Физические основы электроники

имеют вид:

[pic] для -(p < x < 0;

[pic] для 0 < x > (т, то:

[pic]; [pic].

При комнатной температуре [pic]; (1.42)

(в соотношении (1.42) значение тока подставляется в амперах).

Сопротивление утечки rУТ учитывает возможность прохождения тока по

поверхности кристалла из-за несовершенства его структуры. При прямом

включении p-n перехода СБАР > r1, СБАР >> СДИФ и эквивалентная схема

имеет вид, показанный на рис. 1.15, б.

1.4 РАЗНОВИДНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ

1.4.1 Гетеропереходы

Гетеропереход образуется двумя полупроводниками, различающимися

шириной запрещенной зоны. Параметры кристаллических решеток

полупроводников, составляющих гетеропереход, должны быть близки, что

ограничивает выбор материалов. В настоящее время наиболее исследованными

являются пары: германий-арсенид галлия, арсенид галлия-мышьяковидный индий,

германий-кремний. Различают n-p и p-n гетеропереходы (на первое место

ставится буква, обозначающая тип электропроводности полупроводника с более

узкой запрещенной зоной). На основе гетеропереходов возможно также создание

структур n-n и p-p.

[pic]

Рисунок 1.16 Упрощенная энергетическая диаграмма p-n гетероперехода в

равновесном состоянии.

На рисунке 1.16 приведена упрощенная энергетическая диаграмма n-p

перехода между арсенидом галлия р-типа ((WP = 1,5 эВ) и германием n-типа

((Wn = 0,67 эВ) в состоянии равновесия (U = 0). При контакте

полупроводников происходит перераспределение носителей зарядов, приводящее

к выравниванию уровней Ферми p- и n-областей и возникновению

энергетического барьера для электронов n-области q(Ukn и. для дырок p-

области q(Uкp, причем Uкn > Uкp.

[pic]

Рисунок 1.17 Упрощенная энергетическая диаграмма p-n гетероперехода,

включенного в прямом состоянии.

В состоянии равновесия ток через n-p переход равен нулю. Поскольку

потенциальные барьеры для дырок и электронов различны, при приложении к

гетеропереходу прямого напряжения смещения он обеспечит эффективную

инжекцию дырок из полупроводника с большей шириной запрещенной зоны (рис.

1.17).

1.4.2 Контакт между полупроводниками одного типа электропроводности

Контакт полупроводников с одним типом электропроводности, но с разной

концентрацией примесей обозначают р+-р или п+-п (знаком "плюс" отмечается

полупроводник с большей концентрацией примесей). В таких контактах носители

из области с большей концентрацией примеси переходят в область с меньшей

концентрацией. При этом в области с повышенной концентрацией нарушается

компенсация зарядов ионизированных атомов примеси, а в другой области

создается избыток основных носителей зарядов. Образование этих зарядов

приводит к появлению на переходе собственного электрического поля и

контактной разности потенциалов, определяемой следующими соотношениями: для

p+-р перехода

[pic];

для n+-n перехода [pic].

В этих переходах не образуется слой с малой концентрацией носителей

зарядов, и их сопротивление определяется в основном сопротивлением

низкоомной области. Поэтому при прохождении тока непосредственно на

контакте падает небольшое напряжение и выпрямительные свойства этих

переходов не проявляются. В p+-p и n+-n- переходах отсутствует инжекция

неосновных носителей из низкоомной области в высокоомную. Если, например, к

переходу n+-n подключен источник тока плюсом к n-области, а минусом к n+-

области, то из n+-области в n-область будут переходить электроны,

являющиеся в ней основными носителями зарядов. При изменении полярности

внешнего напряжения из n+-области в n-область должны инжектироваться дырки,

однако их концентрация мала, и этого явления не происходит. Переходы типа

p+-p и n+-n возникают при изготовлении омических контактов к

полупроводникам.

[pic]

Рисунок 1.18 Энергетическая диаграмма p-i перехода.

Промежуточное положение между p+-p- или n+-n- и p-n переходом занимают

p-i и n-i переходы. Такие переходы образуются между двумя пластинами, одна

из которых имеет электронную или дырочную электропроводность, а другая -

собственную.

