсников. Эквивалентная схема одина­кова для всех трех схем включения транзистора, но величины элементов схемы (величины A-параметров) будут разные. Поэтому для каждой схемы включения A-параметры снабжаются индексами: Б - для схемы ОБ, Э - для схемы ОЭ, К - для схемы ОК. Например, Ацб, A₂o и т.д.

В справочниках приводятся й-пара- летры для схемы ОБ или ОЭ, измеренные типовом режиме транзистора на низкой астоте (до 800 Гц). Пересчет /г-парамет- юв из одной схемы в другую произво­дится по готовым формулам. Часть этих юрмул приведена в табл. 5.1.

U,

0

h nU2

h

0^Й22 и₂

h\i\

Рис. 5.12

Таблица 5.1

Формулы пересчета й-параметров

Если предполагаемый режим транзистора не соответствует типово­му, то /г-параметры должны быть определены заново в этом режиме.

Поскольку теоретический пересчет /г-параметров из типового в вы­бранный режим довольно сложен (зависимость /г-параметра от режима имеет сложный вид), производится непосредственное измерение /г-пара­метров в выбранном режиме. Приближенно /г-параметры могут быть опре­делены для любого режима по статическим характеристикам.

1. Определение /i-параметров по статическим характеристикам

Коэффициенты /г₂ь h₂2 определяются по выходным характеристикам, Ап, h\i ~ по входным. На рис. 5.13,а указана точка А на выходных характе­ристиках в схеме ОЭ, в которой нужно определить /г-параметры.

104

Рис. 5.13

Режим точки А характеризуется токами 1ка, Ьа и напряжением U\oa- В соответствии с выражением (5.20) и пояснениями к нему параметры по построениям на характеристиках определяются следующим образом:

^Й21Э = '

^22Э = '

^иКЭА

Отрезки DA, ВС определены в соответствии с масштабами по оси то­ков /к, АС - по оси напряжений (У_кэ Отрезок АС параллелен оси напряже­ний, отрезок АВ лежит на оси, касательной к характеристике в точке А.

Коэффициенты h_m, h_]2 в той же точке А на входных характерис­тиках ОЭ (режим точки А - 1_ЪА, [/_Бэа, U_K3a), приведенных на рис. 5.13,6, определяются следующим образом:

Д U

"пэ =

БЭ

Д/_Б

Д^БЭ

ТУ кэ =const

АЕ

' EF

Д U

кэ

^иКЭА

АЕ

^КЭ2

КЭ1

Отрезки АЕ и EF определяются с учетом масштаба по осям. Отрезок АЕ параллелен оси напряжений, отрезок AF находится на касательной к характеристике в точке А. В других схемах (ОБ и ОК) /i-параметры опре-

105

деляются точно также, по соответствующим характеристикам, но нужно сравнивать фактические направления токов с направлениями токов четы­рехполюсников. В схеме ОБ, например, выходной ток 1_К (для р-п-р транзи­стора) противоположен току ;₂ четырехполюсника, а входной ток /_э совпа­дает с i|, поэтому /г₂1Б отрицателен. Следует отметить также, что параметр /з]2э определяется из характеристик с большой погрешностью в связи с ма­лостью отрезков АЕ.

2. Связь между внутренними параметрами и /(-параметрами

Поскольку внутренние параметры и /г-параметры отражают одни и те же соотношения в транзисторе, то одни параметры должны однозначно выражаться через другие.

На практике широко используются (например, для определения внутренних параметров по справочным данным) следующие взаимоза­висимости внутренних параметров и /г-параметров [2]:

^а= ^21Б> Р = ^21Э> ^ГК =■

^22Б ^22Э

4зэ /г_пэ =г_Б +г_э(1 + Р).

(5.21)

^22Э ^22 Б

Сопротивление г_э практически всегда находят из (5.15) для любого режима. Сопротивление г_ъ измеряют отдельно (т.к. выражение для г_Б по­лучено при пренебрежении Цэк), или определяют из последней формулы в (5.21), подставляя в нее найденные г_э и р = h₂13, или используют рекомен­дации подраздела 5.6. (п. 4).

Дополнение. При использовании /г-параметров в расчётах и анализе электронных устройств возможны существенные затруднения, связанные с тем, что в реальных схемах, кроме транзистора, нагрузки R_H и источника сигнала e_r, R_n всегда имеется ещё ряд элементов. Теория четырёхполюсни­ков учитывает только четырёхполюсник (с его /г-параметрами) - транзи­стор, нагрузку R_H и источник сигнала е_п R_r. Все остальные элементы схемы нужно включать вместе с /г-параметрами транзистора в новый эквивалент­ный четырёхполюсник. Нужно вычислять новые /г-параметры этого нового эквивалентного четырёхполюсника, а затем в расчётах использовать новые й-параметры. Эта процедура делает невыгодным применение /г-пара­метров: 1) процедура расчёта получается более трудной, чем при исполь­зовании внутренних параметров, 2) механизма (методики) вычисления но­вых /г-параметров просто нет в учебной литературе для нерадиотехниче­ских специальностей.

