твердотіла електроніка / презентації лекцій ТТЕ Холод Т.С / 3тя тема БТ2

Рисунок 3.53 – Струм IE та IK БТ на високих частотах

Для ССБ коефіцієнт передачі струму емітера

де h21Б ( j) - комплексний коефіцієнт передачі струму емітера; IE , IK - комплексні амплітуди струму емітера і колектора. Для транзисторів

частотою БТ. З формули (3.84) бачимо, що на граничній частоті зсув фаз між вхідним і

Рисунок 3.54 – Частотні характеристики БТ у ССБ

При цьому граничні частоти транзистора зі спільною базою і спільним емітером мають такий зв’язок:

З останніх формул випливає, що частотні властивості БТ у схемі зі спільним емітером значно гірші, ніж у схемі зі спільною базою. Для порівняння на рисунку 3.55 зображено частотні характеристики обох схем увімкнення.

Причиною різкого зменшення h21E в ССЕ при збільшенні частоти порівняно з ССБ є не

зростає струм бази IБ (рис. 3.56 б), і тому зменшується коефіцієнт передачі h21E .

З рисунка 3.55 бачимо, що для схеми зі спільним емітером існує так звана частота зрізу fT , на якій модуль h21E дорівнює одиниці:

Рисунок 3.55 – Частотні характеристики БТ у ССБ та ССЕ

42

а) б)

Рисунок 3.56 – Векторні діаграми, що пояснюють зменшення модуля коефіцієнта передачі струму бази

Вплив ємностей переходів і розподіленого опору бази на частотні властивості транзистора

Фізична еквівалентна схема БТ у ССБ на високих частотах показана на рисунку 3.57. На ній враховано вплив бар’єрної ємності КП CK на роботу транзистора. Дифузійна ємність

струм через нього незначний. На низьких частотах реактивний опір ємності CK також великий, і струм через ємність майже не протікає. Але при збільшенні частоти опір ємності

подається в довідниках.

43

Рисунок 3.57 – Фізична еквівалентна схема БТ зі спільною базою на високих частотах

3.3.5 Робота біполярного транзистора у ключовому режимі

Дуже поширеними в електроніці є імпульсні схеми, в яких транзистор працює в ключовому (імпульсному) режимі. У цьому режимі на вхідний електрод БТ подається імпульсна напруга (струм) великої амплітуди, і тоді транзистор працює як комутатор, що має два граничні положення – замкнуте (режим насичення) і розімкнуте (режим відсічки).

Рисунок 3.58 – Нормально розімкнений ключ на транзисторі

Розглянемо нормально розімкнений електронний ключ на БТ, схему якого показано на рисунку 3.58. Цей ключ призначено для замикання і розмикання кола навантаження за допомогою імпульсів, що надходять від генератора сигналів керування. Опір RK

вибирається з розрахунку, щоб вихідна навантажувальна пряма перетинала круту дільницю вихідних статичних характеристик (точка В на рисунку 3.59). Опір RБ в базовому колі

керування, як правило, значно більший за вхідний опір транзистора. Внаслідок цього струм у базовому колі практично не залежить від величини вхідного опору транзистора (опору ЕП і розподільного опору бази rБ ), і з великою точністю можна вважати, що керування роботою

ключа здійснюється за допомогою струму бази.

За відсутності імпульсу керування під дією джерела EÁ транзистор перебуває у РВ, тобто у закритому стані, і робоча точка знаходиться на динамічній характеристиці (рис. 3.59) у положенні А. При цьому струм бази IБ (IEБ0 IКБ0 ) IКБ0 , струм колектора IК IКБ0 , напруга на колекторі UKE EK IКБ0 RK EK . Коло навантаження розірване, тому в такому

стані довільний вхідний сигнал Uвх може без спотворення і послаблення пройти на вихід

схеми, тобто транзистор не шунтує (не закорочує) цей сигнал на корпус. Розподіл концентрації дірок у базі БТ у цьому режимі показано на рисунку 3.60 а кривою для моменту t0 . Концентрація неосновних носіїв у базі мала, опір бази і всього БТ великий.

