Анализ и моделирование биполярных транзисторов

10. Математическая модель биполярного транзистора.

Общая эквивалентная схема транзистора, используемая при получении математичес­кой модели, показана на рис.10-1. Каждый p-n-переход представлен в виде диода, а их взаимодействие отражено гене­раторами токов. Если эмиттерный p-n-переход открыт, то в цепи коллектора будет протекать ток, несколько меньший эмиттерного (из-за процесса рекомбинации в базе). Он обес­печивается генератором тока . Индекс N означает нормальное включение. Так как в общем случае возможно и инверсное включение транзистора, при котором коллекторный p-n-переход открыт, а эмиттерный смещен в обратном направ­лении и прямому коллекторному току соответствует эмит­терный ток , в эквивалентную схему введен второй генератор тока , где - коэффициент передачи коллек­торного тока.

Таким образом, токи эмиттера и коллектора в общем случае содержат две составляющие: инжектируемую ( или ) и собираемую ( или ):

, (10.1)

Эмиттерный и коллекторный p-n -переходы транзистора аналогичны p-n -переходу диода. При раздельном подключении напряжения к каждому переходу их вольтамперная харак­теристика определяется так же, как и в случае диода. Однако если к одному из p-n -переходов приложить напряжение, а выводы другого p-n -перехода замкнуть между собой накорот­ко, то ток, протекающий через p-n -переход, к которому приложено напряжение, увеличится из-за изменения распределе­ния неосновных носителей заряда в базе. Тогда:

, (10.2)

где - тепловой ток эмиттерного p-n -перехода, измеренный при замкнутых накоротко выво­дах базы и коллектора; - тепловой ток коллекторного p-n -перехода, измеренный при за­мкнутых накоротко выводах ба­зы и эмиттера.

Рис. 10-1. Эквивалентная схема идеализированного транзистора

Связь между тепловыми то­ками p-n -переходов ,включенных раздельно, И тепловыми токами , получим из (10.1 и 10.2). Пусть . Тогда . При . Подставив эти выражения в (10.1), для тока коллектора получим .

Соответственно для имеем

Токи коллектора и эмиттера с учетом (10.2) примут вид

(10.3)

На основании закона Кирхгофа ток базы

(10.4)

При использовании (10.1)-(10.4) следует помнить, что в полупроводниковых транзисторах в самом общем случае справедливо равенство

(10.5)

Решив уравнения (10.3) относительно , получим

(10.6)

Это уравнение описывает выходные характеристики тран­зистора.

Уравнения (10.3), решенные относительно , дают выраже­ние, характеризующее идеализированные входные характеристи­ки транзистора:

(10.7)

В реальном транзисторе кроме тепловых токов через переходы протекают токи генерации — рекомбинации, каналь­ные токи и токи утечки. Поэтому ,, , как правило, неизвестны. В технических условиях на транзисторы обычно приводят значения обратных токов p-n-переходов ,. определенные как ток соответствующего перехода при неподключенном выводе другого перехода.

Если p-n-переход смещен в обратном направлении, то вместо теплового тока можно подставлять значение обратного тока, т. е. считать, что и . В первом приближении это можно делать и при прямом смещении p-n-перехода. При этом для кремниевых транзисторов вместо следует подставлять , где коэффициент m учитывает влияние токов реального перехода (m = 2 - 4). С учетом этого уравнения (10.3), (10.5) часто записывают в другом виде, который более удобен для расчета цепей с реальными транзисторами:

(10.8)

(10.9)

(10.10)

где .

Различают три основных режима работы биполярного транзистора: активный, отсечки, насыщения.

В активном режиме один из переходов биполярного тран­зистора смещен в прямом направлении приложенным к нему внешним напряжением, а другой - в обратном направлении. Соответственно в нормальном активном режиме в прямом направлении смещен эмиттерный переход, и в (10.3), (10.8) напряжение имеет знак «+». Коллекторный переход смещен в обратном направлении, и напряжение в (10.3) имеет знак « - ». При инверсном включении в уравнения (10.3), (10.8) следует подставлять противоположные полярности напряжений , . При этом различия между инверсным и активным режимами носят только количественный характер.

Для активного режима, когда и (10.6) запишем в виде .

Учитывая, что обычно и , урав­нение (10.7) можно упростить:

(10.11)

Таким образом, в идеализированном транзисторе ток коллектора и напряжение эмиттер-база при определенном значении тока не зависят от напряжения, приложенного к коллекторному переходу. В действительности изменение напряжения меняет ширину базы из-за изменения размеров коллекторного перехода и соответственно изменяет градиент концентрации неосновных носителей заряда. Так, с увеличением ширина базы уменьшается, градиент концентрации дырок в базе и ток увеличиваются. Кроме этого, уменьшается вероятность рекомбинации дырок и увеличивается коэффициент . Для учета этого эффекта, который наиболее сильно проявляется при работе в активном режиме, в выражение (10.11) добавляют дополнительное слагаемое

(10.12)

- дифференциальное сопротивление запертого коллекторного p-n-перехода.

Влияние напряжения на ток оценивается с помощью коэффициента обратной связи по напряжению

,

который показывает, во сколько раз следует изменять напряже­ние для получения такого же изменения тока , какое дает изменение напряжения . Знак минус означает, что для обеспечения = const приращения напряжений должны иметь противоположную полярность. Коэффициент достаточно мал (), поэтому при практических расчетах влиянием коллекторного напряжения на эмиттерное часто пренебрегают.

В режиме глубокой отсечки оба перехода транзистора смещены в обратном направлении с помощью внешних напряжений. Значения их модулей должны превышать . Если модули обратных напряжений приложенных к переходам транзистора окажутся меньше , то транзистор также будет находиться в области отсечки. Однако токи его электродов окажутся больше, чем в области глубокой отсечки.

Учитывая, что напряжения и имеют знак минус, и считая, что и , выражение (10.9) запишем в виде

(10.13)

Подставив в (10.13) значение , найденное из (10.8), и раскрыв значение коэффициента А, получим

(10.14)

что , а , то выражения (10.14) существенно упростятся и примут вид

(10.15)

где ;

Из (10.15) видно, что в режиме глубокой отсечки ток коллектора имеет минимальное значение, равное току единич­ного p-n-перехода, смещенного в обратном направлении. Ток эмиттера имеет противоположный знак и значительно меньше тока коллектора, так как . Поэтому во многих случаях его считают равным нулю: .

Ток базы в режиме глубокой отсечки приблизительно равен току коллектора:

(10.15)

Режим глубокой отсечки характеризует запертое состояние

транзистора, в котором его сопротивление максимально, а токи

электродов минимальны. Он широко используется в импульс­ных устройствах, где биполярный транзистор выполняет фун­кции электронного ключа.

При режиме насыщения оба p-n-перехода транзистора с по­мощью приложенных внешних напряжений смещены в прямом направлении. При этом падение напряжения на транзисторе () минимально и оценивается десятками милливольт. Режим насыщения возникает тогда, когда ток коллектора транзистора ограничен параметрами внешнего источника энергии и при данной схеме включения не может превысить какое-то значение . В то же время параметры источника внешнего сигнала взяты такими, что ток эмиттера существенно больше мак­симального значения тока в коллекторной цепи: .

Тогда коллекторный переход оказывается открытым, паде­ние напряжения на транзисторе—минимальным и не завися­щим от тока эмиттера. Его значение для нормального включения при малом токе () равно

(10.16)

Для инверсного включения

(10.16)

В режиме насыщения уравнение (10.12) теряет свою справед­ливость. Из сказанного ясно, что, для того чтобы транзистор из активного режима перешел в режим насыщения, необходимо увеличить ток эмиттера (при нормальном включении) так, чтобы начало выполняться условие . Причем значе­ние тока , при котором начинается этот режим, зависит от тока , определяемого параметрами внешней цепи, в которую включен транзистор.

TYPE=RANDOM FORMAT=PAGE>44

11. Измерение параметров биполярного транзистора.

Для проверки параметров транзисторов на соответствие тре­бованиям технических условий, а также для получения данных, необходимых для расчета схем, используются стандартные изме­рители параметров транзисторов, выпускаемые промышленностью.

С помощью простейшего испытателя транзисторов измеряются коэффициент усиления по току , выходная проводимость и начальный ток коллектора

Более сложные измерители параметров позволяют, быстро определив значения , , , , транзисторов в схемах ОБ и ОЭ, оценить, находятся ли измеренные параметры в пределах допустимого разброса и пригодны ли испытанные транзисторы к применению по критерию надежности.

Параметры транзисторов можно определить также по имею­щимся в справочниках пли снятым в лабораторных условиях ха­рактеристикам.

При определении параметров обычно измеряют обратные токи коллектора (всегда) и эмиттера (при необходимости) в специальных схемах для транзисторов — усилителей, работаю­щих в выходных каскадах, и для транзисторов — переключателей. При измерениях малых токов используют высокочувствительные микроамперметры, которые нуждаются в защите от перегрузок.

Необходимо измерить также напряжения , , , , .

Напряжение измеряют при заданном токе ограничен­ном сопротивлением в коллекторе, по наблюдению на экране ос­циллографа участка вольтамперной характеристики, соответст­вующего лавинному пробою. Можно также измерять величину вольтметром по падению напряжения на ограничивающем сопротивлении. При этом фиксируется показание прибора в мо­мент резкого возрастания тока. Напряжение измеряется по изменению направления тока базы. Напряжение между эмиттером и коллектором фиксируется в момент, когда ток базы (при этом ). Величину определяют аналогично напряжению . При нахождении измерение производится в схеме ОЭ в режиме насыщения при заданном коэффициенте насыщения. Желательно измерения производить в импульсном режиме, чтобы рассеиваемая транзистором мощность была минимальной. Величи­на определяется аналогично напряжению в схеме ОЭ.