Однако ft-параметры удобны для производственного контроля: мож­но быстро производить их выборочное измерение. В паспортные данные транзисторов вносят й-параметры. Используя соотношение (5.21), можно по /г-параметрам легко и быстро находить внутренние малосигнальные па­раметры а, (3, гк, г к-

7. Частотные свойства транзисторов.

Дрейфовый транзистор

Полученные выше малосигнальные параметры транзисторов (как внутренние, так и /г-параметры) лишь на сравнительно низких частотах не зависят от частоты. С повышением частоты переменных составляющих часть параметров становится частотно-зависимой (комплексной). Напри­мер, для схемы ОБ частотная зависимость коэффициента передачи тока а(ю) заметна на частотах в сотни килогерц, а в схеме ОЭ частотная зави­симость коэффициента усиления тока р(со) - на частотах в десятки кило­герц. Зависимость параметров от частоты является одним из основных факторов, определяющих пригодность транзистора для использования в том или ином электронном устройстве.

1. Частотно-зависимые параметры

С изменением частоты изменяются многие параметры. Поэтому учесть одновременно все факторы, влияющие на частотные свойства тран­зистора, крайне сложно, да и в этом нет необходимости. Достаточно учесть лишь главные определяющие факторы. В диапазоне частот до сотен кило­герц основное влияние на частотные свойства транзистора оказывают два фактора: зависимость коэффициента а от частоты и барьерная емкость коллекторного перехода.

Зависимость коэффициента а от частоты обусловлена диффу­зионным механизмом движения дырок через базу. Например, если в мо­мент t< задать скачком ток эмиттера А1_Э (рис. 5.14), то инжектированные дырки не сразу окажутся у коллекторного перехода, а лишь через некото­рое время, необходимое для прохождения базы диффузионным способом. Время прохождения дырок через базу характеризуют средним уровнем диффузии /_д (или средним временем пролета носителей через базу). Из-за различия в скоростях диффузии дырки достигнут коллекторного перехода не одновременно (время диффузии каждой дырки будет отлично от сред­него времени диффузии /_д), поэтому ток коллектора будет нарастать до ус­тановившегося значения а.оЛ/э в течение некоторого времени. Это означа­ет, что коэффициент а зависит от времени переходного процесса и дос­

тигает установившегося значения <Хо только после окончания переходного процесса установления новой неравно- весной концентрации дырок по всей базе, как показано сплошной линией на рис.

14. Если ток эмиттера вновь изменить (уменьшить в момент t₂), то ток коллек- тора так и не достигнет установившейся величины а₀А/-₃. Для переменных состав- ляющих токов при увеличении их часто- ты ток коллектора будет уменьшаться по амплитуде при постоянной амплитуде тока эмиттера и будет отставать от тока эмиттера по фазе, аналогично тому, как это показано для приращений на рис.

14. Переходную а (г) и частотную а(со) характеристики получают из операторно- го изображения а(р), которое, в свою

очередь, определяют при решении уравнения непрерывности в базе тран- зистора. Практически широко используют упрощенное операторное изо- бражение [2]:

а(р) =

1 + рх_а

(5.22)

Оригиналом (5.22) является переходная характеристика а(0~ ао(1-е~'^/та), показанная пунктиром на диаграмме тока i_K (см. рис. 5.14) и несколько отличающаяся от реального переходного процесса. Час- тотная характеристика а(со) получается из (5.22) простой заменой операто- ра^ на /ш:

<х₀ а₀

или

а(ш) =

«(/)’

l + jm_a

1+ J

со

си

а_п

l + jf(2nx_a)

1 + j

fa

(5.23)

Ha рис. 5.15 приведена зависимость модуля от частоты:

|а(ш)!=

а₀

(5.23’)

построенная по (5.23')- Частотные свойства транзистора оцениваются гра­ничной частотой со,,. на которой коэффициент jaj уменьшается в л/2 раз. В справочниках для транзисторов приводится граничная частота(Гц, кГц, МГц), связанная с ю„ известным соотношением:

Юа 2я/а.

а₀

а(со) I

ар

V2

Величину т_а, равную 1/ш_а, называют постоянной коэффи­циента а. Она равна среднему времени диффузии [2]:

• tn,

Таким образом, частотные свойства транзистора определя-

0. ’ ¹ ш ются временем прохождения

р_ис 5 | 5 дырок через базу, а параметр т₀

является одним из важнейших (столь же важным для транзистора, как среднее время жизни т).