На рис 1.18 показаны энергетическая диаграмма и изменение концентраций

на границе двух полупроводников с p- и i-областями. Вследствие разности

концентраций носителей зарядов в p- и i-областях происходит инжекция дырок

из p-области в i-область и электронов из i-области в p-область. Вследствие

малой величины инжекционной составляющей электронного тока потенциальный

барьер на границе перехода создается неподвижными отрицательными ионами

акцепторов р-области и избыточными дырками i-области, диффундирующими в нее

из p-области. Поскольку [pic] >> [pic], глубина распространения запирающего

слоя в i-области значительно больше, чем в р-области.

1.4.3 Контакт металла с полупроводником

Свойства контакта металла с полупроводником зависят от работы выхода

электронов из металла (W0м) и из полупроводника (W0n или W0p). Электроны

переходят из материала с меньшей работой выхода в материал с большей

работой выхода. При контакте металла с электронным полупроводником при

выполнении условия W0n < W0p электроны переходят из полупроводника в

металл. Если осуществлен контакт металла с дырочным полупроводником и

выполняется условие W0м < W0p, будет происходить переход электронов в

полупроводник. И в том, и в другом случае произойдет обеднение свободными

носителями заряда приконтактной области полупроводника.

Обедненный слой обладает повышенным сопротивлением, которое может

изменяться под воздействием внешнего напряжения. Следовательно, такой

контакт имеет нелинейную характеристику и является выпрямляющим. Перенос

зарядов в этих контактах осуществляется основными носителями, и в них

отсутствуют явления инжекции, накопления и рассасывания зарядов. Таким

образом, выпрямляющие контакты металл-полупроводник малоинерционны и служат

основой создания диодов с барьером Шоттки, обладающих высоким

быстродействием и малым временем переключения.

Если при контакте металла с полупроводником выполняется условие

W0м < W0м или W0м > W0p, то приконтактный слой полупроводника обогащается

основными носителями заряда и его сопротивление становится низким при любой

полярности внешнего напряжения. Такой контакт имеет практически линейную

характеристику и является невыпрямляющим.

1.4.4 Омические контакты

Омическими называют контакты, сопротивление которых не зависит от

величины и направления тока. Другими словами, это контакты, обладающие

практически линейной вольт-амперной характеристикой. Омические контакты

обеспечивают соединение полупроводника с металлическими токопроводящими

элементами полупроводниковых приборов. Кроме линейности вольт-амперной

характеристики, эти контакты должны иметь малое сопротивление и

обеспечивать отсутствие инжекции носителей из металлов в полупроводник. Эти

условия выполняются путем введения между полупроводником рабочей области

кристалла и металлом полупроводника с повышенной концентрацией примеси

(рис. 1.19). Контакт между полупроводниками с одинаковым типом

электропроводности является невыпрямляющим и низкоомным. Металл выбирают

так, чтобы обеспечить малую контактную разность потенциалов. Одним из

способов получения омических контактов является введение в металл примеси,

которой легирован полупроводник. В этом случае при сплавлении металла с

полупроводником в контактной области образуется тонкий слой вырожденного

полупроводника, что соответствует структуре, изображенной на рис. 1.19.

[pic]

Рисунок 1.19 Структура омического контакта.

1.4.5 Явления на поверхности полупроводника

В результате взаимодействия полупроводника и окружающей среды на

поверхности кристалла образуются различные соединения, отличающиеся по

своим свойствам от основного материала. Кроме того, обработка кристалла

приводит к дефектам кристаллической решетки на поверхности полупроводника.

По этим причинам возникают поверхностные состояния, повышающие вероятность

появления свободных электронов или незаполненных ковалентных связей.

Энергетические уровни поверхностных состояний могут располагаться в

запрещенной энергетической зоне и соответствовать донорным и акцепторным

примесям.

Поверхностные состояния меняют концентрацию носителей заряда, и в

приповерхностном слое полупроводника возникает объемный заряд, приводящий к

изменению уровня Ферми. Поскольку в состоянии равновесия уровень Ферми во

всем кристалле полупроводника одинаков, поверхностные состояния вызывают

искривление энергетических уровней в приповерхностном слое полупроводника.