Среди параметров, характеризующих частотные свойства тран­зисторов, наиболее просто измерить величину . Для ее определе­ния следует измерить на частоте , в 2 - 3 раза большей , мо­дуль коэффициента передачи тока в схеме ОЭ , тогда . Все частоты , указываемые в качестве параметров, взаи­мосвязаны и могут быть вычислены.

При измерении барьерной емкости коллекторного перехода С_>к >обычно используют метод сравнения с эталонной емкостью в ко­лебательном контуре и Q-метр. Емкость измеряется при заданном обратном напряжении на переходе.

Важным является измерение в качестве параметра постоян­ной времени (обычно в номинальном режиме транзистора). Переменное напряжение достаточно большой частоты ( 5 МГц) подается в цепь коллектор — база и вольтметром измеряется на­пряжение на входе между эмиттером и базой. Затем в измеритель­ную цепь вместо транзистора включается эталонная цепочка RC. Изменяя значения RC, добиваются тех же показаний вольтметра. Полученное RC будет равно постоянной транзистора.

Тепловое сопротивление измеряется с помощью термочув­ствительных параметров (,,) с использованием графиков зависимости этих параметров от температуры. Для мощных тран­зисторов чаще всего измеряют величину для маломощных -

Параметр большого сигнала В измеряется на постоянном токе (отношение /) или импульсным методом (отношение ампли­туд тока коллектора и базы).

При измерении h-параметров наибольшие трудности возникают при определении коэффициента обратной связи по напряжению, . Поэтому обычно измеряют параметры , , а затем вы­числяют по формулам пересчета значение . Измерения мало­сигнальных параметров производятся на частотах не более 1000 Гц.

TYPE=RANDOM FORMAT=PAGE>46

12. Основные параметры биполярного транзистора.

Электрические параметры.

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при , не более ---------------------------- 0,3 В

Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером при _> >, _> >:

при Т=298 К ------------ 30 – 90

при Т=358 К ------------ 30 – 180

при Т=228 К ------------- 15 – 90

Модуль коэффициента передачи тока при f=100 МГц, _> >, _> > не более ------------------------------- 3

Емкость коллекторного перехода при _> >, f=10 МГц не более --- 6 пФ

Емкость эмиттерного перехода при _> >, f=10 МГц не более ------ 8 пФ

Обратный ток коллектора при _> > не более:

при Т=228 К и Т =298 К ------- 1 мкА

при Т=358 К --------------------- 10 мкА

Обратный ток коллектор – эмиттер при _> > , _> > не более

100 мкА

Предельные эксплутационные данные.

Постоянное напряжение коллектор – эмиттер при _> > --------- 17 В

Постоянное напряжение база – эмиттер при ------------------------------------- 4 В

Постоянный ток коллектора:

при Т=298 К ----------------- 10 мА

при Т=358 К ----------------- 5 мА

Импульсный ток коллектора при _> >, _> > ---------------------25 мА

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора:

при Т=228 - 298 К ----------------- 1 мВт

при Т=358 К ------------------------ 5 мВт

Импульсная рассеиваемая мощность коллектора _> >,_> > 50 мВт

Температура окружающей среды ------------------------------------От 228 до 358 К

Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора в мВт при Т=298 – 358 К определяется по формуле:

_> >

Графики:

Рис 12-1 Входные

характеристики

Рис 12-3 Зависимость статического коэффициента передачи тока от напряжения коллектор-эмиттер

Рис 12-2 Зависимость обратного тока коллектора от температуры

Рис 12-4 Зависимость статического коэффициента передачи тока от тока эмиттера

TYPE=RANDOM FORMAT=PAGE>48

13. Применение биполярных транзисторов в электронных схемах.

Данный радиомикрофон предназна­чен для озвучивания мероприятий, и т. д. Устройство работает в УКВ диапазоне на частоте 87,9 МГц, специально отве­денной для радиомикрофонов, и его сигналы принимают на обычный радио­вещательный приемник с диапазоном УКВ-2. Дальность действия радиоми­крофона в пределах прямой видимос­ти — более 200 м.

Схема и принцип действия. Схема радиомикрофона приведена на рис. 13-1. Передатчик собран на транзисторе VT4 по однокаскадной схеме. Такое решение для миниатюрного устройства, каким является радиомикрофон, оправдано, так как использование в передатчике отдель­но задающего генератора и выходного каскада приводит к снижению его эконо­мичности и возрастанию габаритов.

Как известно, частота LC-генератора, работающего в области 100 МГц, су­щественно зависит от напряжения питания.

Пере­датчик содержит два контура — контур L1C9C10C12C13VD2, Задающий частоту генератора, и выходной контур L3C15C16, связанный с антенной. Это повышает стабильность генерируемой частоты.

Задающий контур подключен к тран­зистору VT4 по схеме Клаппа. Влияние из­менения параметров транзистора VT4 при изменении питающего напряжения на задающий контур введено к миниму­му выбором малого коэффициента вклю­чения транзистора в контур (определяет­ся емкостью конденсаторов СЮ, С12,

С13). Для повышения температурной стабильности частоты применены кон­денсаторы С9, СЮ, С12, С13 с малым ТКЕ, а коэффициент включения в задаю­щий контур варикапа VD2 невелик из-за малой емкости конденсатора С9.

Выходной П-коктур позволяет согла­совать антенну с выходом транзистора

VT4 и улучшает фильтрацию высших гармоник. Выходной контур на­строен на частоту второй гармоники за­дающего контура. Это уменьшает влия­ние выходного контура на задающий контур через емкость перехода коллек­тор—база транзистора VT4, благодаря чему улучшается стабильность частоты передатчика. За счет всех этих мер уход частоты передатчика при изменении питающего напряжения от 5 до 10 В не­велик и подстройки приемника в про­цессе работы не требуется.

Звуковой сигнал с электретного мик­рофона ВМ1 поступает на вход микро­фонного усилителя, собранного на опе­рационном усилителе (ОУ) DA2. Питание микрофон получает через резистор R1 и развязывающую цепь R5C2. Для сни­жения потребляемой мощности на мес­те DA2 использован микромощный ОУ К140УД12. Резистор R10 задает потреб­ляемый ток ОУ около 0,2 мА. Большой мощности от микрофонного усилителя не требуется, потому что он нагружен на варикап, а мощность управления вари­капом, представляющим собой обратносмещенный диод, крайне мала R7 и сопротивление участ­ка сток—исток полевого транзистора VT1 образуют цепь отрицательной об­ратной связи, определяющей коэффи­циент усиления микрофонного усилите­ля. Канал полевого транзистора VT1 служит регулируемым сопротивлением в системе АРУ. При напряжении за­твор—исток, близком к нулевому, со­противление канала — около 1 кОм и ко­эффициент усиления микрофонного усилителя близок к 100. При возраста­нии напряжения до 0,5... 1 В сопротив­ление канала повышается до 100 кОм а коэффициент усиления микрофонного усилителя уменьшается до 1. Это обес­печивает почти неизменный уровень сигнала на выходе микрофонного уси­лителя при изменении уровня сигнала на его входе в широких пределах.

Конденсатор С4 создает спад АЧХ микрофонного усилителя в области высоких частот для уменьшения глубины модуляции на этих частотах и предот­вращения расширения спектра сигнала передатчика. Конденсатор СЗ блокиру­ет цепь обратной связи усилителя DA2 по постоянному току. Через резистор R4 на неинвертирующий вход ОУ DA2 по­ступает напряжение смещения, необхо­димое при однополярном питании.

Транзистор VT3 выполняет функцию детектора системы АРУ и управляет поле­вым транзистором VT1. Порог срабатыва­ния системы АРУ устанавливается подст­роенным резистором R12. Когда сигнал с выхода микрофонного усилителя и отпи­рающее напряжение смещения с части резистора R12 в сумме сравняются с на­пряжением открывания перехода эмит­тер—база транзистора VT3, последний от­крывается, подавая напряжение на затвор полевого транзистора VT1. Сопротивле­ние канала полевого транзистора VT1 уве­личивается, и коэффициент усиления ми­крофонного усилителя уменьшается.

Благодаря АРУ амплитуда сигнала на выходе усилителя поддерживается практически на постоянном уровне. Этот уровень можно регулировать, меняя ре­зистором R12 напряжение смещения транзистора VT3. Цепь R9C5 задает по­стоянную времени срабатывания, а цепь R8C5 — постоянную времени восста­новления системы АРУ. Для компенса­ции температурных изменений напря­жения открывания перехода эмиттер -база транзистора VT3 напряжение на ре­зистор R12 подано с диода VD1,

Транзистор VT3, цепь формирования порога срабатывания АРУ R11R12VD1 и резистор R4, через который поступает смещение на неинвертирующий вход ОУ, получают питание от стабилизатора на­пряжения DA1. Это же напряжение пода­но через резистор R14 в качестве наприжения смещения на варикап VD2. Так как емкость варикапа существенно зависит от приложенного к нему напряжения сме­щения, то к его стабильности предъявляются жесткие требования. Поэтому ста­билизатором DA1 служит микросхема КР142ЕН19, представляющая собой ста­билизатор напряжения параллельного ти­па. Выбором резисторов R2 и R3 зада­ют напряжение стабилизации около 3,5 В на выводе 3 микросхемы DA1. Бал­ластным сопротивлением служит генера­тор тока на полевом транзисторе VT2. что повышает экономичность стабилизатора.

