Книга: Дулин В.Н. (Электронные приборы) глава 12 - Биполярные транзисторы

Распознанный текст из изображения:

тивлеиия го может быть получено ва счет повышеиия концентрации примесей в базе, однако при этом снижается эвачение иапряжеиия пробоя, что вежелательио. Для повышения напряжения пробоя необходимо использовать материалы с высокой подвижиостью носителей.

Рабочий диапазон частот варикапа оценивают эиачеииями верхией (ю,) и вижией (»ор) частот, соответствующими миввмальио допустимому значению добротности»,"»р й»м (см. рис. 11-19). За минимальное значение добротности обычно принимают»Е', „,э = 1..: Нспольэовавие варикапа в параметрических системах при»», „,„= = 1 вецелесообраэио. Поэтому в этих случаях принимают »ср нов ) 1, вапрвмер Р, „„„10. Звачевие частоты о»„соответствующее»,», „„= 1, в литературе часто называют критической частотой:

о)рр — — 1/гоСоар. (1 1-49)

Параметры варикапов существенно зависят от температуры, хотя емкость Со,р изменяется с температурой незначительно. С вовышеиием температуры резко уменьшается сопротивление го,р вследствие роста обратного тока. Ввиду этого ва низких частотах заметно свижается добротность»',», „„. Варикапы удовлетвори-. »э: тельно работают лишь при отиосвтедьио невысоких температурах: для приборов иа арсеииде галлия Тр,о (150'С (а для германиевых варикапов Трро т 50 —: 00 С).

Зависимость йараметров варикапа 'от температуры принято . характеризовать температурным козффициентом емкости вари- " капа

по а (11-50)

и температурным коз$4ициентом добротности варикапа

О ЬТ '

(11-51)

В этих выражениях ЬТ вЂ” интервал иэмеиеиия температуры, окружающей среды.

Глава двенадцатая,

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

12-1. УСТРОИСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Определение. Транзистором ' иааывают электропреобраэова- „' тельный полупроводниковый прибор с одним или иесколькими'.' электрическими переходами, пригодный для усилеиия мощности,, вмеющий,три или более выводов.

» Термин»трэвзэсторэ происходит ог авглийоккх слов $гаоэ1ег о1 гез1»»ог .;

(аувобраэоээтель сопротввэеввя).

Группа транзисторов обьедиияет ряд раэиовидиостей этих приборов, среди которых следует выделить два типа наиболее распростра»»сивых транзисторов, отличающихся друг от друга принципом действия, осдовиыми характеристиками и параметрами. Это — биполлрнме и полевые траиаисторы.

Д(ипак»»И~ называют траиэистор, в котором используются эа я ы носителей обеих поля костей. Зги траиэисторы, которые рассматриваются в настоящей главе, мы будем далее для краткости называть просто траиэиеторами.

Полевые транзисторы рассматриваются в гл. 13.

Устройство транзисторов схематически показано иа рис. 12-1. Основанием сплавного транзистора (рис. 12-1, а) служит пластина п-германия, которую иаэывают базой. С двух сторон в базу вплавлены таблетки'иидия, иа границах которых с базой в процессе вплавлепия образуются слой с дырочкой проводимостью, эмиттериая область (эмиттер) и 'коллекториая область (коллектор). По граиицам вплавлеиия образуются электроико-дырочиые переходы: эмиттервый и коллекториый. К базе, эмиттеру и коллектору припаяиы выводы. Таким образом, траиэистор в простейшем случае представляет собой трехслойную структуру, в которой крайние области образованы полупроводниками с проводимостью, отличкой по виду от проводимости средней области. Зти об(»асти отде- . лены друг от друга электроиио-дырочяыми переходами.

Траиэистор, иэображеипый иа рис. 12-1, б, изготовлен по планарной технологии,иазваиие которой (от англ. р)апаг)обусловлено расположением электродов прибора и их выводов в одной плоскости — иа поверхяости кристалла. В пластине и — З1, служащей коллектором, методом локальной диффузии (введевием атомов легирующего вещества в кристалл полупроводника через иекоторую часть 'его поверхности) образована, бааовая область (р — З1). В этой области также методом локальной диффузии обраэоваяа эмиттериая область (и+ — З1) с высокой концентрацией доиориой прицеси.

На границе эмиттериой области с бааовой, а также иа границе базовой области с коллекторяой образуются электроиио-дырочвые переходы. Нижняя поверхность траиэистора покрывается металлической пленкой и к ией приваривается вывод коллектора. Металлические пленки наносятся также на часть поверхности эмиттера и базы, а к явм привариваются выводы этих электродов.

Траваистор укрепляют иа специальном кристаллодержателе и помещают в герметиэироваииый металлический, пластмассовый или стекляииый корпус (рис. 12-1, в); выводы электродов через изоляторы в дие корпуса выходят наружу.

В реальиых приборах степень легировавия эмиттера, базы и коллектора раэличиы. Обычно концеитрация примесей в эмиттере иа несколько порядков выше концентрации примесей в базе. Стеиеии легироваиия базы и коллектора в плаваряом транзисторе примерно одинаковы. На рис. 12-1, г показан типичный эакои иэ-

Распознанный текст из изображения:

У 12

менения концентраций примесей в планарном транзисторе по сечению А — А.

В сплавном транзисторе концентрация примесей в коллекторе примерно такая же, как и в эмиттере.

Классификация и условные обозначения. Транзисторы различают прея(де всего по материалу: германиевые и кремниевые. Различаются транзисторы также и по виду проводимости областей. Так, сплавной транаистор, изображенный на рис. 12-1, а, называют р-и-р транэистЬром, а транзистор, показанный на рис. 12-1, б, к и-р-и транаистором.

Транзисторы различают) таки(е по методу изготовления (сплавные, микросплавные, мева, диффузионные, планарные и т. д.); по мощности (малой, средней и большой мощности); по диапазону рабочих частот (низкой, средней и высокой частоты); по основным процессам в базе (дрейфовые и бевдрейфовые) и т. п. '

Условные и графические обозначения транзисторов устанавливаются ГОСТ 2.728-68, 2.730-68 и 10862-72.

Схемы включения. Постоянные напряжения к электродам транзистора подводятся, как и в других электронных приборах, от внешних источников. Напряжение Па одном из трех электродов принимают равным нулю, а напряжения на двух других электродах отсчитывают от этого начального уровня. Возможны, таким образом, три схемы подключения к транаистору источников пи-. тания (рис. 12-2).

+ + вээ вкэ вю вхэ Вхк вэк 7 ге хэ~;( хк

а) б) б)

Рис. 12-2. Три схемы пнлючевня р-л-р транзистора. е — схема е общей бетой; б — схема е общим ехпптером; в — схема е общим кол-

лекторои.

г)

280

281

Рпо. 12-1. Устройство транзисторов.

о — еплээной; б — плэиерный) в— трэнэиетор э металлическом корпуее; г — иэмЕненде концентрации примесей и пленэрном тренэиоторе; 1 — плэетинэ и — Ое (бэээ); э — индий; э — слой р — Ое (эмиттер и «оллектор); э — омичеекий ионтеке; Э вЂ” выводы; Э вЂ” криетелл и — З( (коллектор); à — р — З( (беке); э — эыеоколегироэенныйет — з! (еынтюр); Π— криетелл подупроэодникэ; то — оеноееиие; ы — иэолктор)

ээ — корцуе.

Схема, показанная на рис. 12-2, а, называется схемой с общей базой (ОБ); напряжения на эмиттере и коллекторе отсчитываются в этом случае от напряжения на базе, принимаемого равным нулю. Отсчет напряжений в схемах с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) ведется соответственно от нулевых напряжений на эмиттере и колдекторе.

В подавляющем большинстве случаев цепи эмиттера или базы являются входными цепями, так как к ним подводятся сигналы, подлежащие преобразованию, а цепь коллектора ' выходной, в нее обычно включают раэистор нагрузки. В схеме ОК выходной цепью служит цепь эмиттера.

Распознанный текст из изображения:

Рывины вшпечеиия. При любой схеме пнтавия электродов транзистора источники напряжений можно подключить плюсом или минусом к общему электроду. Таким обрааом, каждый иэ двух электронно-дырочных переходов транэнстора может быть

смещен либо в прямом; либо о в обратном направлении.

В соответствии с этим раэли- 1 1 Ех чают четыре основных режима включения транзистора. 1 Ев В аКтиЕНОМ РвжиМЕ На-

Р хсмх уевюВ р-З1 и-З1 р-31 1, реходе прямое, а на кол! основной -режим вклнзченйя

транзистора показан на рис. о рм ~ 1 1 ) рм 12-2. Режимн(гсышемия соот-

ветствует и ямим наи яже-

я) нйям на оих переходах. Е' В ежик

ния на обоих пернхйдах об= р-З1 в-11 р-з1 ватныа. И наконец, инеерсный режим характеризуется йрямым найрвхкевиеыиа-нея-- лекторном и обратимы ..ва Еев пряжевием Па жнттернем.