44

Рисунок 3.59 – Переміщення робочої точки в ключовому (імпульсному) режимі транзистора

Рисунок 3.60 – Розподіл концентрації дірок у базі БТ у ключовому режимі

У момент t1 в базу БТ подається негативний імпульс струму (рис. 3.61), ЕП вмикається в

прямому напрямі, дірки з емітера інжектуються до бази. ЕП переходить до активного режиму роботи, робоча точка рухається вздовж навантажувальної прямої від т. А до т. В, наближаючись до області режиму насичення (РН). Струм бази в момент t1 різко зростає до

значення IБнас , і концентрація дірок у базі біля ЕП збільшується. Але струм колектора

починає змінюватися лише через деякий час задержки, який потрібно затратити діркам, щоб подолати відстань між емітером і колектором. Через певний час дифундуючі до колектора дірки заповнюють базу, градієнт їх концентрації біля КП збільшується, і струм колектора зростає (крива t2 на рисунку 3.60 а). У момент t3 транзистор наближається до РН, розподіл

концентрації дірок у базі стає лінійним, наростання струму колектора IК сповільнюється

IКнас (EK UKE ) / RK EK / RK . Напруга на КП UКБ UКЕнас UБЕ 0 , і КП вмикається у прямому напрямі. Починається інтенсивна інжекція дірок з колектора до бази, їх концентрація біля КП зростає, стає більшою, ніж рівноважна (рис. 3.60, крива t4 ). Градієнт

дірок у базі в РН залишається постійним, і струм колектора більше не наростає (рис. 3.61).

У момент t5 імпульс керування в базі БТ закінчується, і прилад поступово повертається

до свого початкового стану. Починається процес розсмоктування дірок у базі за рахунок їх екстракції до областей емітера і колектора. Зміна знака градієнта концентрації біля ЕП (крива t5 на рисунку 3.60) і перехід дірок до області емітера викликають зміну напряму

(від моменту t5 до моменту t7 ) концентрація дірок у базі біля ЕП та КП зменшується таким чином, що градієнт їх концентрації залишається постійним (криві t6 і t7 на рисунку 3.60 б), і тому струм IБ та IK не змінюється. Після того як концентрація дірок у базі біля КП і ЕП досягає рівноважного значення ( pn0 ), градієнти їх концентрації починають зменшуватись, і це викликає зменшення струмів бази і колектора до початкових значень IБ0 = IKБ0 та IK0 =

IKБ0 , характерних для РВ.

45

На тривалість переднього і заднього фронтів вихідного імпульсу струму (рис. 3.61) суттєво впливають частотні властивості БТ. Чим вища гранична частота транзистора, тим вища його швидкодія в ключовому режимі. Крім того, швидкодія БТ у режимі перемикання збільшується при збільшенні коефіцієнта передачі струму h21E (або збільшенні амплітуди

імпульсу струму бази – імпульсу керування). З метою підвищення граничної частоти транзистори виконують з малими ємностями переходів, а також, оскільки на швидкість розсмоктування впливає не лише екстракція, а й рекомбінація, зменшують середню тривалість життя неосновних носіїв шляхом введення до бази домішок, що прискорюють рекомбінацію (наприклад, золото у кремнієвих БТ).

Рисунок 3.61 – Часові діаграми струму БТ у ключовому режимі

3.4 Деякі різновиди біполярних транзисторів

3.4.1 Одноперехідний транзистор

Одноперехідний транзистор, або двобазовий діод (рис. 3.62), - це біполярний прилад, що працює в режимі перемикання. P-n перехід, що відокремлює високолеговану область емітера від низьколегованої базової області, поділяє останню на дві частини: нижню з довжиною l1 і верхню базу з довжиною l2 . Струм емітера при прямому ввімкненні цього

переходу містить здебільшого лише діркову складову, і тому перехід називається інжектором. Принцип дії приладу ґрунтується на зміні об’ємного опору бази під час інжекції.

На омічні контакти верхньої і нижньої баз подається напруга, що викликає протікання через прилад струму I2 . Цей струм створює на опорі нижньої бази спад напруги Uвн , який

вмикає p - n перехід у зворотному напрямі.

Рисунок 3.62 – Будова одноперехідного транзистора

46

Через закритий перехід протікає його зворотний струм I10 (рис. 3.63). Під час прикладення до входу транзистора напруги U1 Uвн перехід не відкривається, і малий струм I10 залишається практично незмінним. Транзистор перебуває у закритому стані.