Рис 13-1 Электрическая принципиальная схема радио микрофона.

TYPE=RANDOM FORMAT=PAGE>51

14. Литература

1. И.П. Жеребцов «Основы Электроники», Ленинград «Энергатомиздат» 1985 г.

2. В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев «Электроника», Москва «Высшая школа» 1991 г.

3. В.В. Пасынков, Л.К. Чирикин «Полупроводниковые приборы», Москва «Высшая школа» 1987 г.

4. В.А. Батушев «Электронные приборы», Москва «Высшая школа» 1980 г.

5. Морозова И.Г. «Физика электронных приборов», Москва «Атомиздат» 1980 г.

6. Полупроводниковые приборы. Транзисторы. Справочник/ под ред. Н.Н. Горюнова, Москва «Энергатомиздат» 1985 г.

7. Журнал «Радио»

Web-литература

1. www.referat.ru

2. www.radiofanat.ru

3. www.radio.ru

TYPE=RANDOM FORMAT=PAGE>52

2. Введение.

Историческая справка. Объем исследований по физике твердого тела нарастал с 1930-х годов, а в 1948 было сообщено об изобретении транзистора. За созданием транзистора последовал необычайный расцвет науки и техники. Был дан толчок исследованиям в области выращивания кристаллов, диффузии в твердом теле, физики поверхности и во многих других областях. Были разработаны разные типы транзисторов, среди которых можно назвать точечный германиевый и кремниевый с выращенными переходами, полевой транзистор (ПТ) и транзистор со структурой металл – оксид – полупроводник (МОП-транзистор). Были созданы также устройства на основе интерметаллических соединений элементов третьего и пятого столбцов периодической системы Менделеева; примером может служить арсенид галлия. Наиболее распространены планарные кремниевые, полевые и кремниевые МОП-транзисторы. Широко применяются также такие разновидности транзистора, как триодные тиристоры и симисторы, которые играют важную роль в технике коммутации и регулировании сильных токов.

В 1954 было произведено немногим более 1 млн. транзисторов. Сейчас эту цифру невозможно даже указать. Первоначально транзисторы стоили очень дорого. Сегодня транзисторные устройства для обработки сигнала можно купить за несколько центов.

Без транзисторов не обходится не одно предприятие, которое выпускает электронику. На транзисторах основана вся современная электроника. Их широко применяют в теле, радио и компьютерных аппаратурах.

Транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы с двумя p-n-переходами. В простейшем случае транзисторы состоят из кристалла германия и двух остриёв (эмиттер и коллектор), касающихся поверхности кристалла на расстоянии 20-50 микронов друг от друга. Каждое остриё образует с кристаллом обычный выпрямительный контакт с прямой проводимостью от острия к кристаллу. Если между эмиттером и базой подать напряжение прямой полярности, а между коллектором и базой - обратной полярности, то оказывается, что величина тока коллектора находится в прямой зависимости от величины тока эмиттера.

Плоскостной транзистор состоит из кристалла полупроводника (германия, кремния, арсенида, индия, астата, и др.), имеющего три слоя различной проводимости p и n. Проводимость типа p создаётся избыточными носителями положительных зарядов, так называемыми "дырками", образующиеся в случае недостатка электронов в слое. В слое типа n проводимость осуществляется избыточными электронами.

Рис 1-1. n-p-n транзистор

Таким образом, возможны два типа плоскостных транзисторов: p-n-p, в котором два слоя типа p (например, германия) разделены слоем n, n-p-n, в котором два слоя типа n разделены слоем типа p.

Из транзисторов можно составить схемы различных назначений. Например можно собрать усилители тока, мощности, усилители звуковых частот, декодеры аудио, видео, теле-радио сигналов, а также простейшие логические схемы, основанные на принципе и-или-не.

Транзисторы КТ380 – кремниевые эпитаксиально-планарные p-n-p универсальные высокочастотные маломощные.

Предназначены для работы в переключающих схемах, в схемах усилителей высокой частоты герметезированой аппаратуры.

Бескорпусные, с гибкими выводами с гибкими выводами, с защитным покрытием. Транзисторы помещаются в герметическую заводскую упаковку. Обозначение типа и цоколевка приводятся в паспорте.

Масса транзистора не более 0,01 г.

TYPE=RANDOM FORMAT=PAGE>5

3. Технология изготовления биполярного транзистора КТ380.

Эпитаксиальная технология позволяет расширить рабочий диапазон транзисторов, особенно ключевых, за счет уменьшения последовательного сопротивления коллектора. Она основана на выращивании очень тонкого слоя полупроводника (достаточного для формирования активных элементов) поверх исходного слоя того же самого материала. Этот эпитаксиальный слой представляет собой продолжение исходной кристаллической структуры, но с уровнем легирования, необходимым для работы транзистора. Подложку сильно легируют (до содержания легирующей примеси порядка 0,1%), тщательно полируют и затем промывают, поскольку дефекты на поверхности подложки сказываются на совершенстве структуры эпитаксиального слоя.

Выращивание совершенного эпитаксиального слоя – очень сложный процесс, требующий тщательного выбора материалов и поддержания исключительной общей чистоты в системе. Слой выращивается методом химического осаждения из паровой фазы, обычно из паров тетрахлорида кремния SiCl_>4>. При этом используется водород, который восстанавливает SiCl_>4> до чистого кремния, осаждающегося затем на подложке при температуре около 1200 ⁰С. Скорость роста эпитаксиального слоя – порядка 1 мкм/мин, но ее можно регулировать. Для легирования слоя в рабочую камеру вводят мышьяк (примесь n-типа), фосфор (n-тип) или бор (p-тип). Обычно выращивают только один слой, но в некоторых случаях, например при изготовлении многослойных тиристоров, получают два слоя – один n, а другой p-типа. Толщина эпитаксиального слоя составляет от нескольких микрометров для сверхвысокочастотных транзисторов до 100 мкм для высоковольтных тиристоров. Эпитаксиальный материал дает возможность изготавливать транзисторы для усилителей и электронных ключей.

В противоположность технологии мезаструктур, при которой диффузия происходит равномерно по всей поверхности полупроводника, планарная технология требует, чтобы диффузия была локализована. Для остальной части поверхности необходима маска. Идеальным материалом для маски является диоксид кремния, который можно наращивать поверх кремния. Так, сначала в атмосфере влажного кислорода при 1100 ⁰С выращивают слой диоксида толщиной около 1000 нм (это занимает примерно час с четвертью). На выращенный слой наносят фоторезист, который может быть сенситизирован для проявления ультрафиолетовым светом. На фоторезист накладывают маску с контурами базовых областей, в которых должна проводиться диффузия (их тысячи на одной подложке), и экспонируют фоторезист под освещением. На участках, не закрытых непрозрачной маской, фоторезист затвердевает под действием света. Теперь, когда фоторезист проявлен, его легко удалить растворителем с тех мест, где он не затвердел, и на этих местах откроется незащищенный диоксид кремния. Для подготовки подложки к диффузии незащищенный диоксид вытравливают и пластинку промывают. (Здесь речь идет об «отрицательном» фоторезисте. Существует также «положительный» фоторезист, который, наоборот, после освещения легко растворяется.) Диффузию проводят как двухстадийный процесс: сначала некоторое количество легирующей примеси (бора в случае n-p-n-транзисторов) вводят в базовый поверхностный слой, а затем – на нужную глубину. Первую стадию можно осуществлять разными способами. В наиболее распространенном варианте пропускают кислород через жидкий трихлорид бора; диффузант переносится газом к поверхности и осаждается под тонким слоем борсодержащего стекла и в самом этом слое. После такой начальной диффузии стекло удаляют и вводят бор на нужную глубину, в результате чего получается коллекторный p-n-переход в эпитаксиальном слое n-типа. Далее выполняют эмиттерную диффузию. Поверх базового слоя наращивают диоксид, и в нем прорезают окно, через которое за одну стадию диффузией вводят примесь (обычно фосфор), формируя тем самым эмиттер. Степень легирования эмиттера по крайней мере в 100 раз больше, чем степень легирования базы, что необходимо для обеспечения высокой эффективности эмиттера.

В обоих диффузионных процессах, упомянутых выше, переходы перемещаются как по вертикали, так и в боковом направлении под диоксидом кремния, так что они защищены от воздействия окружающей среды. Многие устройства герметизируют поверхностным слоем нитрида кремния толщиной около 200 нм. Нитрид кремния непроницаем для щелочных металлов, таких, как натрий и калий, которые способны проникать сквозь диоксид кремния и «отравлять» поверхности в переходах и поблизости от них. Далее с использованием методов фотолитографии на поверхность устройства напыляют металл контакта (алюминий или золото), отделенный от кремния другим металлом (например, вольфрамом, платиной или хромом), впекают его в области базового и эмиттерного контактов, а излишек удаляют. Затем полупроводниковую пластинку путем распиливания или разламывания после надрезания разделяют на отдельные микрокристаллы, которые прикрепляются к позолоченному кристаллодержателю или выводной рамке (чаще всего эвтектическим припоем кремний – золото). С выводами корпуса эмиттер и базу соединяют золотыми проволочками. Транзистор герметизируют в металлическом корпусе или путем заделки в пластик (последнее дешевле).