- переходе',

.41 Принцип работы. Рас-

1 смотрим .в общих чертах бгх! вхв принцип работы транаистора

ч на его упрощенной модели. о 1

В качестве- такой модели 36 рм изберем сплавной р-н-Р транр' . эистор, включеззвый по схеме

с общей базой. Будем счи-. Рвп. 12-3. Эпвргвтэчвспае даагрвммы тать, что плоскости, соответ- ' е э распределение потенциала в р-и-р ствующие металлургическим

трввввсторе.. границам на переходах трапа — бвв ввемввх ввпРвхпвва; б — пРв вавы- Эветера ПараЛЛЕЛЬНЫ КОН , ввх рвбо мх «вврввивввх.

Ф

центрации 'примесей в эмит-

теРкой и.коллектоРной областЯх пРимеРно одицаковы (гххв .в Рм Лгв «) ,а концентрация приыесей в базовой областнхвначительио виже (ххгх,б ~ ххв в)..

Энергетическая диаграмма сплавного Р-и-р транэистора в отсутствие напряжений на электродах покаеана на рис. 12-3, а. Вся систеыа находится в состоянии равновесия и характеризуется единым уровнем Ферми. При комнатной температуре практически все примесные атомы иовиэированы и поэтому уровень Фарии вне границ запирающих слоев лежит в р-полуироводниках выше

локальных уровней акцепторов„ а в и-полупроводнике — нвке

локального уровня доноров на несколько кТ.

' Поскольку степень легировання эмвттера и коллектора весьма

высока, большая часть запирающего слоя в эмиттерном и коллек-

торном переходах находится в бааовой области, удельное сопро-

тивление которой выше.

Прн подключении к траввистору внешних источников нацряже-

ния по схеме с общей базой диаграмма изменяется. В активном

режиме напряжение Уэв подводится плюсом к эмиттеру; энерге-

тическая диаграмма эмиттера смещается вина, в сторону положи- .

тельных потенциалов и потенциальный бдрьер в амиттерном пере-

ходе снижается до величины 1р,'б = 1р,б — вгоды, Ширина запираю-

щего слоя уменьшается,

Напряженна Укв подводится в активном режиме минусом к кол-

лектору; его энергетическая диаграмма смещается вверх, в сто-

рону отрицательных потевцналов,,потенциальный барьер в кол-

лектерном- переходе возрастает до величины ~рвб = хрхб + | Пкв ~

а ширнна эапирающего слоя уеелиаивается.

В результате снижения потенциального барьера на эмиттерном

переходе иэ эмиттера в баау начинается диффузионное движение

основных носителей. Поскольку концентрация дырок в эмиттере

выше концентрации электронов в базе (ррв ь п„б), коэффициент

инжекцнн;~1 весьма высок..

Вследствие йебкекции дивов иэ эмиттера в базу концентрация

их в базе новыпзается. Появившийся вблизи перехода в базе объ-

' емныйположнтельный заряд дырок почти мгновенно эа время ди-

электрической релаксации компенсируется зарядом элЕктронов,

'входящих в баау от источника Урв. Цепь тока эмнттер — база

оказывается замкнутой (рис. 12:4, а). Электроны, пришедшие

в баау, устремляясь к эмиттерному переходу, соадают вблизи него

отрицательный обьемный заряд, почти полностью компенсирующий

заряд, обрааоваяный дырками. Вблизи эмнттерного перехода, та-

ким Образом, имеется область повышенной концентрации электро-

нов и дырок. Вследствие разности концентраций возникает диффу-

зионное движение дырок и эле1хтронов по направлению к коллек-

тору. В транеисторах ширина базы выбирается такой, чтобы время

б

жизни неосноввых носителей заряда — дырок было бы эначитель

ьно

алыче времеви их деиженвя в базе. Таким образом, поданляю-

щее большинство дырок (практически около 99% и более), икжек-

тпроаанных иэ эмиттера, не успевает рекомбинировать с электронами в базе. Вблизи коллекторного перехода дырки попадают

л

в ускоряющее доле коллекторного перехода и втягиваются в к лектор. Происходит экстракция дырок иэ бааы в коллектор. Элек- колтроны же, число которых равно числу ушедших в коллектор дырок,

устремляются в баэовый вывод. Цепь тока коллектор — бава

замыкается.

Таким образом, ток, хв текущий через эмиттерный переход, яв-

ляется управляющим током, от которого аависит ток Хв в цепи кол-

Распознанный текст из изображения:

Диффузииннин ее

Иажнниин

енн>нр

а)

Ряс. 42-4. Движение носителей зарядов (а) я тони з тр»ывясторе (б).

торая, незначительная часть этого тока вследствие рекомбинации в толще базы ответвляется в цепь базы (рис. 12-4, б).

Вообще говоря, током текущим через транзистор, можно управлять, изменяя напряжение на любом иэ двух электроннодырочных переходов. Однако, степень зависимости эмиттерного, а следовательно, и коллекторного тока от напряжений Уэв и Укв в активном режиме различна.

К эмиттерному переходу приложено прямое напряжение, и поэтому ток через этот переход, а значит и коллекторный ток сильно зависит от напряжения Уэв, возрастая с увеличением этого напряжения по экспонеыциальиому закону. Таким образом, изменяя напряжение на эмиттерыом переходе, можно легко и в значительных пределах управлять током, текущим в транзисторе.

Иным образом зависит значение этого тока о>( обратного напряжения на коллекторном переходе. Даже если напряжение Укв =

лектора — управляемый ток. Ток бааы Гв представляет собой разность управляющего и управияемого токов (ток рекомбинации дырок в базе); основные носители базы — электроны при компеысации движения дырок через эыиттерный и коллекторный переходы движутся в выводе базы в различных направлениях.

Иначе говоря, в рассмотренном режиме через транзистор протекает сквозной ток: от эмиттера через базу к коллектору. Неко-

= О, дырки, прошедшие через базу и приблиаившиеся к коллекторному переходу, увлекаются контактным полем й„перехода в коллекторную область. Подключение обратного напряжения 6>ив приводит к увеличению поля в коллекторном переходе до величины еи = й» + Й»» где й»» — поле за счет подключения напряжения с>кв. Однако при атом коллекторыый ток практически не изменяется, так как независимо от величины ускоряющего поля, в коллектор переходят все дырки, котор)ае приходят к коллектор- ному переходу и число которых определяется лишь числом инжектированных из эмиттера в базу дырок и их рекомбинацией в базе.

Таким обрааом, транзистор отвечает требованиям, которые предъявляются к электронным приборам — преобразователям электрических сигналов: легкостью управления током в приборе сигналом в его входной цепи и по возможности меныпим влиянием напряжения в выходной цепи на значение этого тона.

Как уже отмечалось в гл. 4, среди электровакуумных приборов этим требованиям наилучшим образом удовлетворяет пентод, в котором величиной анодного тока можно легко управлять, изменяя напрях<ение в его входной цепи (управляющая сетка— катод), и в котором влияние выходного (анодного) напряжения на этот ток минимально.

Отличие транзистора от пентода, с этой точки зрения, заключается в иной характеристике входной цепи. В пентоде входное сопротивление Л,» = >)ь>и>й>л'и> при отрицательном напряжении на управляющей сетке, когда отсутствует сеточный ток (1„= 0), бесконечно велико. В транзисторе ввиду сильной зависимости входного (эмиттерного) тока от входного напряжения Уэв .при прямом включении змиттерыого перехода входное сопротивление >Ч, = ИУэв/Ыэ весьма мало. Следойательно, в пентоде выходной — анодный ток зависит от входного напряжения, приложенного между управляющей сеткой и катодом. В транзисторе входное напряжение Уэв управляет входным током 1э, от которого аависит выходной ток 1к. Поэтому транзистор иногда называют прибором, управляемым током, в отличие от электронных ламп— приборов, управляемых напряжением.

Рассмотренные свойства транзистора позволяют использовать его в схеме усилителя сигналов, а при введении положительной обратной связи — и в схеме генератора колебаний. Работу транзистора с нагрузкой в выходной цепи как усилителя мы рассмотрим ниже (2 $2-6).

122 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНЗИСТОРЕ

И ЕГО ФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Многие физические процессы, протекающие в транзисторе, и параметры, их характеризующие, были рассл>отреыы в гл. 4> применительно к полупроводнйковым диодам. Это — процесс ннжекции неосновных носителей в базу, коэффициент инжекции у

Распознанный текст из изображения:

и уровень инн<екцнн Ь; некоторые физические процессы в базе (модуляция сопротивления базы, поле в базе н др.); составляющие прямого и обратного токов в переходе, в также емкости переходов.