В зависимости от типа полупроводника и характера поверхностных

состояний может происходить обеднение или обогащение поверхности кристалла

носителями заряда.

Обеднение возникает в том случае, если поверхностный заряд совпадает

по знаку с основными носителями заряда. На рис. 1.20 показано образование

обедненного слоя на поверхности полупроводника n-типа при такой плотности

поверхностных состояний, что уровни Win и Wфn не пересекаются. Повышение

плотности пространственного заряда может привести к пересечению уровня

Ферми с уровнем середины запрещенной зоны (рис. 1.21), что соответствует

изменению типа электропроводности у поверхности полупроводника. Это явление

называют инверсией типа электропроводности, а слой, в котором. оно

наблюдается, - инверсным слоем.

[pic]

|Рис. 1.20 Образование обедненного |Рис. 1.21 Изменение типа |

|слоя на поверхности полупроводника |электропроводимости на поверхности |

|n-типа. |полупроводника n-типа. |

Если знаки поверхностного заряда и основных носителей противоположны,

происходит обогащение приповерхностной области основными носителями

зарядов. Такую область называют обогащенным слоем (рис. 1.22).

Электропроводность приповерхностного слоя полупроводника может

изменяться под действием электрического поля, возникающего за счет

напряжения, прикладываемого к металлу и полупроводнику, разделенным

диэлектриком. Если предположить, что до включения напряжения поверхностные

состояния на границе полупроводника и диэлектрика отсутствуют, то

электропроводности приповерхностного слоя и объема полупроводника будут

одинаковыми.

При включении напряжения между металлом и полупроводником возникает

электрическое поле, и на поверхности металла и в приповерхностном слое

полупроводника, как на пластинах конденсатора, накапливаются заряды.

Например, если полупроводник электронный и к нему прикладывается

отрицательное напряжение, то под действием электрического поля у

[pic]

|Рисунок 1.22 Образование обогащенного|Рисунок 1.23 График изменения типа |

|слоя на поверхности полупроводника |электропроводности на поверхности |

|n-типа. |полупроводника. |

поверхности увеличиваются концентрация электронов и электропроводность

приповерхностного слоя полупроводника (см. рис. 1.22). При изменении

полярности напряжения концентрация электронов в приповерхностном слое

уменьшается, а дырок - увеличивается. В связи с этим электропроводность

приконтактной области уменьшается, стремясь к собственной. Увеличение

напряжения приводит к тому, что концентрация дырок становится выше

концентрации электронов и происходит изменение (инверсия) типа

электропроводности слоя. При этом электропроводность приповерхностного слоя

увеличивается. Зависимость электропроводности приповерхностного слоя

полупроводника n-типа от напряжения показана на рис. 1.23. Это явление

принято называть эффектом поля.

2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

2.1 Классификация

Классификация полупроводниковых диодов производится по следующим

признакам:

- методу изготовления перехода: сплавные, диффузионные, планарные,

точечные, диоды Шоттки и др.;

- материалу: германиевые, кремниевые, арсенидо-галлиевые и др.;

- физическим процессам, на использовании которых основана работа

диода: туннельные, лавинно-пролетные, фотодиоды, светодиоды. диоды Ганна и

др.;

- назначению: выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны,

детекторные, параметрические, смесительные, СВЧ-диоды и др.

Некоторые из указанных типов диодов по назначению будут рассмотрены в

настоящей главе, а другие - в соответствующих разделах учебного пособия.

2.2 Выпрямительные диоды

Выпрямительными обычно называют диоды, предназначенные для

преобразования переменного напряжения промышленной частоты (50 или 400 Гц)

в постоянное. Основой диода является обычный p-n переход. В практических

случаях p-n переход диода имеет достаточную площадь для того, чтобы

обеспечить большой прямой ток. Для получения больших обратных (пробивных)

напряжений диод обычно выполняется из высокоомного материала.