Первоначально контакты делали из алюминия, но оказалось, что алюминий образует с золотом хрупкое соединение, обладающее высоким сопротивлением. Поэтому проволочные контакты из алюминиевой или золотой проволочки стали отделять от кремния другим металлом – вольфрамом, платиной или хромом.

Граничная частота транзисторов общего назначения составляет несколько сот мегагерц – примерно столько же, сколько было у ранних высокочастотных германиевых транзисторов. В настоящее время для высокочастотных типов эта граница превышает 10 000 МГц. Мощные транзисторы могут работать при мощности 200 Вт и более (в зависимости от типа корпуса), и нередки коллекторные напряжения в несколько сот вольт. Используются кремниевые пластинки размером несколько сантиметров, причем на одной такой пластинке формируется не менее 500 тыс. транзисторов.

Транзисторные структуры могут быть разного вида. Транзисторы для низкочастотных схем с низким уровнем сигнала нередко имеют точечно-кольцевую конфигурацию (точка – эмиттер, кольцо – база), которая, однако, не нашла широкого применения в тех случаях, когда предъявляются требования высокой частоты и большой мощности. В таких случаях и в транзисторах многих низкочастотных типов чаще всего применяется встречно-гребенчатая структура. Это как бы два гребешка с широкими промежутками между зубцами, расположенные на поверхности так, что зубцы одного входят между зубцами другого. Один из них является эмиттером, а другой – базой. База всегда полностью охватывает эмиттер. Основная часть гребешка служит токовой шиной, равномерно распределяющей ток, так что все эмиттерные зубцы имеют одинаковое смещение и дают одинаковый ток. Это очень важно для сильноточных приборов, в которых локальная неоднородность смещения может вследствие местного нарастания тока привести к точечному перегреву. В нормальном рабочем режиме температура перехода в транзисторах должна быть ниже 125⁰С (при ~150⁰С параметры прибора начинают быстро изменяться, и работа схемы нарушается), а потому в мощных транзисторах необходимо добиваться равномерного распределения тока по всей их площади. Сильноточные устройства часто разделяют на секции (группы зубцов, или малых транзисторов), соединенные между собой токовыми шинами с малым сопротивлением.

В транзисторах для диапазона сверхвысоких частот – другие трудности. Их максимальная рабочая частота ограничивается временем задержки, которое требуется для зарядки эмиттерного и коллекторного переходов (поскольку заряд переходов зависит от напряжения, они ведут себя как конденсаторы). Это время можно свести к минимуму, уменьшив до предела площадь эмиттера. Поскольку эффективно действует лишь периферийная часть эмиттера, зубцы делают очень узкими; зато число их увеличивают так, чтобы получить нужный ток. Ширина зубца типичного высокочастотного эмиттера составляет 1–2 мкм, и таковы же промежутки между зубцами. База обычно имеет толщину 0,1–0,2 мкм. На частотах выше 2000 МГц время переноса заряда через базу уже не является определяющей характеристикой – существенно также время переноса через область коллектора; однако этот параметр можно уменьшить только путем уменьшения внешнего напряжения на коллекторе.

TYPE=RANDOM FORMAT=PAGE>8

4. Анализ процессов в биполярном транзисторе

Рассмотрим прежде всего, как работает транзистор (для примера типа n-р-n) в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питаю­щих напряжений E_>1> и E_>2> (рис. 4-1,а). Полярность их такова, что на эмит­терном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе - обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормаль­ного тока в этом переходе достаточно напряжения Е_>1> в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение Е_>2> обычно составляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рис. 4-1,а видно, что напряжение между электродами транзистора связаны простой зависимостью:

(4.1)

При работе транзистора в активном режиме обычно всегда _> > и, следовательно, _> >.

Вольтамперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе. А вольтамперная характеристика коллекторного перехода подобна характеристике диода при обратном токе.

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т. е. участка база-эмиттер (_> >), существенно влияет на ток коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение _> >, т. е. входное напря­жение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с по­мощью транзистора основано именно на этом явлении.

Рис 4-1. Движение электронов и дырок в транзисторах типа n-р-n и р-n-р.

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения _> > понижается потенциальный барьер, в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход ток эмиттера _> >. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками «+» и «-» . Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда от эмиттера, т. е. втягивает электроны область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы, протекающий в проводе базы. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбина­ции каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к плюсу источника E_>1> такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока _> >. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:

_> > (4.2)

Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно _> > составляет проценты тока эмиттера, т. е. _> > и, следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера. т. е. можно считать _> >. Именно для того, чтобы ток _> > был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число элек­тронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.

Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе почти нет тока. В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обеденные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный пере­мещением навстречу друг другу неосновных носителей, т. е. электронов из р-области и дырок из n-области.

Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, кото­рые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая реком­бинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллектор­ного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соот­ветственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектирован­ных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллектор­ного перехода, т. е. ток коллектора _> >.

Данное одному из электродов транзистора название «эмиттер» подчеркивает, что происходит инжекция электронов из эмиттера в базу. Применение термина «инжекция» необходимо для того, чтобы отличать данное явление от электрон­ной эмиссии, в результате которой получаются свободные электроны в вакууме или разреженном газе.

По рекомендуемой терминологии эмиттером следует называть область тран­зистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Кол­лектором называют область, назначением которой является экстракция носи­телей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный пе­реход, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо боль­ше, чем рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в этом случае называют сим­метричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.

Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумме токов коллектора и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений коллекторного и базового токов:

_> > (4.3)

Важным свойством транзистора является приблизительно линейная зависи­мость между его токами, т. е. все три тока транзистора изменяются приблизи­тельно пропорционально друг Другу. Пусть, для примера, _> >=10мА, _> > = 9,5 мА, _> >= 0,5 мА. Если ток эмиттера увеличится, например, на 20% и станет равным 10 + 2 = 12 мА. то остальные токи возрастут также на 20%: _> > = 0,5 + 0.1 = 0,6 мА и _> >= 9,5 + 1,9 = 11,4 мА, так как всегда должно быть выполнено равенство (4.2), т.е. 12 мА=11,4 мА + 0,6 мА. А для приращения токов справедливо равен­ство (4.3), т. е. 2 мА = 1,9 мА + 0,1 мА.

Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа п-р-п. Подобные же процессы происходят в транзисторе типа р-п-р но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются на обратные полярности напряжений и направления токов (рис. 4-2,б). В транзисторе типа р-п-р из эмиттера в базу инжектируются не электроны, а дырки. Они яв­ляются для базы неосновными носителями. С увели­чением тока эмиттера больше таких дырок проникает через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора. Работу транзистора можно наглядно представить с помощью потенциальной диаграммы, которая показана на рис. 4-2 для тран­зистора типа n-р-n.

Рис. 4-2. Потенциальная диаграмма транзистора

Эту диаграмму удобно использовать для создания механи­ческой модели транзистора. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение _> >, тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность по­тенциалов, ускоряющую электроны. В механической модели шарики, аналогич­ные электронам, за счет своих собственных скоростей поднимаются на барьер, аналогичный эмиттерному переходу, проходят через область базы, а затем уско­ренно скатываются с горки, аналогичной коллекторному переходу.

Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах при­ходится учитывать еще ряд явлений.

Существенное влияние на работу транзисторов оказывает сопротивление базы _> >, т.е. сопротивление, которое база оказывает току базы _> >. Этот ток протекает к выводу базы в направлении, перпендикулярном направлению эмиттер — коллек­тор. Так как база очень тонкая, то в направлении от эмиттера к коллектору, т. е. для тока _> >, ее сопротивление очень мало и не принимается во внимание. А в направлении к выводу базы сопротивление базы _> > (его называют попе­речным) достигает сотен Ом, так как в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение _> >, между выводами базы и эмиттера, так как часть подво­димого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления _> > можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока так, как это сделано на рис. 4-3. На этой схеме _> >— сопротивление эмиттера, в которое входят сопротивление эмиттерного перехода и эмиттерной области. Значение _> > у маломощных транзисторов достигает десятков Ом. Это вытекает из того, что напряжение на эмиттерном переходе не превышает десятых долей вольта, а ток эмиттера в таких транзисторах составляет единицы миллиампер. У более мощных транзисторов _> > больше и _> > соответственно меньше. При­ближенно _> > определяется формулой (в Омах)

_> > (4.4)

где ток _> >, выражается в миллиамперах.

Сопротивление коллектора _> > представляет собой практически сопротивление коллекторного перехода и составляет единицы и десятки килоОм. В него вхо­дит также сопротивление коллекторной области, но оно сравнительно мало и им можно пренебречь.

Схема на рис. 4-3 является весьма приближенной, так как на самом деле эмиттер, база и коллектор имеют между собой контакт не в одной точке, а во множестве точек по всей площади переходов. Тем не менее эта схема может применяться для рассмотрения многих процессов в транзисторе.

Рис. 4-3. Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока

При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда, являющееся главным образом результа­том ударной ионизации. Это явление и туннельный, эффект могут вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой про­бой перехода.

Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопро­вождается изменением толщины этих переходов. В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляцией толщины базы. Его особенно надо учитывать при повышении напряжения коллектор - база, так как тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания («прокол» базы) - соединение коллекторного перехода с эмиттерным. В этом случае область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накоп­ление неосновных носителей заряда в базе. т. е. увеличение концентрации и сум­марного заряда этих носителей. Наоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда неосновных носителей в ней. Этот процесс называют рассасыванием носителей заряда в базе.

В ряде случаев необходимо учитывать протекание по поверхности транзи­стора токов утечки, сопровождающееся рекомбинацией носителей в поверхностном слое областей транзистора.