Однако транзистор в отличие от полупроводникового диода содержит два взаимосвязанных электронно-дырочных перахода и поэтому процессы в транзисторе характеризуются кроме указанных выше рядом других физических параметров. Эти параметры используются для характериствки таких процессов, как разветвление эмиттерного тока на токи 1в и 1к (взаимосвязь между этими токами) влияние напряжения на одном иэ переходов на процессы в базе транзистора и на ток и другом переходе, и др.

Токи в транзисторе. При рассмотрении принципа работы трацзнстора мы установилн, что в активном режиме дырки, ивжектирозанные из эмиттера, движутся затем в базе и втягиваются полем -коллекторного перехода, образуя коллекторный ток 1». Вследствие рекомбинации в базе и других причин 1к < 1э. На основании закона Кирхгофа для токов в цепях электродов транзистора можно записать:

1э 1к+1в. (г 2-1)

В активном режиме к эмиттерному переходу приложено прямое напряжение и через переход течет ток 1э, который содержит составляющие 1з и 1э„— токов инжекции дырок из змиттерав базу н электройов из базы' в эмиттер, а также составляющую 1э„— тока рекомбинации в эмиттерном переходе (током утечки '„ 1з пренебрежем):

1э = 1эр+ 1эм + 1э,. ((2-2)

Обычно концентрация дырок в эмнттере значительно выше концентрации электронов в баае рр, ~~»~и,с и 1эр ~ 1з„ (коэффн- г циект ивжекции у ж 1). Ток рекомбинации 1э„ составляет замет-- ную долю в общем токе только при малых прямых напряженйях (для кремниевых транзисторов при У ( 0,2 В). При более высоких ' напряжениях 1эр» 1э,. Поэтому для тока эмиттера можно записать:

(42-3)

Ток коллектора — это ток через переход, к которому в актив

ном режиме приложено обратное напряжение. Помимо обратного. тока, который в общем случае согласно (11-11) равен 1»ер = 1, + : + 1 + 1„, через коллекторный переход протекает ток экстракцив.' дырок иа базы в коллектор

1кр = 1эр — 1в„ ((2-4)

равный дырочной составляющей эмитгерного тока за вычетом тока,

обусловленного рекомбннацией' дырок в базе.

РИ дОСТаТОЧИО ВЫСОКИХ Обоатимл На я

лекторнои верех

х напряжениях 11~ в кол

ударной или пол

оде возможно аз«нож

п евон генерации. '

р жение носителей эа счет

Таквм образом, если пренеб ечь то кои 1у, ток «оллектора

1к М(1»р+1»«+1»о) (12-5)