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются

(рисунок 2.1):

- максимальный прямой ток Iпр max;

- падение напряжения на диоде при заданном значении прямого тока Iпр

(Uпр ( 0.3...0,7 В для германиевых диодов и Uпр ( 0,8...1,2 В -для

кремниевых);

- максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода

Uобр max ;

- обратный ток Iобр при заданном обратном напряжении Uобр (значение

обратного тока германиевых диодов на два -три порядка больше, чем у

кремниевых);

- барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения

некоторой величины;

- диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного

снижения выпрямленного тока;

- рабочий диапазон температур (германиевые диоды работают в диапазоне

-60...+70°С, кремниевые - в диапазоне -60...+150°С, что объясняется малыми

обратными токами кремниевых диодов).

[pic]

Рисунок 2.1 К определению параметров выпрямительных диодов.

Выпрямительные диоды обычно подразделяются на диоды малой, средней и

большой мощности, рассчитанные на выпрямленный ток до 0.3, от 0,3 до 10 и

свыше 10 А соответственно.

Для работы на высоких напряжениях (до 1500 В) предназначены

выпрямительные столбы, представляющие собой последовательно соединенные p-

n переходы, конструктивно объединенные в одном корпусе. Выпускаются также

выпрямительные матрицы и блоки, имеющие в одном корпусе по четыре или

восемь диодов, соединенные по мостовой схеме выпрямителя и имеющие Iпр max

до 1 А и Uo6p max до 600 В.

При протекании больших прямых токов Iпр и определенном падении

напряжения на диоде Uпp B нем выделяется большая мощность. Для отвода

данной мощности диод должен иметь большие размеры p-n перехода, корпуса и

выводов. Для улучшения теплоотвода используются радиаторы или различные

способы принудительного охлаждения (воздушное или даже водяное).

Среди выпрямительных диодов следует выделить особо диод с барьером

Шоттки. Этот диод характеризуется высоким быстродействием и малым падением

напряжения (Uпp < 0,6 В). К недостаткам диода следует отнести малое

пробивное напряжение и большие обратные токи.

2.3 Стабилитроны и стабисторы

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на обратной ветви ВАХ

которого имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения (рисунок

2.2), т.е. с большим значением крутизны (I/(U ((I= Icт max - Iст min).

Если такой участок соответствует прямой ветви ВАХ, то прибор называется

стабистором.

Стабилитроны используются для создания стабилизаторов напряжения.

Напряжение стабилизации Uст равно напряжению электрического

(лавинного) пробоя p-n перехода при некотором заданном токе стабилизации

Iст (рисунок ). Стабилизирующие свойства характеризуются дифференциальным

сопротивлением стабилитрона rд = (U/(I, которое должно быть возможно

меньше.

[pic]

К параметрам стабилитрона относятся: напряжение стабилизации Ucт,

минимальный и максимальный токи стабилизации Iст min Iст max.

Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: Ucт от 1,5 до 180

В, токи стабилизации от 0,5 мА до 1,4 А.

Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации

разнополярных напряжений и представляющие собой встречно включенные p-n

переходы.

Рисунок 2.2 К определению параметров стабилитронов.

2.4 Универсальные и импульсные диоды

Они применяются для преобразования высокочастотных и импульсных

сигналов. В данных диодах необходимо обеспечить минимальные значения

реактивных параметров, что достигается благодаря специальным конструктивно-

технологическим мерам.

Одна из основных причин инерционности полупроводниковых диодов связана

с диффузионной емкостью. Для уменьшения времени жизни ( используется

легирование материала (например, золотом), что создает много ловушечных

уровней в запрещенной зоне, увеличивающих скорость рекомбинации и

следовательно уменьшается Сдиф.

Разновидностью универсальных диодов является диод с короткой базой. В

таком диоде протяженность базы меньше диффузионной длины неосновных

носителей. Следовательно, диффузионная емкость будет определяться не

временем жизни неосновных носителей в базе, а фактическим меньшим временем

нахождения (временем пролета). Однако осуществить уменьшение толщины базы

при большой площади p-n перехода технологически очень сложно. Поэтому

изготовляемые диоды с короткой базой при малой площади являются

маломощными.