Установим соотношения между токами в транзисторе. Ток эмиттера управ­ляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток_>, >который можно назвать управляемым коллекторным током _> > так как часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому

_> > (4.5)

где _> >- коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора: он может иметь значения от 0,950 до 0,998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе _> > к 1. Через коллекторный переход, всегда проходит еще очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток _> > (рис. 4-4), называемый начальным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторный ток

_> > (4.6)

Во многих случаях _> >, и можно считать, что _> >. Если надо изме­рить _> > то это делают при оборванном проводе эмиттера. Действительно, из формулы (4.6) следует, что при _> >ток _> >.

Преобразуем выражение (4.6) так, чтобы выразить за­висимость тока _> >от тока базы _> >Заменим _> >, суммой _> >:

_> >

Рис. 3-4. Токи в транзисторе

Решим уравнение _> > относительно _> > .Тогда получим

_> >

Обозначим

_> > и _> >

и напишем окончательное выражение

_> > (4.7)

Здесь _> > является коэффициентом передачи тока базы и составляет десятки единиц. Например, если _> > = 0,95, то

а если коэффициент _> > = 0,99, т. е. увеличился на 0,04, то

т. е. _> > увеличивается в 5 с лишним раз!

Таким образом, незначительные изменения _> > приводят к большим изме­нениям _> >. Коэффициент _> > так же, как и _> >, относится к важным параметрам транзистора. Если известен _> > то можно всегда определить _> > по формуле

(4.8)

Ток _> > называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба n-p-перехода) в том случае, если _> >, т. е. оборван провод базы. Действительно, из уравнения (4.7) при _> >получаем _> >. Этот ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора _> >.Ток _> >, и, зная, что _> >, нетрудно найти _> >. А так как _> >, то

_> > (4.9)

Значительный ток _> > объясняется тем, что некоторая небольшая часть напряжения _> > приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напря­жения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении напряжения _> >, ток _> > резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что если _> >, не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (если в цепи коллектора нет резистора, ограничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения _> >, действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток _> >, и равный ему ток _> >, на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т. д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации транзисторов запрещается разры­вать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо также сна­чала включить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Если надо измерить ток _> >, то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разрыве провода базы.

TYPE=RANDOM FORMAT=PAGE>15

5. Статические характеристики биполярного транзистора.

Схема с общей базой

В транзисторах в качестве одной из независимых переменных обыч­но выбирают ток эмиттера, легче поддающийся регулированию, чем напряжение. Из характеристик наибольшее распространение получи­ли входные и выходные характеристики транзистора.

Входные характеристики. Входные характеристики транзисторов в схеме с общей базой при определяются зави­симостью (5.1):

(5.1)

При большом обратном напряжении коллектора (_> >) ток мало зависит от коллекторного напряжения. На рис. 5-1,а по­казаны реальные входные характеристики германиевого транзистора. Они соответствуют теоретической зависимости (5.1), подтверждается и вывод о слабом влиянии коллекторного напряжения на ток эмиттера.

Рис 5-1

Начальная область входных характеристик, построенная в соот­ветствии с теоретической зависимостью (5.1), показана на рис. 5-1, а крупным масштабом (в окружности). Отмечены токи I_>11> и I_>12>, а так­же эмиттерный ток закрытого транзистора

_> > (5.2)

протекающий в его цепи при обратных напряжениях эмиттера и кол­лектора. Как следует из соотношения (5.1), ток эмиттера равен нулю при напряжении эмиттера

_> > (5.3)

Такое же напряжение устанавливается на эмиттере, если он изо­лирован от других электродов.

Реальные характеристики транзистора в начальной области не­сколько отличаются от теоретических. Обратный ток эмиттера при короткозамкнутом коллекторе, обозначаемый _> >, отличается от тока экстракции I_>11> наличием еще двух составляющих: термотока _> > и тока поверхностной проводимости _> >:

_> > (5.4)

Обратный ток эмиттера при обратном напряжении коллектора

_> > (5.5)

Входные характеристики кремниевого транзистора показаны на pиc. 5-1,б. Они смещены от нуля в сторону прямых напряжений; как и у кремниевого диода, смещение равно 0,6—0,7 В. По отношению к входным характеристикам германиевого транзистора смещение со­ставляет 0,4 В.

Выходные характеристики.

Теоретические выходные характеристи­ки транзистора в схеме с общей базой _> >при I_>Э>=const опре­деляются зависимостью (5.6):

_> > (5.6)

Они представлены на рис. 5-2,а. Вправо по горизонтальной оси принято откладывать рабочее, т. е. обратное, напряжение коллектора (отрицательное для транзисторов типа р-n-р и положительное для транзисторов типа n-р-n). Значения протекающего при этом тока коллектора откладывают по вертикальной оси вверх. Такой выбор осей координат выгоден тем, что область характеристик, соответствую­щая рабочим режимам, располагается при этом в первом квадранте, что удобно для расчетов.

Если ток эмиттера равен нулю, то зависимость_> >представ­ляет собой характеристику электронно-дырочного перехода: в цепи коллектора протекает небольшой собственный обратный ток I_>Ко> или с учетом равенства (5.7) ток I_>КБо>. При U_>эб>=0 собственный обратный ток коллектора

_> > (5.7)

При прямом напряжении коллек­тора ток изменяет направление и резко возрастает — открывается кол­лекторный переход (в целях наглядности на рис. 5-2 для положитель­ных напряжений взят более крупный масштаб).

Рис 5-2

Если же в цепи эмиттера создан некоторый ток I_>э>, то уже при ну­левом напряжении коллектора в его цепи в соответствии с выражением (5.6) протекает ток I_>к>=_> >I^’_>э> обусловленный инжекцией дырок из эмиттера. Поскольку этот ток вызывается градиентом концентрации дырок в базе, для его поддержания коллекторного напряжения не требуется.

При подаче на коллектор обратного напряжения ток его несколько возрастает за счет появления собственного тока коллекторного пере­хода I_>КБ0>_> >и некоторого увеличения коэффициента переноса v, вызван­ного уменьшением толщины базы.

При подаче на коллектор прямого напряжения появляется прямой ток коллекторного перехода. Так как он течет навстречу току инжекции I_>э>, то результирующий ток в цепи коллектора с ростом прямого напряжения до величины U_>K>_>0> быстро уменьшается до нуля, затем при дальней­шем Рис 5-3 повышении прямого напряжения коллектора приобретает обратное направление и начинает быстро возрастать.

Если увеличить ток эмиттера до зна­чения , то характеристика сместится пропорционально вверх на величину и т. д.

На рис. 5-2,б представлены реаль­ные выходные характеристики транзи­стора МП14; они имеют такой же вид, как и теоретические, с учетом поправок на термоток перехода и ток его поверхностной проводимости.

Коэффициент передачи тока эмиттера. Как показывает опыт, коэф­фициент передачи тока а зависит от величины тока эмиттера (рис. 5-3).

С ростом тока эмиттера увеличи­вается напряженность внутреннего поля базы, движение дырок на коллектор становится более направленным, в результате уменьшают­ся рекомбинационные потери на поверхности базы, возрастает коэф­фициент переноса , а следовательно, и . При дальнейшем увеличении тока эмиттера снижается коэффициент инжекции и растут потерн на объемную рекомбинацию, поэтому коэффициент передачи тока на­чинает уменьшаться.

В целом зависимость коэффициента передачи тока от тока эмит­тера в маломощных транзисторах незначительна, в чем можно убедить­ся, обратив внимание на масштаб по вертикальной оси рис. 5-3.

В транзисторах, работающих при высокой плотности тока, наблю­дается значительное падение напряжения вдоль базы, обусловленное током базы; в результате напряжение в точках эмиттерного перехода, удаленных от вывода базы, оказывается заметно меньшим, чем в близ­лежащих. Поэтому эмиттерный ток концентрируется по периметру эмиттера ближе к выводу базы, эффективная площадь эмиттера полу­чается меньше, чем при равномерной инжекции, и коэффициент быст­ро надает с ростом тока эмиттера. Для ослабления указанного явления применяют электроды, имеющие высокое отношение длины периметра к площади: кольцевые и гребенчатые.

Схема с общим эмиттером

Ранее были рассмотрены статические характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой, когда общая точка входной и вы­ходной цепей находится на базовом электроде. Другой распростра­ненной схемой включения транзистора яв­ляется схема с общим эмиттером, в кото­рой общая точка входной и выходной це­пей соединена (рис. 5-4).

Входным напряжением в схеме с общим эмиттером является напряжение базы измеряемое относительно эмиттерного элек­трода. Для того чтобы эмиттерный пере­ход был открыт, напряжение базы долж­но быть отрицательным (рассматривается транзистор типа р-n-р).

Выходным напряжением в схеме с об­щим эмиттером является напряжение коллектора измеряемое относительно эмиттерного электрода. Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, напряжение коллекто­ра должно быть большим по величине, чем прямое напряжение базы.

Отметим, что в схеме с общим эмиттером в рабочем режиме, когда транзистор открыт, полярность источников питания базы и коллектора одинакова.

Входные характеристики. Входные характеристики транзистора в схеме с общим

Рис. 5-4 эмиттером представляют собой зависимость тока базы от напряжения базы: при ;

Зависимость тока базы от напряжений эмиттера и коллектора най­дем из уравнений (5.8) и (5.9).