где М вЂ” ко «ф

~~~ициент размножения носителей в аапи а

слое, определяемый сосунов)вянем (10-59).

1» 1 ип

Для кремниевых и ибо

риборов, как это отмечалось в $ х(-2, ток

кб,» кь и последним слагаемым в скобках (12-5)

неоречь.

к ( - ) можно пре-

П и обычны

Укэ значительно меньше напр

тора, когда напряженна

коллектора можно записать:

е напряжения пообоя М

и, ж 'г и для тока

(12-6)

Т ок базы может быть опме елен как

и коллектора.

ределен как разность токов эмиттера '

Обратные токи переходов. Обратным т к

О ом шелле»тора (нли

колле»торном (или эмиттерном)

ют ток при заданном обратном нап я

ряженин йа,

другого перехода рааомкнута: 1э =0 (илн 1» = 0.

ттерном) переходе прй условии чт

'1»во =1»«+ 1»з~, (х2-7)

определяемый процессами гене а ии н

и колл

р ции носителей в коллекторе, базе

лекторном переходе, представляет собой не и авля

Ра оте рзкзистора в активном

Р Д д д Р

ллекторныи пе ехо .на

Соответственно обратный Ак эмнтте а.1 'п

Соотв " ттера. эво'представляет ~Сбой

процессами генерации

ю эмиттерного тока, значсние кото ого

ции носителей в эмятте е, б

орого определяется

эмнттерного перехода. Э н аас

а. тот ток имеет важное аначение п н а

транзистора в инверсном режим (

рн работе

в обратном направлении).

ежиме эмиттерный пе ех

р од включен

Помимо токов 1кво и 1эво,-измеряемых в е

Реж ые

и коллектора соответственно в т ан

различают также обратные токи 1 и 1

иые токи квк и 1эв».

' И здеасы з сбозязчеакзх токов имеют еле

обозначает электрод з цепи

об й

щзй электрод; третья буква характе мз ет '

цепи которого течет ток; зто зя б а

л — а

другими лек~родамм 0 — аз

— зздьммзм зсавчвв сопротмззезаз з

между электродами.

влезая з эрпз, Х -'зздзэкор вамрмжзмме

Распознанный текст из изображения:

(12-8) (12-9)

Хк = а1э+1кво

Величина

и 1кво

1э

называется коэффициентом передачи эмиттерного тока, Обычно

а (1. В инверсном режиме (коллекторнын переход включен

в' прямом, а эмиттерный — в обратном направлении) ток эмиттера

равен:

(12-10)

1э = аг1к+ 1эво.

Величина

1э 1эзо

аг =

к

называется инверсным коэффициентом передачи кэдлектэрнэго

тэка. Как правило, аг (а.

С помощью коэффициентов а и аг можно установить связь

между обратными токами:

1ксо = 1квк (1 — ааг);

1эво = 1эвк (1 — ааг).

(12-12) (12-13)

Для анализа работы транзистора на переменном токе (с сигналами малых амплитуд) вводят дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока

Н1к

ад — —— 81Э ~ПКВ=»р»эС

(12-14)

288

Ток 1квк, текущий через коллекторный переход при обратном -.

напряжении на атом переходе, измеряется в условиях короткого

замыкания цепи эмиттер — база. Аналогично ток 1эвк — это ток

в эыиттерном переходе при обратном напряжении на этом пере-

ходе и при условии, что цепь коллектор — база замкнута накоротко.

Ток 1квк'> 1кво и ток 1эвк > 1эво тдк как в режимах

холостого хода и короткого замыкания цепи эмнттера или коллек-

тора законы распределения неосновных носителей в базе различны.

Этот вопрос мы рассмотрим ниже, при обсуждении процессов в базе

транзистора.

Коэффициенты передачи тока. С учетом понятия обратного

тока коллектора ток Хк для активного режима работы следует

представить как. сумму двух составляющих: тока 1кво и части

эмиттерного тока, который определяется потоком носителей,

ннжектированных в базу:и дошедших (за вычетом рекомбиниро-

' вавших в базе) до коллекторного перехода.

! Следовательно,

Свдэь мажду а и ад лэгиа установитхч дифференцируя (12-8)

по 1ш

ад = а + 1э —,

4~

(12-15)

Практически в активном режиме при не слишком больших уров'- нях,инжекции а мало меняется при изменении эмиттерного тока. Тогда бев больнюй погрешности можно полагать: ~

а=уа а».

(12-1У)

Здесь

1эр

у=—

1э

(12-18)

— коэффициент инжекции;

ад=—

1кр

1эр

— коэффициент переноса дырок через базу к коллектору;

1к

а»=—

1кр

— Коэффициент, характеризующий зффендивность коллектора, т. е. долю дмрачиого тока в общем токе коллектрра. В отношениях (12-18)-(12-20) 1э и 1к — соответственно дырочные составляющие эмиттерного и коллекториого токов.

Коэффициент йв3иекции у уже рассматривался в гл. 11.

В транзисторах при Х,,,э Дсдз величина у близка к единице.

Ковффициент ад переноса дырок через базы, естественно, зависит от соотношения ширины базы и диффузионной длины. Его величина определяется соотношейием (24).

мэ

акр~»1-щ;.. (12-21)

р

Обычно в транзисторе и>/Хр ~„0,2 ~; 0,3 и, следовательно, а„ж 0,95 —: 0,98.

Коэффициент а» может увеличиться за счет эффекта лавинной нонизации в коллекторном переходе. Однако при не слишком высоких аначениях ХХкв, соответствующих нормальным уел(азиям работы транаистора вдали от области 'пробоя„этот эффект пр~

ю дгддд в. н.

(12-19)

(12-20)

аджа. (12-16)

Коэффициент передачи емиттерного тока определяется не только характером движения носителей в базе и вероятнЬстью их реномбинации, но также процессами в эмиттерном и коллекторном переходах. Поэтому коэффициент а обычно представляют в вида произведения коэффициентов, характеризующих процессы в базе и в обоих переходах:

Распознанный текст из изображения:

небрежимо мал (М м 1). Электронная составляющая тока через коллекторвый переход также незначительна вследствие низкого значения и в коллекторе. Поэтому коэффициент ае можно считать равным единице.

'Таким образом, для коэффициента а можно эаписаты

Ук = — ув+

а ~КБО

1 — а 1 — а'

Запишем это выражение в виде

(12-23)

(12»24) (12-25)

Ук =()7Б +укэо.

Здесь

'КБО

укэо — 1 = (1+ ьР) укво.

(12-26)

— обратный ток коллекторного перехода в схеме ОЭ при ув = О.

Выражение (12-25)'определяет связь между коэффициентами а и р.

Выражение для коэффициента'передачи базового тока 6 легко получить, комбинируя соотношения (12-24) и (12-26)1

Ук РКБО

Б+ КБО

(12-27)

Для анализа работы транзистора на переменном токе (с сигналами малых амплитуд) используют понятие дифференциального коэффициента передачи базового тока

Н1

Р.= — „,"(,„, „.,

(12-28)

Дифференциальный коэффициент рл связан с интегральным коэффициентом следующим соотношением:

1)л=Р+ (гв+гкво) у

дз

(12-29)

а=уа,. (12-22)

В сплавных транзисторах база не может быть сделана очень тонкой (ш ) 20 мкм) и коэффициент а определяется в основном коэффициентом а,. В транзисторах с более тонкой базой главную роль играет коэффициент инжекции у.

В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, входным током служит ток бааы 7Б, а выходным, как и в схеме ОБ,

Р У«» Р" Р ~РР

*У Р * Р Р* У

цигпт пг едачи базового токо 5. Выражение дляр можйоподучить, подо — ношение (1Г1) и решая его относительно тока 1к.

зависимость 5 (1Б) более существенна, чем зависимость а (гэ). Если же этой зависимостью без большой погрешности можно пренебречь, полагая ф/НБ = О, то

(12-30)

(12-31)

или

«г / 1з

1. ( ' + 1),

~эвх

(12-32)

где йзвх — обратный ток в змиттерном переходе при заданном

обратном напряжении Укв.

г

10»

Поскольку а (0,95 —: 0,99) величина р составляет несколько де ятков или аже Бгггзтт

естно напомнить, что рассматриваемые физические процессы характеризуют работу трайзистора в стационарном активном режиме. Переходные процессы, свяаанные с быстрыми скачкообразными изменениями напряжений и токов, или же с воздействиями напряжений высокой частоты, пока не учитываются. Вообще же процессы движения носителей в базе — процессы инерционные и поэтому коэффициенты а н () зависят от частоты. Эти вопросы будут рассмотрены в з,12-7.

Итак, токи в транзисторе определяются рядом физических процессов в электронно-дырочных переходах и в объеме базы, характеризуемых соответствующими параметрами. Физические параметры играют важную роль при анализе работы транзистора на переменном токе с сигналами малых амплитуд. Большинство этих параметроь являются дифференциальными величинами и используются в качестве так называемых малосигнальных параметров транзистора, которые рассматриваются в $12-6.

Рассмотрим основные процессы и физические параметры на модели сплавного транзистора, работающего в активном режиме.

Процессы в эмиттерном переходе. Под воздействием прямого напряжения Уэв через эмнттерный переход происходит инжекцнр неосновных носителей — процесс, характеризуемый коэффициентом ннжекции у (11-14) и величиной уровня инжекции Ь (10-32). В результате иняРекции 'через переход течет ток, компоненты которого были рассмотрены выше ($12-2).

Важным параметром, характеризующим зависимость уэ = = ~(ПОБ) служит величина дифференциального сопротивления акиттерпого перехода г, д„е.

Полагая Пкв = совет и пренебрегая пока влиянием этого напряжения на процессы в эмиттерном переходе, запишем для эмиттерного тока:

Распознанный текст из изображения:

Сопротивление г„аве можно определить, дифференцируя выражение (12-32), в котором единицей можно пренебречь, так как при не слишком малых напряжениях Рэв ток (э ) кевх(