При U1 Uвн перехід вмикається прямо, і починається інжекція дірок до баз, внаслідок чого їх опори зменшуються. Це приводить до зменшення спаду напруги Uвн , подальшого відкривання переходу, збільшення струму I1 , подальшого зменшення опорів баз і т.д. Починається лавинний процес перемикання транзистора, що супроводжується збільшенням емітерного струму I1 і зменшенням спаду напруги між емітером і нижньою базою (U1 ). На

вхідній статичній характеристиці виникає ділянка з негативним диференціальним опором (рис. 3.63 а). Внаслідок процесу перемикання транзистор переходить до відкритого стану. У цьому стані прилад перебуватиме доти, поки інжекція дірок через перехід буде підтримувати

резистор. При I1 0 вихідні характеристики набирають нелінійного характеру, оскільки результуюча напруга на переході змінюються при зміні вихідного струму I2 .

I1

Одноперехідні транзистори використовуються у різноманітних імпульсних схемах

випливає, що для роботи на високих частотах БТ повинен мати малий розподілений опір

сплавний спосіб не застосовують, оскільки він не дозволяє отримати вузьку базу (малий опір

дифузійного введення домішок. Глибина проникнення атомів домішок у напівпровідниковий кристал залежить від тривалості процесу дифузії та виду дифундуючих домішок. При цьому в кристалі створюється нерівномірний розподіл домішок від поверхні до глибини. Це сприяє

збільшенню концентрації домішок у базі біля ЕП і, як наслідок, зменшенню r . Відносне

Б

зменшення концентрації домішок біля КП приводить до зменшення його бар’єрної ємності за рахунок розширення переходу в бік бази, а також до збільшення пробивної напруги колектора.

47

Прикладом транзисторів, виготовлених за дифузійною технологією, є дрейфові транзистори. У базах цих транзисторів створюється експоненціальний розподіл донорних домішок, концентрація яких зменшується від емітера до колектора (рис. 3.64).

Рисунок 3.64 – Розподіл концентрації донорних домішок у базі дрейфового БТ

Внаслідок іонізації атомів домішок у базі виникає так зване вбудоване електричне поле, спрямоване від емітера до колектора. Це поле збільшує швидкість руху дірок через базу. Завдяки цьому усувається суттєвий недолік сплавних транзисторів з точки зору частотних властивостей, тобто зменшується час прольоту дірок через базу. Ємність КП у таких транзисторах мала, тому що він має велику товщину.

Існують також дифузійно-сплавні транзистори, в яких області колектора і бази виготовляють шляхом дифузії домішок, а ЕП – вплавленням домішок. Розподіл концентрації донорів у базі таких транзисторів подібний до розподілу домішок у базі дрейфового транзистора. Різновидністю таких транзисторів є мезатранзистори із столоподібною структурою (рис. 3.65).

Рисунок 3.65 – Структура мезатранзистора

Поширеним сучасним способом виготовлення високочастотних транзисторів є так звана планарна технологія, яка розглядатиметься докладно у розділі з мікроелектроніки.

прикладена до ЕП;

-до того, що падіння напруги на ЕП виявляється нерівномірним, і це приводить до зростання густини емітерного струму біля краю емітера, в той час як середня частина емітера не працюватиме:

-до зміни умов на випрямних контактах, що приводить до перерозподілу носіїв заряду в

базі;

-до перерозподілу товщини КП з боку бази ( КПБ ) і з боку колектора ( КПК ) - КПБ <

КПК , що порушує нормальну роботу транзистора;

-до того, що з метою нормального підсилення потужності такі БТ необхідно розраховувати на більші напруги;

-до необхідності збільшення площ переходів;

-до необхідності ефективного тепловідведення з причини підвищення небезпеки теплового пробою.

48

При виготовленні потужних БТ використовується сплавна, дифузійно – сплавна (у так званих конверсійних транзисторах), а також планарна технологія. Конфігурація емітера таких транзисторів ускладнюється. З метою збільшення струмів збільшують площу ЕП, а для того щоб струм емітера не витіснявся до краю переходу, емітер виготовляють у формі кілець, смуг, зубців. Для забезпечення нормального тепловідведення використовують радіатори, корпус з’єднують з колектором (на противагу малопотужним БТ, у яких корпус з’єднують з базою).

Основним недоліком потужних високовольтних БТ є низький коефіцієнт передачі струму10 ). Тому для одержання потужних ключових елементів застосовують складений

транзистор (схема Дарлінгтона) – рис. 3.66. Для такої транзисторної структури загальний коефіцієнт передачі струму бази

V2

Е

Рисунок 3.66 – Схема складеного транзистора

Завдяки цьому можна одержати коефіцієнт передачі струму до сотні. Потужні складені транзистори виготовляються на одному кристалі (рис. 3.67).

а) б)

Рисунок 3.67 – Структура однокристального складеного транзистора (а) та його електрична схема (б)

49