(5.8)

(5.9)

Вычтя второе уравнение из первого, введя обозначения

(5.10)

(5.11)

и использовав соотношения и , окончательно получим

(5.12)

При большом обратном напряжении коллектора, когда , ток базы

(5.13)

Если при этом напряжение базы также обратное (то ток базы идеального транзистора

(5.14)

В реальном транзисторе добавляются токи утечки и термотоки пе­реходов, поэтому обратный ток базы закрытого транзистора

(5.15)

Входные характеристики транзистора показаны на рис. 5-5. При обратном напряжении базы и коллектора, т. е. в закры­том транзисторе, согласно выражению (5.15), ток базы является в основном собственным током коллекторного перехода . Поэтому при уменьшении обратного напряжения базы до нуля ток базы сохра­няет свою величину: .

При подаче прямого напряжения на базу открывается эмиттерный переход и в цепи базы появляется рекомбинационная составляющая тока . Ток базы в этом режиме в соответствии с выражением ; при увеличении прямого напряжения он уменьшается вначале до нуля, а затем изменяет направление и возра­стает почти экспоненциально согласно соотношению (5.12).

Рис 5-5 Рис 5-6

Когда на коллектор подано большое обратное напряжение, оно ока­зывает незначительное влияние на входные характеристики транзи­стора. Как видно из рис. 5-5, при увеличении обратного напряжения коллектора входная характеристика лишь слегка смещается вниз, что объясняется увеличением тока поверхностной проводимости коллек­торного перехода и термотока.

При напряжении коллектора, равном нулю, ток во входной цепи значительно возрастает по сравнению с рабочим режимом ,потому что прямой ток базы в данном случае проходит через два па­раллельно включенных перехода— коллекторный и эмиттерный. В целом уравнение (5.12) достаточно точно описывает входные харак­теристики транзистора в схеме с общим эмиттером, но для кремниевых транзисторов лучшее совпадение получается, если вместо и брать .

Коэффициент передачи тока базы. Найдем зависимость тока кол­лектора от тока базы с помощью выражений:

,

или (5.16)

Величина (5.17)

называется коэффициентом передачи тока базы. Поскольку коэффи­циент передачи тока эмиттера близок к единице, значение обычно лежит в пределах от 10 до 1000 и более.

Коэффициент передачи тока базы существенно зависит и от тока эмиттера (рис. 5-6). С ростом тока эмиттера коэффициент передачи тока базы вначале повышается вследствие увеличения напряженности внутреннего поля базы, ускоряющего перенос дырок через базу к кол­лектору и этим уменьшающего рекомбинационные потери на поверх­ности базы.

При значительной величине тока эмиттера коэффициент передачи тока базы начинает падать за счет снижения коэффициента инжекции, уменьшения эффективной площади эмиттера и увеличения рекомбинационных потерь в объеме базы.

Перечисленные причины обусловливают, как указывалось, не­большую зависимость коэффициента передачи тока эмиттера а от тока эмиттера I_>э> (см. рис. 5-3). Но коэффициент передачи тока базы при изменении тока эмиттера может изменяться в несколько раз, поскольку в выражении (5.17) в знаменателе стоит разность близких величин .

Введя обозначение для коэффициента передачи тока базы в вы­ражение (5.16), получим основное уравнение, определяющее связь между токами коллектора и базы в схеме с общим эмиттером:

(5.18)

Зависимость тока коллектора от напряжений базы и коллектора можно найти из выражения (5.48), заменив в нем U_>ЭБ> на -U_>БЭ> и U_>КБ>

(5.19)

Уравнения (5.18) и (5.19) являются основ­ными для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Выходные характеристики. Выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером при опреде­ляются соотношением (5.18) и изображены на рис. 5-7. Минимально возможная величина коллекторного тока получается в том случае, когда закрыты оба перехода - и коллектора базы в этом случае согласно выражению (5.14)

(5.20)

где - ток эмиттера закрытого транзистора.

Рис. 5-7

Ток коллектора закрытого транзистора в соответствии с выраже­ниями (5.18) и (5.20)

(5.21)

Ввиду малости тока эта характеристика на рис.4,19 не видна, она совпадает с осью напряжений.

При токе базы, равном нулю, что имеет место при небольшом пря­мом напряжении базы, когда рекомбинационная составляющая тока базы равна обратному току коллекторного перехода . коллекторный ток в соответствии с выражением (5.18)

(5.22)

С ростом коллекторного напряжения заметно увеличение этого то­ка вследствие увеличения коэффициента передачи тока базы .

При токе базы выходная характеристика транзистора смещается вверх на величину . Соответственно выше идут характеристики при больших токах базы , и т. д. Ввиду зависимости коэффициента пе­редачи тока базы от тока эмиттера расстояние по вертикали между ха­рактеристиками не остается постоянным: вначале оно возрастает, а затем уменьшается.

При снижении коллекторного напряжения до величины, меньшей напряжения базы, открывается коллекторный переход, что должно было бы повлечь за собой увеличение тока базы, но по условию он должен быть постоянным. Для поддержания тока базы на заданном уровне приходится снижать напряжение базы, что сопровождается уменьшением токов эмиттера и коллектора, поэтому выходные харак­теристики при имеют резкий спад. Транзистор перехо­дит в режим насыщения, при котором неосновные носители заряда инжектируются в базу не только эмиттерным, но и коллекторным переходом Эффективность управления коллек­торным током при этом существенно снижается, коэффициент переда­чи тока базы резко уменьшается.

Как показано на рис. 5-7 крупным масштабом в окружности, вы­ходная характеристика при наличии тока базы не проходит через на­чало координат: при на коллекторе существует обратное напря­жение порядка нескольких десятых вольта. Величину этого на­пряжения нетрудно найти из соотношения (5.19), обозначив при :

Отсюда

(5.23)

где - напряжение коллектора в схеме ОБ, при котором , а -напряжение, действующее в этот момент на базе.

Из формулы (5.23) вытекает физический смысл напряжения : оно должно иметь такую величину, чтобы создаваемый им ток инжекции коллекторного перехода полностью компен­сировал поступающий з коллекторный переход ток инжекции эмиттерного перехода поскольку, по условию, результирующий коллекторный ток .

Для расчета транзисторных схем иногда применяют выходные ха­рактеристики, снятые при постоянном напряжении базы. Они отли­чаются от рассмотренных характеристик, снимаемых при постоянном токе базы, большей неравномерностью расстояний по вертикали между соседними характеристиками, обусловленной экспоненциальной зави­симостью между напряжением и током базы.

TYPE=RANDOM FORMAT=PAGE>25

6. Анализ эквивалентных схем биполярного транзистора.

Все параметры можно разделить на собственные (или первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства самого транзистора независимо от схемы его включения, а вторичные параметры для различных схем включения различны.

Рис. 6-1. Эквивалентные Т-образные схемы транзистора с генератором ЭДС (а) и тока (б).

В качестве собственных параметров помимо знакомого нам коэффициента усиления по току _> > принимают некоторые сопротивления в соответствии с эквивалентной схемой транзистора для переменного тока (рис. 6-1). Эта схема, называемая Т-образной, отображает электрическую структуру транзистора и учиты­вает его усилительные свойства. Как в этой, так и в других эквивалентных схемах следует подразумевать, что на вход включается источник усиливаемых колебаний, создающий входное напряжение с амплитудой _> >, а на выход - нагрузка R_>H>. Здесь и в дальнейшем для переменных токов и напряжений будут, как правило, указаны их амплитуды. Во многих случаях они могут быть заме­нены действующими, а иногда и мгновенными значениями.

Основными первичными параметрами являются сопротивления _> >,_> > и _> >, г. е. сопротивления эмиттера, коллектора и базы для переменного тока. Со­противление _> >, представляет собой сопротивление эмиттерного перехода, к кото­рому добавляется сопротивление эмиттерной области. Подобно этому _> > явля­ется суммой сопротивлений коллекторного перехода и коллекторной области, но последнее очень мало по сравнению с сопротивлением перехода. А сопротивление _> > есть поперечное сопротивление базы.

В схеме на рис. 6-1,а усиленное переменное напряжение на выходе получается от некоторого эквивалентного генератора, включенного в цепь кол­лектора; ЭДС этого генератора пропорциональна току эмиттера _> >.

Эквивалентный генератор надо считать идеальным, а роль его внутреннего сопротивления выполняет сопротивление _> >. Как известно. ЭДС любого генератора равна произведению его тока короткого замыкания на внутреннее сопротивление. В данном случае ток короткого замыкания равен _> >, так как _> > при _> >, т. е. при коротком замыкании на выходе. Таким образом, ЭДС генератора равна _> >.

Вместо генератора ЭДС можно ввести в схему генератор тока. Тогда получается наиболее часто применяемая эквивалентная схема (рис. 6-1, б). В ней генератор тока создает ток, равный _> >. Значения первичных параметров примерно следующие. Сопротивление _> >, составляет десятки Ом, _> >— сотни Ом, а _> >— сотни килоОм и даже единицы мегаОм. Обычно к трем сопротивлениям в качестве четвертого собственного параметра добавляют еще _> >. Рассмотренная эквивалентная схема транзистора пригодна только для низких частот. На высоких частотах необходимо учитывать еще емкости эмиттерного и коллекторного переходов, что приводит к усложнению схемы.