э((, и ~

»о,ввф= Шз гге ~((кв= оооо(

(12-33)

Емкость эмиттбрного перехода С„как и вообще электроннодырочиого перехода, содержит в качестве составляющих барьерную Со, св( и диффуаионную Свв емкости. Фиэнческвй смысл этих емкостей рассмотрен в й 10-6. Там же приведены соотношения, определяющие их величины. Испольэуя (10-70) для диффуэнонной емкости эмиттерного перехода, можно эаписать;

е нв

Сов йг 2п ~э. (12-34)

(10-66):

Барьерная емкость может быть определена по соотношению

У о„+(иэ,~ --- —.

(> ~ ~~~)

сь ( — )

(12-35)

где

в ~эрьр

о0рвв

(12-36) .

где 1, — ширина эаннрающего слоя в эмиттерном переходе при Уэв 0; г, — площадь эмиттерного перехода.

Процессы в бане транзистора. В реэультате инжекции в базе на грающе эмнттерного перехода, так же как и в диоде, образуется иэбыточная концентрация ((ырок. Процесс компенсации рбрааовавшегося объемного заряда дырок электронами был рассмотрену и $11-2 при обсуждении аналогичного процесса в диоде.

. В транэнсторе в отличие от диода бааа заключена между эмиттервым и коллекторным нереходамн и поэтому эскоп нэмеиения концентрации неосновных носнтелей р басе отличается от закона (10-35), характерного для диода с тонкой базой.

Закон иамбнения пан((бнтрации неооновнмх носитббей в бале травэкстора можно получить, решая уравнение (9-ИЗ) и полагая при этом, что граничные условия определяются заданным дырочвмм током 1эр — — ууэ на границе эмиттерногр перехода (прн х =0) и обратным напряжением Укв на коллекторном переходе (при х = и»).

Решение уравнения (9-113) длн 'этого случая имеет внд:

йг

Прн условии, что Укв ((» ~ (»кв ~ ~

ведливо для' транэистора в активном режиме, выражение (12-35)

упрощается:

р(х) = —" (1 ).

(12-37),

О да е ет, что ракен распределения иеосноввых н((сителей в базе» транзистора в активном режиме и режиме насыщения лянейныц.

Рв

а)

к=к»

" '" д)

»рвб

к» и»

г) д)

рнс. 12-5. Распределенно

вроовоэянх носителей (дырок) в бава травввотора

говввцо ввтвввого ровогво в ровоеи ввонвн~нвк (г» в дкэо (в» *= ровна эвона(од — рожам огооовв.

о — ввгвввна-роевв; б — вв

ввв( о — врв воворовов токов

ввв;

Польэуясь полученными соотношениями, можно показать распределенве неосновных цосителей в басе для раэличвых режимов работы транзистора (рнс. 12-5), На этом рисунке цротяженность басы (Π— и»), соответствующая границам эмиттерного н коллекторного переходов, показана без учета иаменення ширины запирающего слоя при различных напряжениях Уэв и Укв. Иэ рис. 12-5 видно, что концентрация р (щ) = р„о только прн. Укв = = 0; при Укв -„0 в результате экстракции'иеосноввых носите- ° лей р (ю) = О, а при Укв ) 0 (режим насыщения) р (и) ) р„,. График рнс. 12-5, в иллюстрирует различие в эначениях 1кво и уквк( прн У~ф 0 градиент концентрации дырок в бале выше, чем в случае О, и, следовательно, 1квк ) Хкво.

Распознанный текст из изображения:

зкэ

паж1 — —,,

гй„ '

Объемное сопротивление базы. База транвистора выполняется обычно из относительно высокоомного материала, поэтому ее объемное сопротивление го заметно влияет на работу транзистора. Т ак, при большом токе падение напряжения на сопротивлении гз уменыпает величину смещения эмиттерного перехода. Сопротивление гз определяется в основном сопротивлением ее активного участка, т. е. той части бавы, которая заключена непосредственно между эмиттерным и коллекторным переходами (см. рис. 12-1). Сопротивление этой части базы можно подсчитать по формуле (24).

гз

Рз

4яик '

(12-39)

Вследствие растекания зарядов при их движении от эмиттера к коллектору сопротивление базы увеличивается на 30 — 50% (сказывается сопротивление пассивных участков базы, прилегающих по периметру к эмиттерному и коллекторному переходам).

Модуляция ширины базы. В активном режиме коллекторный переход смещен в обратном направлении и его ширина зависит от напряжения ~Укв в соответствии с формулой (10-37). В сплавном транзисторе концентрация примесей в коллекторе значительно выше, чэм в базе (Дгс „'.> Дгдз). Кроме того, в активном режиме обычно )У~щ ) крс и выражение (10-37) принимает вид:

.з / 2ее, ~ скпв ~

с" = у .пг (12-40)

При увеличении отрицательного напряжения ск'кв коллекторный переход расширяется и соответственно уменьшается ширина 294

Дифференцируя по я соотношение (12-35), можно определить

градиент концентрации дырок в базе, а вначит и значение диффу-

зионного тока. В частности, таким путем можно получить выра-

жение (12-21) для коэффициента пс переноса дырок черев базу

. к коллектору. Величина дырочной составляющей коллекторного

тока 1к определяется только первым слагаемым (12-35), так как

второе слагаемое не содержит тока 1эр. Дифференцируя (12-35)

без второго слагаемого в правой части, умножая левую и правую

части полученного выражения на величину сРрз„нолучаем выра-

жение для тока 1кр, а поделив это выражение на 1э, вапишем

соотношение для коэффициента переноса дырок через базу:

гсо~вес1г( ~ (12-38)

К,р,

Поскольку в транзисторе юч;,Ьр, раеложим зесЬ ~ — ~ в ряд и,

~гр г

ограничившись первыми двумя членами разложения, получим

выражение (12-21):

базы ш. Это явление носит наименование аффекта модуляции

ширины базы '.

Изменение ширины базы легко определять, дифференцируя

по У выражение (12г40):

/ сес аГркв

)($.! )сУ.)=~/ — =

р — ~/,.„„„.,и„,~.

(12-41)

сгркв

агав гр=ссскс

(12-42)

Определить зависимость коэффициента р„, от фивических параметров транзистора можно на основании следующих соображений.

г В литературе это язяеяяе ивогда зазывают эффектом Эрля.

Изменение ширины базы существенно влияет на физические процессы в базе. С изменением и изменяется градиент концейтрации не- основных носителей в баве (рис. 12-6), что приводит (при Уэв = сопв$) к увеличению плотности диффузионного дырочного тока 1э„.

Обратная связь по напряже-

нию. Этот термин применяется . для определения только что рас- й с ~Ъ~' смотренного влияния напряжения Укв на процессы в эмиттерном переходе. Если в результате 1 ~ ! ( увеличения )Укв( ширина базы

!! уменьшилась на величину йш = 1 = лк — и, а градиент концен- ,Г

к трации и с ним пйотность ды- й сс а ( с„ рочного диффузионного тока соответственно возросли, то это з

ккк зе=-ш„ означает, что от эмиттерного перехода в единицу времени уходит болыпее число дырок и Рис. 42-6. Влияние модуляции юяв личнвается тон 1 .' рины базы ва градясат ксяцвятра-

цяя веосяозвых яссзтслсй в баас.

Для уменыпения тока 1э до прежнего зяачения можно снизить прямое напряжение ккэв на эмиттерном переходе. При этом уменьшится концентрация дырок в базе до вначения р„' и градиент концентрации дырок в базе снизится до прежнего значения (рис. 12-6).

Таким образом, ток .1э вависнт не только от напряжения Уэв, но и в некоторой степени от напряжения Укв. Для сравнения степени. влияния втих напряжений на ток 1э используют коэффициент обратной связи по напряжению

Распознанный текст из изображения:

Изменение концентрации р„в зависимости бт приложенного

напряжения определяется выражением (10-30):

еецеот

Дифференцируя это выражение по У, принимая для нашего

случая р,о ††' 'р„' и У = (/эв* получаем:

Ро Р

р„, ат

= — не/эв.

(12-43)

Все величины в правой части этого выражения, как было показано выше, зависят от напряженяя с/кв, тон 1кво незначительно, но все же зависит от е/кв, так как с изменением этого напряжения меняется ширина запирающего слоя в коллекторном переходе и,

'т.

следовательно, ток ук . В результате модуляции ширины базы изменяется согласно (12-21) коэффициент а, а также ток 1з.

В качестве параметра,,характеризующего зависимость 1к =

з (Г/кв), служит дифференциальное сопроепизлзниз юзлсктарного перехода:

ии„, )

гзжоэ = — ~

й~~ (гз ооооо

(12-45)

- Из рис. 12-6 видно, что отношение в левой части (12-43) равно йи/иг. Подставляя «яи/и в ьз2-43) и используя (12-41), получаем:

~('кв ~

Вк

зс'эр ~ гэ= ивя

° / 2еЛ'д ем ')е' У

у (при уэ =сопз1). (12-44)

У, ьт

Коэффициент р„, по смыслу аналогичен статическому коэффициенту усиления )о электронных ламп. Отличие ааключается лишь в том, что роо оценивает сравнительное воздсйствие напряжений Узв (на входе транзистора) и с/кв (на его выходе) на входйой ток уз, а не на выходной йю как это цмеет место для электронных ламп. Однако, если иметь в виду, что 1к ж зэ, это отличие становится несущественным.

Знак минус в выражении (12-42), как и в случае статического коэффициента усиления элеКтронных ламп, свидетельствует о том, что для поддержания тока уэ постоянным приращения оаэи и еес/кв должны быть противоположны по знаку, т. е. при увеличении отрицательного напряжения (/кв необходимо уменьшать напряжение Уэв.

Коэффициент )з„о', составляющий.для транзисторов примерно 10', свидетельствует о незначительном воздействии выходного напряжения е/кв на ток'1э н, следовательно, на ток !к,