В настоящее время широко применяются диоды с p-i-n-структурой, в

которой две сильнолегированные области p- и n-типа разделены достаточно

широкой областью с проводимостью, близкой к собственной (i-область). Заряды

донорных и акцепторных ионов расположены вблизи границ i-области.

Распределение электрического поля в ней в идеальном случае можно считать

однородным (в отличие от обычного p-n перехода). Таким образом, i-область с

низкой концентрацией носителей заряда, но обладающей диэлектрической

проницаемостью можно принять за конденсатор, «обкладками» которого являются

узкие (из-за большой концентрации носителей в p- и n-областях) слои зарядов

доноров и акцепторов. Барьерная емкость p-i-n диода определяется размерами

i-слоя и при достаточно широкой области от приложенного постоянного

напряжения практически не зависит.

Особенность работы p-i-n диода состоит в том, что при прямом

напряжении одновременно происходит инжекция дырок из p-области и электронов

из n-области в i-область. При этом его прямое сопротивление резко падает.

При обратном напряжении происходит экстракция носителей из i-области в

соседние области. Уменьшение концентрации приводит к дополнительному

возрастанию сопротивления i области по сравнению с равновесным состоянием.

Поэтому для p-i-n диода характерно очень большое отношение прямого и

обратного сопротивлений, что при использовании их в переключательных

режимах.

В качестве высокочастотных универсальных используются структуры с

Шоттки и Мотта. В этих приборах процессы прямой проводимости определяются

только основными носителями заряда. Таким образом, у рассматриваемых диодов

отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием

носителей заряда в базе, что и определяет их хорошие высокочастотные

свойства.

Отличие барьера Мотта от барьера Шоттки состоит в том, что тонкий i-

слой создан между металлом М и сильно легированным полупроводником n+, так

что получается структура М-i-n. В высокоомном i-слое падает все

приложенное к диоду напряжение, поэтому толщина обедненного слоя в n+-

области очень мала и не зависит от напряжения. И поэтому барьерная емкость

практически не зависит от напряжения и сопротивления базы.

Наибольшую рабочую частоту имеют диоды с барьером Мотта и Шоттки,

которые в отличие от p-n-перехода почти не накапливают неосновных

носителей заряда в базе диода при прохождении прямого тока и поэтому имеют

малое время восстановления tВОСТ (около 100 пс).

Разновидностью импульсных диодов являются диоды с накоплением заряда

(ДНЗ) или диоды с резким восстановлением обратного тока (сопротивления).

Импульс обратного тока в этих диодах имеет почти прямоугольную форму

(рисунок 4.2). При этом значение t1 может быть значительным, но t2 должно

быть чрезвычайно малым для использования ДНЗ в быстродействующих импульсных

устройствах.

Получение малой длительности t2 связано с созданием внутреннего поля в базе

около обедненного слоя p-n-перехода путем неравномерного распределения

примеси. Это поле является тормозящим для носителей, пришедших через

обедненный слой при прямом напряжении, и поэтому препятствует уходу

инжектированных носителей от границы обедненного слоя, заставляя их

компактнее концентрироваться зи границы. При подаче на диод обратного

напряжения (как и в обычном диоде) происходит рассасывание накопленного в

базе заряда, но при этом внутреннее электрическое поле уже будет

способствовать дрейфу неосновных носителей к обедненному слою перехода. В

момент t1, когда концентрация избыточных носителей на границах перехода

спадает до нуля, оставшийся избыточный заряд неосновных носителей в базе

становится очень малым, а, следовательно, оказывается малым и время t2

спадания обратного тока до значения I0.

[pic]

Рисунок 2.3 Временные диаграммы тока через импульсный диод.

2.5 Варикапы

Варикапом называется полупроводниковый диод, используемый в качестве

электрически управляемой емкости с достаточно высокой добротностью в

диапазоне рабочих частот. В нем используется свойство p-n-перехода изменять

барьерную емкость под действием внешнего напряжения (рисунок 2.4).

Основные параметры варикапа: номинальная емкость СН при заданном

номинальным напряжением UН (обычно 4 В ), максимальное обратное напря-

жение Uобр max и добротность Q.