Рис. 6-2. Эквивалентная Т-образная схема транзистора, включенного по схеме ОЭ

Эквивалентная схема с генератором тока для транзистора, включенного по схеме ОЭ. показана на рис. 6-2. В ней генератор дает ток _> >, а со­противление коллекторного перехода по сравнению с предыдущей схемой зна­чительно уменьшилось и равно _> > или, приближенно _> >если учесть. что _> > и _> >. Уменьшение сопротивления коллекторного перехода в схеме ОЭ объясняется тем, что в этой схеме некоторая часть напряжения _> > приложена к эмиттерному переходу и усиливает в нем инжекцию. Вслед­ствие этого значительное число инжектированных носителей приходит к коллек­торному, переходу и его сопротивление снижается.

Переход от эквивалентной схемы ОБ к схеме ОЭ можно показать сле­дующим образом. Напряжение, создаваемое любым генератором, равно разности между ЭДС и падением напряжения на внутреннем сопротивлении. Для схемы по рис. 6-1, а это будет

_> >

Заменим здесь _> > на сумму _> >. Тогда получим

_> >

В этом выражении первое слагаемое _> > представляет собой ЭДС, а вто­рое слагаемое есть падение напряжения от тока _> > на сопротивлении _> >, которое является сопротивлением коллекторного перехода. А ток ко­роткого замыкания, создаваемый эквивалентным генератором тока, равен от­ношению ЭДС к внутреннему сопротивлению, т. е.

_> >

Рассмотренные Т-образные эквивалентные схемы являются приближенными, так как на самом деле эмиттер, база и коллектор соединены друг с другом внутри транзистора не в одной точке. Но тем не менее использование этих схем для решения теоретических и практических задач не дает значительных погрешностей.

TYPE=RANDOM FORMAT=PAGE>29

7. Н – параметры биполярного транзистора.

В настоящее время основными считаются смешанные (или гибридные) пара­метры, обозначаемые буквой h или H. Название «смешанные» дано потому, что среди них имеются две относительные величины, одно сопротивление и одна проводимость. Именно h-параметры приводятся во всех справочниках. Параметры системы h удобно измерять. Это весьма важно, так как публи­куемые в справочниках параметры являются средними, полученными в результате измерений параметров нескольких транзисторов данного типа. Два из h-параметров определяются при коротком замыкании для переменного тока на выходе, т. е. при отсутствии нагрузки в выходной цепи. В этом случае на выход транзистора подается только постоянное напряжение (u_>2>=const) от ис­точника Е_>2>. Остальные два параметра определяются при разомкнутой для переменного тока входной цепи, т. е. когда во входной цепи имеется только постоянный ток (i_>1>=const), создаваемый источником питания. Условия и_>2>=const и i_>1>=const нетрудно осуществить на практике при измерении h-параметров.

В систему h-параметров входят следующие величины.

Входное сопротивление

при u_>2>=const (7.1)

представляет собой сопротивление транзистора между входными зажимами для переменного входного тока при коротком замыкании на выходе, т. е. при отсутствии выходного переменного напряжения.

При таком условии изменение входного тока _> > является результатом изменения только входного напряжения _> >. А если бы на выходе было пе­ременное напряжение, то оно за счет обратной связи, существующей в транзисторе, влияло бы на входной ток. В результате входное сопротивление получалось бы различным в зависимости от переменного напряжения на выходе, которое, в свою очередь, зависит от сопротивления нагрузки R_>H>. Но параметр _> > должен характеризовать сам транзистор (независимо от R_>H>), и поэтому он определяется при u_>2> = const, т. е. при R_>H> = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению

_> > при _> > (7.2)

показывает, какая доля выходного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие наличия в нем внутренней обратной связи.

Условие _> > в данном случае подчеркивает, что во входной цепи нет переменного тока, т. е. эта цепь разомкнута для переменного тока, и, следо­вательно, изменение напряжения на входе _> >, есть результат изменения только выходного напряжения _> >.

Как уже указывалось, в транзисторе всегда есть внутренняя обратная связь за счет того, что электроды транзистора имеют электрическое соединение между собой, и за счет сопротивления базы. Эта обратная связь существует на любой низкой частоте, даже при f=0, т. е. на постоянном токе.

Коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока)

_> > при u_>2> = const (7.3)

показывает усиление переменного тока транзистором в режиме работы без нагрузки.

Условие u_>2> = const, т. е. R_>H> = 0, и здесь задается для того, чтобы изменение выходного тока _> > зависело только от изменения входного тока _> >. Именно при выполнении такого условия параметр _> > будет действительно характеризовать усиление тока самим транзистором. Если бы выходное напряжение менялось, то оно влияло бы на выходной ток и по изменению этого тока уже нельзя было бы правильно оценить усиление.

Выходная проводимость

_> > при _> > (7.4)

представляет собой внутреннюю проводимость для переменного тока между вы­ходными зажимами транзистора.

Ток _> > должен изменяться только под влиянием изменения выходного напряжения и_>2>. Если при этом ток _> >, не будет постоянным, то его изме­нения вызовут изменения тока _> > и значение h_>22> будет определено неправильно.

Величина h_>22> измеряется в сименсах (См). Так как проводимость в практи­ческих расчетах применяется значительно реже, нежели сопротивление, то в даль­нейшем мы часто будем пользоваться вместо h_>22> выходным сопротивлением _> >, выраженным в Омах или килоОмах.

TYPE=RANDOM FORMAT=PAGE>31

8. Работа биполярного транзистора на высоких частотах.

С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами, снижается. Имеются две главные причины этого явления. Во-первых, на более высоких частотах вредно влияет емкость коллекторного перехода . Проще всего рассмотреть это влияние на эквивалентной схеме с генератором тока, показанной для схемы ОБ на рис. 8-1.

Рис. 8-1. Эквивалентная схема транзистора с учетом емкостей переходов

На низких частотах сопротивление емкости _> > очень большое, _> > также очень велико (обычно _> >) и можно считать, что весь ток _> > идет в нагрузочный резистор, т. е. _> >. Но на некоторой высокой частоте со­противление емкости становится сравнительно малым и в нее ответвляется заметная часть тока, создаваемого генератором, а ток через _> > соответствен­но уменьшается. Следовательно, уменьшаются _> >, _> >, _> >, выходное напряжение и выходная мощность.

Если представить себе, что частота стремится к бесконечности, то сопро­тивление емкости _> >стремится к нулю, т. е. _> > создает короткое замыкание для генератора и весь его ток _> > пойдет через _> >, а в нагрузке тока вообще не будет. К подобному же результату можно прийти, если рассмотреть эквивалентную схему с генератором ЭДС.

Емкость эмиттерного перехода С_>э> также уменьшает свое сопротивление с повышением частоты, но она всегда шунтирована малым сопротивлением эмиттерного перехода _> > и поэтому ее вредное влияние может проявляться только на очень высоких частотах, на которых значение _> >получается одного порядка с _> >.

Сущность влияния емкости С_>э> состоит в том, что чем выше частота, тем меньше сопротивление этой емкости, тем сильнее она шунтирует сопротивление _> >. Следовательно, уменьшается переменное напряжение на эмиттерном переходе, а ведь именно оно управляет током коллектора. Соответственно уменьша­ется эффект от усиления. Если частота стремится к бесконечности, то со­противление _> > стремится к нулю и напряжение на эмиттерном переходе также снизится до нуля. Практически на менее высоких частотах емкость _> >, которая шунтирована очень большим сопротивлением коллекторного перехода _> >. Уже настолько сильно влияет, что работа транзистора на более высоких частотах, на которых могла бы влиять емкость С_>э> становится нецелесооб­разной. Поэтому влияние емкости С_>э> в большинстве случаев можно не рассматривать.

Итак, вследствие влияния емкости С_>к> на высоких частотах уменьшаются коэффициенты усиления _> > и _> >.

Второй причиной снижения усиления на более высоких частотах является
отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера.
Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторном), а также инерционностью процессов накоп­ления и рассасывания заряда в базе. Носители, например электроны в транзи­сторе типа n-p-n. совершают в базе диффузионное движение, и поэтому скорость их не очень велика. Время пробега носителей через базу _> > в обычных транзисторах 10^-7с, т. е. 0,1 мкс и менее. Конечно, это время очень не­ большое, но на частотах в единицы, десятки мегагерц и выше оно соизмеримо с периодом колебаний и вызывает заметный фазовый сдвиг между токами коллектора и эмиттера. За счет сдвига на высоких частотах возрастает переменный ток базы, а от этого снижается коэффициент усиления по току _> >.

Рис. 8-2 Рис. 8-3.

Рис. 8-2 Векторные диаграммы дай токов транзистора при различных частотах.

Рис. 8-3 Уменьшение коэффициентов _> > и _> > при повышении частоты.

Удобнее всего проследить это явление с помощью векторных диаграмм, изображенных на рис. 8-2. Первая из них соответствует низкой частоте, например 1 кГц, на которой все токи практически совпадают по фазе, так как _> >_> >составляет ничтожную долю периода колебаний. На низких частотах _> > имеет свое наибольшее значение _> >. При более высокой частоте, например 1 МГц, запазды­вание тока _> > на время _> > относительно тока _> > вызывает заметный фазовый сдвиг _> > между этими токами. Теперь ток базы _> > равен не алгебраической, а геометрической разности токов _> > и _> > и вследствие этого он значительно увеличился. Поэтому, даже если ток _> > еще не уменьшился за счет влияния емкости С_>к>, то коэффициент _> > все же станет заметно меньше _> > На еще более высокой частоте, например 10 МГц, фазовый сдвиг возрастет, ток _> > еще больше увеличится, а коэффициент _> > уменьшится.