Процессы в коллекторном переходе,'Ток коллектора, согласно (12-8) равен:

Р-з

Его значение в зависимости от физических параметров, тока /э и напряжения (/кв можно определить, дифференцируя (12-8), предварительно подставив туда (12-17), положив а* = 1 и воспользовавшись соотношениями (12-21) и (12-41):

Х опа~ив~ Ьо

го. доем ззо тмтэ

(12-46)

Емкость юлеоеяторнозэ перехода С„, так же как и эмиттерного,

содержит барьерную и диффузионную емкости. Емкость С„с,р

вюжно определить, воспольаовавшись выражением (10-66):

С. зоа (12-47)

где 1„— ширина запираязцего слоя в коллекторном переходе при У = О. В качестве величины з„принимают обычно не всю плокв =

щадь коллекторного перехода, а только ее часть, ограниченную активнои частью, бааы: з„ж з„.где з, — площадь эмиттерного перехода.

Емкость С„ с,р в большинстве транзисторов относительно невелика (единицы или десятки пнкофарад), однако ее сопротивление (конечное на не слишком низких частотах) шунтирует высокоомное сопротивление коллекторного перехода и поэтому влияние'емкости С„з,р может быть весьма существенным.

Диффузионная емкость коллекторного перехода Соо, определяемая как отношение приращения заряда дырок в базе к приращению напряжения с/кв, приложенного к переходу, имеет существенное аначение при работе транзистора в инверсном режиме или в режиме насыщения. В активном режиме емкость Сзо значительно мсныпе диффузионной емкости эмнттерного перехода, так как изменение напряжения с/кв не приводит к изменению заряда ннжектируемых носителей, как зто происходит в эмяттерном переходе. Величина заряда в базе вблизи коллекторного перехода наменяется лшпь вследствие модуляции ширии базы.

Итак, мы рассмотрели'основные физические процессы в транзисторе. Величины, характеризующие эти процессы, часто называют физическими паразеетрами транзистора. Эти параметры попользуются в качестве элементов физических эквивалентных схем транзисторов-. Кроме того, как будет показано. далее, системы других параметров транзистора, характеризующие .его работу ' в статическом режиме, в режимах малого или большого сигнала и др., тесным образом свяааны с физическими параметрами. Эта связь поаволяет при анализе работы транзистора в той или иной схеме основываться на физических явлениях в приборе и, таким образом, грамотно решать задачи о рациональном построении раднотехщхческих устроиств.

Распознанный текст из изображения:

129. ТРАНЗИСТОР КАК ЧКТЫРИХИОЛЮСНИК

Транзистор является электропреобраэовательным прибором, фиаические процессы в котором используются для преобрааования энергии внешних источников постоянных напряжений в энергию преобразуемого сигнала. Токи и напряжения в транзисторе

в общем случае связаны нелинейными

гз

г

функциональными зависимостями. Поэтому четырехполюсник, эквивалентный транзистору (рис. 12-7), следует рассматривать как активный нелинейный четырехполюсник.

Как известно из теории цепей,

з,=~,(и;, и,);

1,=~,(и;, и,);

и,=~р,(1,; и,);),

1з = <рз (1,; и,). )

(12-48)

(12-49)

Эти функции можно записать в виде полных дифференциалов:

д1, д.,

оиз+ д оиз

(12-50)

й = — 'ь1и +=' Ии;

диз ~ диз

(12-51)

й, ' й,+ — 'й~,.

дп диз

Система у-параметров. Уравнения (12-50) уже использовались нами в гл. 3 при рассмотрении электронной лампы как четырехполюсника. Коэффициенты в виде частных производных в уравневиях (12-50) имеют размерность проводимостей, и эти уравнения можно записать в виде'

Изз = уззй4з + уъзйзз, ''(

И)з = УзФиз + Уазг)из

(12-52)

' Ивдексы прв величинах д состззязвы вз вздзксов соотззтствующвх

частвмх произзодвых в урззвзввях (12-50) прв чтзвяк сверху зввз.

298

Рвс. 12-7. Трзвзистор кав чз- свяаь между токами и напряжениями в четырехполюспике может быть представлена двумя функциональными аависимостями, причем в качестве аргументов могут быть выбраны любые две иа четырех величин: 1„1„и, и-и,. Таким обрааом можно получить шесть пар функциональных зависимостей. Для описания транзистора — четырехполюсника принято использовать лишь две из них:

Коэффициенты Уы, Упо У, и уы составляют систему У-параметров транзистора, которую мы рассмотрим ниже, в 9 12-6.

Система Ь-параметров. Наиболее употребвтельна, однако, система уравнений со смешанными Ь-параметрами, получаемая на основании (12-51):

Ни„=Ьпй,+Ь,зйиз' ~ й =Ь й +Ьзз1(из. 1

(12-53)

В этои системе два козэффидианта (Ьзз-.и Ьы) беэразмеРны Ьп имеет р ть сопротивления, а Ьзз — раюяерноахь йроводзт лйости. Физическии .смы коэффициентов можно уяснить,' полагая поочередно в уравнениях (12-53) й, 0 и з(из = О, что соответствует режиму холостогп хода.иа входе четырехполюсника н режиму короткойо замыкания на его выходе:

.Ьп = —,1~ ~„~ — (12-54)

входное сопротивление;

(12-55) '

коэффициент обратной связи по напряжению;

(12-56)

~.~ — коэффициент передачи тока;

(12-57)

299

', . — выходная проводимость.

Таким образом, система уравнений с Ь-параметрами содержит в качестве коэффициентов величины, характеризующие наиболее важные физические процессы в транзисторе как приборе, управляемом током.

В активном режиме к эмиттерному переходу подключено прямое напряжение и, следовательно, входное сопротивление транзистора мало, напряжение на коллекторном переходе обратное и выходное сопротивление транзистора велико. Таким образом, осуществление режима холостого хода на входе транзистора и режима короткого замыкания на его выходе, что требуется для измерения Ь-параметров, наиболее удобно.

Связь между системами параметров. Поскольку наряду с системой Ь-параметров испольауют также систему у-параметров, полезно знать соотношения между Ь- и у-параметрами. Удобней всего воспольаоваться для этого матричной формой записи уравнений четырехполюсника. Если, например,.токи и напряжения рассматривать как составляющие в прямоугольной система координат

Распознанный текст из изображения:

некоторых обобщенных векторов з и и то система уравнений с упараметрами запишется в матричной форме:

[з) =[у)[и1, (12-58) где

Уп Узз

(12-59)

— матрица полной проводимости четырехполюсника.

Для системы с Ь-параметрами.(обобщенные векторы юз и шз) запишем:

[юз1 = И [ю,1, (12-60)

где

(12-61)

Матрицы [у) и [А) связаны между собой соотношениями

[у1 =—

1

'Ли

(12-62)

Ум

у !у!

(12е63)

Уы

определитеяи соответствующих матриц.

В табл. 12'-1 сведены формулы пересчета для отдельных параметров каждой иэ систем.

Таблица 12-1

Иввестимй периметр

Неизвестный

пзрсметр

[л)

Здесь )у ) и )Л )—

[е„ е„1

с

Лез

Лзз

— семейство входных характеристик;

(7з=[з((7в) Прн Хз=СОВЗ1

— семейство характеристик 'обратной связи по

жению;

уз=туз(уз) пРи 17з=совз1

(12-65)

напря- (12-66)

— семейство характеристик передачи тока;

12-4. СТАТИЧКСКИК ХАРАКТКРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА

Квк в для электровзпзх ламп, основпыми зависимостями между напряжениями и токами, испольэуемымн при инженерных расчетах схем на транзисторах, служат статические характеристики прибора. Если в качестве статических характеристик транзистора избрать функциональные гзависимости между любымв двумя величинами иа четырех при условии, что одна из двух других будет поддерживаться постоянной, то можно получить двенадцать различных семейств хараятеристик для каждой из трех схем вйлюченвя. На практике, естественно, нецелесообразно пользоваться таким количеством взаимосвязанных кривых. Связь между токами н напряжениями в транзисторе принято представлять четырьмя семействамв характеристик, выбор которых определен практической рациональностью и связан с наиболее употребительной системой Ь-параметров.

В качестве статических характеристик транзистора использузуются:

1тз = 1з (уз) при ст'з = совзс (12-64)

ув трв ((7з) при 1з = совет (12-67)-

1

Уп

П

Л,з ми =г- ч'

л.

Узт иЛзз Узз

ли

1

ли

Уы

Ум

л

Уы

лм-—

Ум

Узз

,. пве;.пн

Уы

— семейство выходных хараюперистик.

В зависимости от схемы, включения транзистора в качестве входных (зз и зтз) и выходных (урн Уз) токов и напряжений используются токи и напряженна того ияи иного электрода.

Наибольшее применение в инженерной практике находят входные и выходные характеристики транзистора. Два других семейства используются значительно реже и, если они не приводятся в справочнике, можно в случае .необходимости построить их, используя семейства входных и выходных характеристик.

Статические характеристики идеализированного транзистора. В качестве основы для определения характера аналвтических зависимостей (12-64) и (12-67) можно использовать модель транзистора (рис. 12"8, а), включенного по схеме с общей базой. В этой схеме электронно-дырочные переходы изображены в виде двух диодов, включенных навстречу друг другу. Это позволяет рассматривать работу транзистора в активном и инверсном режвмах. Коллектировавие носзггелей зарядов, инжектируемых через эмнтЗЕ1