Из совместного решения уравнений (5.7) и (5.23) получается зависи- мость коэффициента усиления |3 от частоты:

Ро _ Ро

р(ю) = -

I • ^и

\ + J — Юр

1+у'СОТр

Р(/) = -

Ро

Ро

₊ -/ 1 + уЯ2лт_р)’

h

где

(В„

1 + Р’

/р =

1+Р’

1 - a

= (1 + Р)т_а.

(5.24)

(5.25)

(5.26)

Из более строгого теоретического анализа следует [2], что пос­тоянная т_р (т_р = 1/шр) близка по величине к среднему времени жизни т тр * т. Граничная частота/₍₁ коэффициента усиления тока базы, как прави­ло, в справочниках не приводится, а находится из (5.25).

Пример 5.4.

1. Пусть Та транзистора равна 2 МГ ц, найти /р.

f 2 -10⁶

Решение: Согласно (5.25) = «20 кГц, т.е. уже на

^Р 1 + Р 101

частоте в 20 кГц величина I Р | уменьшится со 100 до 70 (в л/2 раза).

2. Для работы в схеме ОЭ необходим транзистор с /р > 50 кГц, (3» ЮО. Выбрать транзистор с необходимой величиной/,.

Решение: Согласно (5.25) /₀ >(l+p)/p = (l00 + l)-50 кГц «5 МГц .

Барьерная емкость С_к (Ск ). Проводимость емкости Ск (или Ск , см. рис. 5.7) растет с повышением частоты, и на высоких частотах в цепь с ем­костью Ск (Ск ) ответвляется заметная доля тока г_к в выходной цепи (ток г_к становится меньше тока Шэ или р/_Б), что эквивалентно уменьшению коэф­фициента усиления тока на высших частотах.

В эквивалентных схемах на высоких частотах используются ком­плексные коэффициенты а(а>), р(а>), а также включается емкость Ск (С_к ), на что будет указано особо в соответствующих разделах курса.

2. Дрейфовый транзистор

От рассмотренного в предыдущих разделах бездрейфового транзи­стора дрейфовый транзистор отличается только тем, что на протяжении всей его базы существует внутреннее электрическое поле - от эмиттера до коллектора (в базе бездрейфового транзистора поля нет). В базе дрей­фового транзистора на инжектированные дырки (из эмиттера) действуют одновременно и сила диффузии, и сила внутреннего электрического поля (движение носителей тока под действием поля называют дрейфом, отсюда и название транзистора - дрейфовый).

Поэтому время прохождения (пролета) базы инжектированными но­сителями т в дрейфовом транзисторе значительно меньше, чем в бездрей- фовом, а частотные свойства его лучше. В частности, граничная частота f_a дрейфовых транзисторов на порядок и более превышает граничную часто­ту бездрейфовых транзисторов (табл. 5.2). Дрейфовые транзисторы обра­зуют группу высокочастотных транзисторов.

Внутреннее электрическое поле в базе дрейфового транзистора обу­словлено неравномерным распределением атомов примени в базе в на­правлении от эмиттера к коллектору, например для р-п-р транзистора кон­центрация доноров уменьшается от эмиттера к коллектору. Из теоретиче­ского анализа следует [2], что при экспоненциальном уменьшении концен­трации доноров (рис. 5.16,а) напряженность внутреннего электрического поля по всей базе одинакова. Именно такое (экспоненциальное) распреде­ление получают при диффузионной технологии получения р-п переходов

(диффузионная технология рассмотрена далее). На рис. 5.16,6 показана широко распространенная конструкция дрейфового транзистора. Базовый слой п получают диффузией доноров из газовой среды (в вакууме, при вы­сокой температуре) в глубь исходной пластины p-типа. Концентрация до­норов максимальна на поверхности n-слоя и убывает в глубь пластины. Коллекторный переход образуется внутри пластины в плоскости измене­ния типа проводимости. Эмиттерный переход получают сплавлением.

Таблица 5.2

Параметры биполярных транзисторов

Рис. 5.16

ш

На рис. 5.17 показано рас- пределение потенциала в транзи- сторе в направлении от эмиттера х коллектору в равновесии (без внешнего смещения). Наличие постоянного электрического поля в базе обусловливает изменение потенциала вдоль базы по линей- ному закону. При подключении внешних напряжений (смещений) изменяются практически только потенциальные барьеры в р-п пе-

Рис. 5.17

реходах на величину внешних напряжений, как это было показано, напри­мер, на рис. 5.13.