Таким образом, при повышении частоты коэффициент _> > уменьшается зна­чительно сильнее, нежели _> > Коэффициент а снижается от влияния емкости С_>к> а на значение _> > влияет еще и фазовый сдвиг между _> > и _> > за счет времени пробега носителей через базу. Отсюда ясно, что схема ОЭ по срав­нению со схемой ОБ обладает значительно худшими частотными свойствами.

Принято считать предельным допустимым уменьшение значений _> > и _> > на 30% по сравнению с их значениями _> > и _> > на низких частотах. Те частоты, на которых происходит такое снижение усиления, т. е. на которых _> > и _> >, называют граничными или предельными частотами усиления для схем ОБ и ОЭ. Эти частоты обозначают соответственно _> > и _> >. Поскольку _> > уменьшается гораздо сильнее, нежели _> >, то _> > значительно ниже _> >. Можно считать, что

_> >

На рис. 8-3 изображен примерный график, показывающий для некоторого транзистора уменьшение коэффициентов _> > и _> > с повышением частоты, отло­женной на графике в логарифмическом масштабе. Для удобства по верти­кальной оси отложены не сами _> > и _> >, а относительные величины _> > и _> >

Помимо предельных частот усиления _> > и _> > транзистор характеризуется еще максимальной частотой генерации _> >, при которой коэффициент усиления по мощности _> > снижается до 1. Очевидно, что при _> >, когда _> >, возможно применение данного транзистора в генераторе с самовозбуждением Но если _> >, то генерации колебаний уже не будет.

Иногда в расчетных формулах встречается также граничная частота усиле­ния тока _> >. которая соответствует _> >, т. е. при этой частоте транзистор в схеме с ОЭ перестает усиливать ток.

Следует отметить, что на высоких частотах происходит не только изме­нение значений _> > и _> >, Вследствие влияния емкостей переходов и времени пробега носителей через базу, а также процессов накопления и рассасывания заряда в базе собственные параметры транзистора на высоких частотах из­меняются и уже не являются чисто активными сопротивлениями. Изменяются также и все другие параметры.

Улучшение частотных свойств транзисторов, т. е. повышение их предельных частот усиления _> > и _> >, достигается уменьшением емкости коллекторного перехода С_>к> и времени пробега носителей через базу _> >. К сожалению, сни­жение емкости путем уменьшения площади коллекторного перехода приводит к уменьшению предельного тока. т. е. к снижению предельной мощности.

Некоторое снижение емкости С_>к> достигается уменьшением концентрации примеси в коллекторе. Тогда коллекторный переход становится толще, что рав­ноценно увеличению расстояния между обкладками конденсатора. Емкость умень­шается, и, кроме того, при большей толщине перехода увеличивается напря­жение пробоя и это дает возможность повысить мощность. Но зато возрастает сопротивление области коллектора и в ней потери мощности будут больше, что особенно нежелательно для мощных транзисторов. Для уменьшения _> >_> >стараются сделать базу очень тонкой и увеличить скорость носителей в ней. Но при более тонкой базе приходится снижать напряжение _> >, чтобы при увеличении толщины коллекторного перехода не произошел «прокол базы». Электроны при диффузии обладают большей подвижностью, нежели дырки. Поэтому транзисторы типа n-p-n при прочих равных условиях являются более высокочастотными, нежели транзисторы типа p-n-p. Более высокие предельные частоты могут быть получены при использовании полупроводников, у которых подвижность носителей выше. Увеличение скорости пробега носителей через базу достигается также в тех транзисторах, у которых в базе создано электрическое поле, ускоряющее движение носителей.

TYPE=RANDOM FORMAT=PAGE>35

9. Работа биполярного транзистора в импульсном режиме

Транзисторы широко применяются в различных импульсных устройствах. Работа транзисторов в импульсном режиме, иначе называемом ключевым или режимом переключения, имеет ряд особенностей.

Рассмотрим импульсный режим транзистора с помощью его выходных ха­рактеристик для схемы ОЭ. Пусть в цепь коллектора включен резистор нагрузки . Соответственно этому на рис. 9-1 построена линия нагрузки. До поступления на вход транзистора импульса входного тока или входного напряжения тран­зистор находится в запертом состоянии (в режиме отсечки), что соответствует точке . В цели коллектора проходит малый ток (в данном случае сквозной ток и, следова­тельно, эту цепь приближенно можно считать ра­зомкнутой. Напряжение источника почти все полностью приложено к транзистору.

Рис. 9-1. Определение параметров импульсного режима транзисторов с помощью выходных характеристик.

Если на вход подан импульс тока , то транзистор переходит в режим насыщения и работает в точке . Получается импульс тока коллектора , очень близкий по значению к . Его иногда называют током насыщения. В этом режиме транзистор выполняет роль замкнутого ключа и почти все напряжение источника падает на , а на транзисторе имеется лишь очень небольшое остаточное напряжение в десятые доли вольта, называемое напряжением насыщения .

Хотя напряжение в точке не изменило свой знак, но на самом кол­лекторном переходе оно стало прямым, и поэтому точка действительно соответствует режиму насыщения. Покажем это на следующем примере. Пусть имеется транзистор n-p-n и , а напряжение на базе . Тогда на коллекторе по отношению к базе будет напряжение , т.е. на коллекторном переходе прямое напряжение 0,4 В.

Конечно, если импульс входного тока будет меньше , то импульс тока коллектора также уменьшится. Но зато увеличение импульса тока базы сверх практически уже не дает возрастания импульса выходного тока. Таким образом, максимальное возможное значение импульса тока коллектора

(9.1)

Помимо , и импульсный режим характеризуется также коэффициентом усиления по току В, который в отличие от определяется не через приращения токов, а как отношение токов, соответствующих точке :

(9.2)

Иначе говоря, является параметром, характеризующим усиление малых сигналов, а В относится к усилению больших сигналов, в частности им­пульсов, и по значению несколько отличается от .

Параметром импульсного режима транзистора служит также его сопро­тивление насыщения

(9.3)

Значение у транзисторов для импульсной работы обычно составляет единицы, иногда десятки Ом.

Аналогично рассмотренной схеме ОЭ работает в импульсном режиме и схема ОБ.

Рис. 9-2. Искажение формы импульса тока транзистором.

Если длительность входного импульса во много раз больше времени переходных процессов накопления и рассасывания за­рядов в базе транзистора, то импульс выходного тока имеет почти такую же длительность и форму, как и входной импульс. Но при коротких импульсах, т. е. если составляет единицы микросекунд и меньше, может наблюдаться значительное искажение формы импульса выходного тока и увеличение его длитель­ности.

Для примера на рис. 9-2 показаны графики ко­роткого импульса входного тока прямоугольной фор­мы и импульса выходного тока при включении тран­зистора по схеме ОБ. Как видно, импульс коллек­торного тока начинается с запаздыванием на время (время задержки), что объясняется конечным временем пробега носителей через базу. Этот ток нарастает постепенно в течение времени (длительности фронта), составляющего заметную часть . Такое посте­пенное увеличение тока связано с накоплением носителей в базе. Кроме того, носители, инжектированные в базу в начале импульса входного тока, имеют разные скорости и не все сразу достигают коллектора. Время + явля­ется временем включения . После окончания входного импульса за счет рассасывания заряда, накопившегося в базе, ток продолжается некоторое время (время рассасывания), а затем постепенно спадает в течение вре­мени спада . Время + есть время выключения . В итоге импульс коллекторного тока значительно отличается по форме от прямоугольного и рас­тянут во времени по сравнению с входным импульсом. Следовательно, за­медляется процесс включения и выключения коллекторной цепи, затягивается время, в течение которого эта цепь находится в замкнутом состоянии. Иначе говоря, за счет инерционности процессов накопления и рассасывания заряда в базе транзистор не может осуществлять достаточно быстрое включение и выключение, т. е. не обеспечивает достаточное быстродействие ключевого режима.

На рис. 9-2 показан еще график тока базы, построенный на основании соотношения . Как видно, ток этот имеет сложную форму.

Специальные транзисторы для работы короткими импульсами должны иметь малые емкости и тонкую базу. Как правило, это маломощные дрейфовые транзисторы. Чтобы быстрее рассасывался заряд, накапливающийся в базе, в нее добавляют в небольшом количестве примеси, способствующие быстрой рекомбинации накопленных носителей (например, золото).

TYPE=RANDOM FORMAT=PAGE>39

Содержание

Курсовой работы по дисциплине Радиоэлектроника I.

Тема: Анализ и моделирование биполярных транзисторов.

Задание.

Введение.

Технология изготовления биполярного транзистора КТ 380.

Анализ процессов в биполярном транзисторе.

Статические характеристики биполярного транзистора включенного по схеме с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором.

Анализ эквивалентнах схем биполярного транзистора.

Н – параметры биполярного транзистора.

Работа биполярного транзистора на высоких частотах.

Работа биполярного транзистора в импульсном режиме.

Математическая модель биполярного транзистора.

Измерение параметров биполярного транзистора.

Основные параметры биполярного транзистора.

Применение биполярных транзисторов в электронных схемах(на примере радиомикрофона ).

Литература.

2

Министерство Образования Республики Молдова

Технический Университет Молдовы

Факультет Радиоэлектроники и Телекоммуникаций

Кафедра Телекоммуникаций

Курсовая работа

по дисциплине Радиоэлектроника I

Тема: Анализ и моделирование биполярных транзисторов.

Выполнил: Студент группы TLC-034

Раецкий Николай

Проверил: Зав.кафедрой Телекомуникаций

Бежан Николай Петрович

Chişinău 2004