Распознанный текст из изображения:

ая

Рвс. (2-8. Модель ядеалвзироваввого транзистора, включенного во схеме

ОБ (е) и его входные (б) в выходные (в) характеристики.

Инжектируемый' ток в любом из переходов можно представить, используя зависимость (10-52) тока от напряжения на электронно-дырочном переходе при условии короткого замыкания цепи другого перехода. Ток, 'инжектируемый через эмиттерный переход при аамыканик цепи коллектор — база, равен:

/ еУ~ц

11 = 1эвк (,е "' — 1).

(12-68)

При замыкании цепи эмиттер — база ток, инжектируемый

через коллекторный переход,

/ епкв

1з =1квк~е "т — 1).

(12-69)

Токи в цепях'коллектора и эмиттера представляют собой алгебраическую сумму инжектируемого и коллектируемого токов:

1э=1,— аю1,; (12-70) 1к=,а1,— 1,. (12-71)

Подставляя 'сюда соотношения (12-68) и (12-69), получаем:

'пэв / ~пкв

1э=1эвк (е Лт — 1/ — ат1квк(е "т — 1);

м'эв / "'кв

1к = а1эвк (е "т — 1) — 1квк (е "т — 1).

(12-72) (12-73)

терний переход в активном режиме, отображается генератором а1,. В инверсном режиме носители зарядов инжектируются коллекторным переходом и коллектируются эмиттером. Эти процессы отображаются генератором а~1ю

При рассмотрении процессов в этой модели транзистора эффектом модуляции ширины базы, объемными сопротивлениями электродов, влиянием емкостей переходов и т. д. пренебрегают. Таким обвазом, модель (рис. 12-8, а) представляет собой некоторый идеализированный транзистор.

Решая (12-72) относительно 1/эв, получаем выражение дляидеализированных входных характеристик транзистора:

/ пкв

Г, — 1 ' -~-1-~- ( ~ — ~Ц. с2-1с

эв е ьтэвк

/ еиэв

Переписав (12-72) относительно величины (е "т — 1) и подставив его в (12-73), получим:

/ пкв

1к = а1э -1кво (е ьт — 1).

(12-75)

В решениях (12-74) и (12-75) использованы выражения (12-12) и (12-13), а также соотношение

а1эво = ат1кво1 (12т76)

связывающее между собой четыре независимых параметра и полученное авторами рассматриваемой модели на основании более углубленного анализа.

Выражения (12-74) и (12-75) описывают входные и выходные характеристики идеализированного транзистора (рис. 12-8, б и в).

При Укв = 0 выражение (12-74) принимает вид:

ьт ~ тэ

1/эв = — 1п ( + 1). (12-77)

(уэвк

ьт

В активном режиме при (/кв ( 0 и ~ Укв ~ ~ь — выражение в круглых скобках в (12-74) стремится к — 1. Полагая далее 1 — а ж О, запишем (12-74) в следующем виде:

ьт 1э

Пэв — — 1» ° (12-78)

~эвк

Следовательно, характеристики в активном режиме (з/кв ( 0) должны лежать выше кривой, соответствующей значению 7Укв = О.

В режиме насыщения (Укв ~ О) характеристика смещается вниз и вправо относительно кривой при Укв = О.

Иначе говоря, при некотором заданном напряжении Уэв ток 1э в активном режиме больше, а в режиме насыщения меньше этого тока при Укв = О. Это объясняется различными значениями градиента концентрации неосновных носителей в базе при этих режимах (см. рис. 12-5).

Выходные характеристики при Укв(0 соответствуют активному режиму. В этом случае при )Юкв) ьйТ/е величина в скобках в выражении (12-75) стремится к — 1, и это соотношение принимает вид, тождественный (12-8):

1к =а1э+1кво. (12-79)

При нулевом токе эмиттера в коллекторной цепи протекает

ток 1кво, величина которого для модели транзистора не зависит

Распознанный текст из изображения:

от напряжения Укв и определяется только концентрацией иеосновных носителей в базе и коллекторе. С увеличением тока эмиттера возрастает и ток 1к. Поскольку в' рассмотренной модели принята независимость величины а от тока 1э, равные приращения тока 1э (1э — 1э = 1э' — Хэ ".) вызывают и равные приращения коллекторного тока.

В режиме насьпцения (Укв ) 0) развивается инжекцпя дырок из коллектора в базу, навстречу потоку дырок, движущихся от змиттера через базу к коллектору. Ток коллектора при этом резко уменьшается.

Реальные характеристики транзистора из-За влияния ряда причин, ие учтенных в рассмотренной модели,.несколько отличазотся от идеалиаированных, хотя общий характер зависимостей, представленных на рис. 12-8, б и е, сохраняется.

Статические характеристики реального транзистора в схеме ОБ показаны на рис. 12-9 *.

Входные характериапики. Прн Укн = 0 входная характеристика Уэв = Хь (1э) (рис. 12-9, а) практически близка к вольтамперной характеристике реального диода, отличия которой от характеристики идеализированного диода были рассмотрены в 1 11-3. При Уэв ( 0 ток 1э = Хэнк. Этот ток и его зависимость от напряжения Уав определяются рядом физических параметров материала -(сравнительные величины составляющих теплового тока, тока генерации и тока утечки), площадью перехода и т. д. При Уев) 0 характеристика отличается от характеристики идеализированного транзистора вследствие влияния процессов рекомбинации в эмиттерном переходе, а также'за счет падения напряжения на объемном сопротивлении базы.

В активном режиме (Унв ( 0) реальная характеристика значительно более, чем характеристика идеализированного транзистора; смещается в сторону больших токов Хэ. К причине, рассмотренной для идеализированного транзистора, добавляется влияние эффекта модуляции ширины базы. При увеличении отрицательных напряжений Укв коллекторвый переход расширяется; протяженность базы уменьшается и при постоянном напряжешщ Уэв ток 1э возрастает в силу. растущего градиента концентрации иеосноввых носителей в баае (см. рис. 12-6).

' В режиме насьпцения (Укв ) 0) иа величину смещения рерльной характвристнки в сторону меньших токов 1э также влияет эффект модуляции ширины базы.

Выходные характеристики 1к = щз (Укв) (рис. 12-9, б) в активном режвме при отрицательных напряжениях Укв невначи-

ь На характеристиках здесь н далее полярность няпряжоннй указана првыонвтоаьно н транзистору типа р-л-р. Для трзнзнсторз типа и-р-я полярность нзпряжзвнй обратная. В качестве положительных нзпразлсвнй токов приняты: тон уэ, текущий во внешней цепи н зывзтсру; ток 1к, текущий во внетвой попа от коллетора; тон 1в, токущвй во внешней пэпа от бззм. Зэо

тельно отличаются от характэристин идвализнрованиого транзистора. Отличие прежде всего заключается в некотором росте тока 1к с увеличвнием отрицательного напряжения Укв (характеристики непараллельны оси абсцисс). Этот наклон характеристик обусловлен влиявией эффекта модуляции ширины базы.

С ростом отрицательного напряжения Укв ширина базм уменьшается, увеличивается градиент концентрации дырок в базе Рвз. 12.Э. Статвеенвс харантернстннн трзвзнстора, внлючеввого пе сявка

ОБ.

а — зхсазые; с — зыхоязыс; в — лереаз ж влы; е — сорзтвоа сзязл. и ток Хэ должен увеличиться. Для поддержания тока 1э постоянным необходвмо уменьшить нанрюкенне Уэв, обеспечивая условие Фр/дх, сопз1 (см. рнс. 12-6). При неизменном токе 1э, но при более .узкой базе уменьшается вероятность рекомбинации дырек в бааз, растет коэффициент а.и, следовательно, тон 1к. '.

Этот эффект может быть умен добавлением в (12-79) дополнительного слагаемого: 1к ссХэ+Хкво +— 1б пэ! ~я. те где г„ляе — усредненное дифференциальное сопротивление коллекториого перехода, определяемое выражениями (12-45) и (12-46).

Распознанный текст из изображения:

Второе отличие заключается в не всегда равных приращениях тока 1к прн одинаковых изменениях тока эмиттера (1э" — 1э = = 1э — 1э ...). Это объясняется уменьшением коэффициента а при увеличении тока 1э по причинам, которые мы обсудим ниже.

При больших отрицательных напряжениях ХХкв наблюдается рост коллекторного тока, обусловленный приближением к области пробоя коллекторного перехода. С увеличением напряжения [ХХкв~ коэффициент лавинного размножения М становится заметно болыве единицы [см. выражение(10-60)), а при [ХХкв~ = ХХпроб . коэффициент М вЂ” > оо. С ростом М увеличивается соответственно и ток 1к.

Напряжение ХХкв при котором ток 1к = М1кво (1э = 0) стремится к бесконечно большой величине, обозначают для транзисторов символом ХХквопроб При болыпих токах 1к лавинвый пробой может перейти в тепловой пробой, при котором транзистор выйдет из строя.

На семействе выходных характеристик нанесена кривая максимально допустимой рассеиваемой мощности коллектора Рк„,„„ 'ограничивающая ток 1„ и напряжения ХХкв областью характеристик, лежащих ниже этой кривой.

В области насыщения (ХХкв) 0) коллекторный переход открывается, возникает встречный поток дырок из коллектора в базу и ток 1к резко уменьшается. В этой области реальные характернстики несущественно отличаются от характеристик идеализированного транзистора.

Характеристики передачи тока Хк = ~рв (1э) при ХХкв = сопзг (рис. 12-9, е) представляют собой практически почти прямые линии с углом наклона к оси абсцисс, несколько меныпнм я!4, так как а ж 0,95 —: 0,99. При отрицательном напряжении (Хнам угол наклона характеристики к оси абсцисс несколько увеличивается, что объясняется ростом коэффициента а, обусловленным уменьшением ширины базы за счет расширения коллекторного перехода, при этом, как следует иэ (12-21) увеличивается коэффициент ап. При 1э = 0 ток 1к = Хкво и характеристика начинается не из начала координат.