Для увеличения добротности варикапа используют барьер Шоттки; эти

варикапы имеют малое сопротивление потерь, так как в качестве одного из

слоев диода используется металл.

[pic]

Рисунок 2.4 Зависимость емкости варикапа от напряжения.

Основное применение варикапов - электрическая перестройка частоты

колебательных контуров. В настоящее время существует несколько

разновидностей варикапов, применяемых в различных устройствах непрерывного

действия. Это параметрические диоды, предназначенные для усиления и

генерации СВЧ-сигналов, и умножительные диоды, предназначенные для

умножения частоты в широком диапазоне частот. Иногда в умножительных диодах

используется и диффузионная емкость.

3 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

3.1 Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы.

3.1.1 Общие сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный

полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами,

предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению

или мощности. Слово “биполярный” означает, что физические процессы в БТ

определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок).

Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются

достаточно близко - на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-

перехода образуются в результате чередования областей с разным типом

электропроводности. В зависимости от порядка чередования различают БТ типа

n-p-n (или со структурой n-p-n) и типа p-n-p (или со структурой p-n-p),

условные изображения которых показаны на рисунке 3.1.

[pic]

|а) |б) |

|Рисунок 3.1 Структуры БТ. |

Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рисунке 3.2.

В этой структуре существуют два перехода с неодинаковой площадью: площадь

левого перехода n1+-p меньше, чем у перехода n2-p. Кроме того, у

большинства БТ одна из крайних областей (n1 с меньшей площадью) сечения

легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n2).

[pic]

Рисунок 3.2 Структура реального БТ типа n-p-

n.

Сильнолегированная область обозначена верхним индексом “+” (n+).

Поэтому БТ является асимметричным прибором. Асимметрия отражается и в

названиях крайних областей: сильнолегированная область с меньшей площадью

(n1+) называется эмиттером, а область n2 - коллектором. Соответственно

область (p) называется базовой (или базой). Правая область n+ служит для

переход n1+-р называют эмиттерным, а n2-p коллекторным. Средняя снижения

сопротивления коллектора. Контакты с областями БТ обозначены на рисунках

3.1 и 3.2 буквами: Э - эмиттер; Б - база; К- коллектор.

Основные свойства БТ определяются процессами в базовой области,

которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов.

Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм).

Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное

(равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле и носители совершают

в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения

примеси (неоднородная база) в базе существует “внутреннее” электрическое

поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее

движение определяется как диффузией, так и дрейфом. БТ с однородной базой

называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой - дрейфовыми.

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно

использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3.3,а),

общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок

3.3,в). Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рисунке

3.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях

напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух

источников питания.

В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения

переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили

названия: нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим

насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

[pic]

|а) |б) |в) |

|Рисунок 3.3 Схемы включения БТ. |

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует

прямое напряжение (напряжение эмиттер - база UЭБ), а на коллекторном

переходе - обратное (напряжение коллектор - база UКБ). Этому режиму

соответствуют полярности источников питания на рисунке 3.4 и направления

токов для p-n-p транзистора. В случае n-p-n транзистора полярности

напряжения и направления токов изменяются на противоположные.

[pic]

Рисунок 3.4 Физические процессы в БТ.

Этот режим работы (НАР) является основным и определяет назначение и

название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию

носителей в узкую базовую область, которая обеспечивает практически без

потерь перемещение инжектированных носителей до коллекторного перехода.

Коллекторный переход не создает потенциального барьера для подошедших

носителей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, а,

наоборот, ускоряет их и поэтому переводит эти носители в коллекторную

область. “Собирательная” способность этого перехода и обусловила название

“коллектор”. Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на

коллекторный переход подать прямое напряжение UКБ, а на эмиттерный

-обратное UЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом

(ИАР). В этом случае транзистор “работает” в обратном направлении: из

коллектора идет инжекция дырок, которые проходят через базу и собираются

эмиттерным переходом, но при этом его параметры отличаются от

первоначальных.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах

являются прямыми одновременно, называют режимом двухсторонней инжекции

(РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмиттер, и

коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу и

одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от

другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют

обратные напряжения, называют режимом отсечки (РО), так как в этом случае

через переходы протекают малые обратные токи.

Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по

комбинации напряжений переходов, В схеме включения с общей базой (ОБ) они

равны напряжениям источников питания UЭБ и UКБ. В схеме включения с общим

эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением

первого источника (UЭБ = -UБЭ), а напряжение коллекторного перехода зависит

от напряжений обоих источников и по общему правилу определения разности

потенциалов UКБ = UКЭ + UЭБ. Так как UЭБ = -UБЭ, тo UКБ = UКЭ - UБЭ; при

этом напряжение источников питания надо брать со своим знаком:

положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника,

и отрицательным - в другом случае. В схеме включения с общим коллектором

(ОК) напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником: UКБ

= -UБК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: UЭБ

= UЭК + UКБ = UЭК - UБК, при этом правило знаков прежнее.

3.1.2 Физические процессы в бездрейфовом биполярном

транзисторе при работе в активном режиме.

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно

рассматривать на примере схемы с общей базой (рисунок 3.4), так как

напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор

p-n-p транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из

эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует

прямое напряжение UЭБ. Поэтому прямой ток перехода

[pic] , (3.1)

где Iэ р, Iэ n - инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов

(из базы в эмиттер), а Iэ рек - составляющая тока, вызванная рекомбинацией

в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для

преодоления потенциального барьера. Относительный вклад этой составляющей в

ток перехода Iэ в (3.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие

Iэр и Iэn, определяющие прямой ток в случае идеализированного р-n перехода.

Если вклад Iэ рек незначителен, то вместо (3.1) можно записать

[pic]. (3.2)

Полезным в сумме токов выражения (3.1) является только ток Iэ р, так

как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. “Вредные”

составляющие тока эмиттера Iэ n и Iэ рек протекают через вывод базы и

являются составляющими тока базы, а не коллектора. Поэтому вредные

компоненты Iэ n, Iэ рек должны быть уменьшены.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается коэффициентом

инжекции эмиттера

[pic], (3.3)

который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составляет полезный

компонент. В случае пренебрежения током Iэ рек

[pic]. (3.4)

Коэффициент инжекции (Э "тем выше (ближе к единице), чем меньше

отношение Iэ n/ Iэ р. Величина Iэ n/ Iэ р > NДБ). Это условие обычно и

выполняется в транзисторах.

Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера,

определяющих полезный ток IЭр? Очевидно, что инжектированные дырки повышают

концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е.

вызывают появление градиента концентрации дырок - неосновных носителей

базы. Этот градиент обусловливает диффузионное движение дырок через базу к

коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться

рекомбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть

введением тока рекомбинации дырок IБ рек, так что ток подходящих к

коллекторному переходу дырок

[pic]. (3.5)

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэффициентом

переноса:

[pic]. (3.6)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, инжектированных

из эмиттера в базу, подходит к коллекторному переходу. Значение (Б тем

ближе к единице, чем меньшее число инжектированных дырок рекомбинирует с

электронами - основными носителями базовой области. Ток IБ рек одновременно

характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как

убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покрывается

за счет прихода электронов через вывод базы из внешней цепи, то ток IБ рек

следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной

составляющей IЭ n.

Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить (Б, необходимо

уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое

достигается снижением концентрации доноров Nд Б. Это совпадает с

требованием NАЭ/NДБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции.

Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы

WБ и диффузионной длины дырок в базовой области Lp Б. Доказано, что имеется

приближенное соотношение

[pic]. (3.7)

Например, при WБ/Lp Б = 0,1 (Б = 0,995, что очень мало отличается от

предельного значения, равного единице.

Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет лавинного

размножения проходящих через него носителей, то ток за коллекторным

переходом с учетом (3.5)

[pic] (3.8)

С учетом (3.6) и (3.3) получим

[pic], (3.9)

где

[pic] [pic] . (3.10)

Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к полному току

эмиттера называет статическим коэффициентом передачи тока эмиттера.

Страницы: 1, 2, 3