С ростом 1э характеристики несколько отклоняются от прямолинейных и коэффициент а уменыпается. Это объясняется уменьшением коэффициента инжекции у, что обусловлено модуляцией е сопротивления базы ва счет ннжектированных из эмиттера в базу' носителей.

Характеристики обратной связи ХХэв = Хв (ХХкв) при Хэ = сопзз (рис. 12-9, г) отображают сравнительное воздействие напряжений на эмиттере и коллекторе на ток 1э. Из этих характеристик хорошо видно значительное влияние напряжения ХХэв, воздействующего на высоту потенциального барьера в эмиттерном переходе, на ток 1э и слабое влияние на этот ток (за счет модуляции ширины базы) напряжения ХХкв. Последнее отображается незначительным наклоном характеристик к оси абсцисс, так как

зоз

й'

,ъ1

прн Увеличении [ ХХкв [ и для выполнениЯ Условия 1э = сопз1 напряжение Уэв необходимо уменьшить. Увеличение расстояний между соседними характеристиками при равных приращениях тока Хэ происходит в соответствии с экспоненциальным законом роста 1э при увеличении ХХэв.

Статические характеристики в схеме с общим эмиттером. Входные характеристики ХХвэ = Хз (1в) (рис. 12-10, а) внешне сходны с входнымй характеристиками и схеме-явВ-.- Одиако-ток .-- Рмс. 12-10. Статические характеристики транзистора, включенного по схеме

ОЭ.

о — вхоавмо; б — вмвопвыо; о — передачи вовв; в — обрвтвоа овявв 1в 4, '1э и его приращение на единиЦу напряжения ХХвэ значителъшгхшиьпге'."'згассштао~убоси токов дл кпюзыя-явь рио.-42.-10, а крупней масштаба иа рис. 12-'9, а. Иное влияние оказывает на кривые и напряжение ХХкэ4,!С увеличением отрицательного напряжения ХХкэ при ХХнэ = сопз1 ток 1в уменьшается; так' как уменьшение ширины базы при этом, естественно, снижает 'вероятность рекомбинации в базе неосновных .носителей.

При ХХвэ = 0 и ХХкэ ( 0 в базовой цепи течет ток, равный обратному току эмиттер — коллектор —.Хв = 'ХкэмХ В соответствии с ранее принятым условием относительно направления

Распознанный текст из изображения:

токов (см. сноску на с. 304) отрицательный ток -базы течет во внеш. 'ней цэпи к базе. При включении положительного напряжения ХХвэ отрицательный ток базы несколько увеличивается. Причи- ' ну этого мы обсудим ниже прн рассмотрении выходных харак- ° теристик.

р *,р, р р, = р, р (рис. 12-10, 6) ичаются о а актеристик в схем~ О „риХХвэ-т-й.м..кэ-== любой пар элект одев равна н л<о и токи в з э р р р р ар=сир 'канне цепи база — эмиттер, рис. 1211Ц, но 'йодать на коллектор ' относительна эвщтхвра атрид»тель- ' ' ное „напряжение — Удэ то в кол< <ррз

лекторнойцепй потечет о ратныи ток

.1нэк рквкр<гик как в режиме ко- К роткого заяв)кания цепи эмиттер —,,

база схемы ОБ и ОЭ ничем не отлиу'>э чаются друг от друга. В базе тран- ' Озз

зистора ток 1кэк складывается из ' гм двух компонеитов: тока, текущего

от змиттерного перехода к коллек— < — торному в результате существующего;

+ "' в базе градиента концентрации ды-,' гз Р рок (см. рис. 12-5, э, кривая 1),:,' ррз тока — 1в, втекающего в базу из, короткозамкнутой цепи эмиттер — ' база. То — 1в зависит только от ; Рас. <2-11. Токи в транзисто- напря ения кэ и с отив ия. рз зключзлиоз< по сх'и' ОЗ кол»екторного перехода. Если разо- .

вать цепь эмиттера, то ток в цепи'" базы не изменится, первый комп

о рФвен н асп е е в аэе удет соответствовать кривой 3 на рис. -,, хема у ОБ с разомкнутой цепью эмиттер — база. В цепи коллектора ток уменьшится, следовательно, до значения 1кво, а поскольку цепь "" тока неразветвленная, то — 1в = 1кзо. Рассмотренный случай (Хаев 0) соответствует границе между режимом отсечки и активным режимом (нижняя кривая на рис. 12-10, б).

Если подать иа базу положительное напряжение -(ХХвэ ) 0), то эмиттериый переход будет включен в обратном направлении, в базе пп<т<чзт пбратвйн ток базы Хнах "(рис. 12т11), часть дйрон; иеосийиййх носйтэлвй базы, уходивших при Увэ ° 0 через кол- ., лекториый переход, теперь устремится через эмиттерный переход;. и ток в цепи коллектора уменьшится.

Область выходных характеристик, лежащая ниже кривой . — Хв = 1кво, соответствует режиму отсечки.

При подаче на базу отрицательного напряжения (ХХвэ (0) ср

эмиттервз<й переход открывается и транзистор переходит в актив- - ':

ный режвм в том случае, если ~ ХХкэ () ~ ХХвэ ~ (коллекториый переход закрыт). В противном случае (< Укэ < (! ХХвэ <) разность потенциалов коллектор — база положительна, коллекторный переход окааывается включенным в прямом направлении и транаистор работает в режиме насыщения.

Таким образом, активному режиму соответствует не вся область характеристик, лежащая выше кривой.при — 1в Хкво, а лишь та ее часть, где выполняется условие ~ 'с<кэ ~ ) ( ХХвэ ~. Па сэмействе выходных характеристик (рис. 12-10, б) граница между режимом насыщения и аФти ж во вид а,. она проходит через точки иалома характеристик. В области режима насыщения ток 1к резко падает с уменьшением отрицательного напряжения 11кэ в области активного режима кривые 1к = = <рз (ХХкэ) более пологие'..

Рассмотрим вначале характеристики в активном режиме. С подачей на базу отрицательного от осительно эмиттера нап яжения через эмиттерный пе о течет ток, о нн щ дня<акции неос-

р р-ь дсрь зр ар через базу,и собирается коллекторпым переходом; меньшая часть этого ч<бтока создает в,выводе базы з» 'счет рек(вйбйз~ацйпцэложительный ток Хв, вытекающий из базы и.вы~йтающийся иэ тока — 1в, втекающего в баау (рнс. 12-11). С увеличением отрицательного напряжения ХХвэ ток 1в ) 0 растет и при некого ом значенйд этого на азе оказывается вавным нУлю (1в — — 0)р-что экъз<валентн<<"'Р»эмйк»йию цепи базы. При этом ток коллектора'-воэраета<<г уййл<ик"врубку-.Х2<йб-добавляется тои коллектирования ))Хв. Поскольку в этом случуъ Нн.)

) Хкво ), то суммарный ток коллектора, обозначаемый Хяэо, равен: 1кэо = 1кво+ ()Хв = 1кво (1+ ~).

(12-81)

Это выражение тождественно ранее полученному 'выражению (12-26).

Рассмотр»иному случаю соответствует характеристика при 1в .0 на рис. 12-10, б.

Дальнейшее увеличение отрицательного напряжения ХХвэ сопровождается ростом тона через эмитте ны" н чиг увеличением положитеррьного тока и тока 1н спбирвемвхо коллектором. следствие этого кривые п и ольших токах Хв соответствуют воэрастающ тока к. Днако равйые приращения тока 1в (1в' --Хв .--Хв — 1в .'У'нь<згавают различные по мере рост».1в приращения <зХк коллекторного тока. Это объясняется эавиоимостью коз<)рфициецта' р от тока 1в, причины которой мы обсудим ниже, при рассмотрении характеристики Хк = <Рз (Хв)

Выходные характеристики в схеме ОЭ в активном режиме отличаются болыпей эа дног<< тода н от вйходного напряжения 41пэ, йбйвпгв бкттйвном режиме в схеме ОБ.

309

Распознанный текст из изображения:

Это обьясняется следующими причинами. С увеличением отрицательного напряжения 17кэ коллекторный переход расширяется, а база становится уже. Уменьшается при этом вероятность рекомбинации в базе, а следовательно, и базовый ток. Для поддержания тока 1в постоянным необходимо увеличить напряжение Пвэ, в результате чего растет инжекция носителей из эмиттера в базу, а следовательно, и коллекторный ток. Поскольку, однако, ток 1в не сильно зависит от напряжения Увэ, то для поддержания тока 1в постоянным требуется существенное .изменение 11вэ. Таким образом, в схеме ОЭ рост тока 1к при увеличении 11кэ происходит в результате вынужденного для выполнения условия 1в = сопэ1 увеличения тока 1э.

Для аналитического описания зависимостей 1к = ор4(11кэ) в активном режиме можно воспользоваться соотношением (12-24), добавив в него по аналогии с (12-80) дополнительное слагаемое, характеризующее зависимость тока 1к от напряжения (1кэ:

1к = ~1в +1КЭО + —, ', (12-82)

й. ппе

где и Рно. 12-12. Начаньнан об- Рассмотрим теперь характеристики насть выходных харантев режиме насыщения. Как уже отмеча- .,'

К рнстнк транзистора,п скеме ОЭ, ' лось, РежимУ насыЩениЯ соответствУет

часть выходных характеристик, отличающихся резким падением тока 1К с уменьшением отрица-, тельного напряжения 11кэ. В точках излома характеристик ) (1кэ ~ = | О'вэ 1 При дальнейшем уменьшении напряжения ( 11кэ ) разность потенциалов коллектор — база становится', положительной, коллекторный переход оказывается включенным в прямом направлении и поток дырок из базы в коллектор компенсируется встречным диффузионным потоком дырок . из коллектора. Ток коллектора быстро падает с уменьшением ( 11кз 5 характеристикам с меньшим значением тока 1в = сопэ1 соответствуют менее отрицательные значения напряжения Увэ, поэтому переход в режим насыщения происходит при меньших величинах Окэ.

На рис. 12-12 в укрупненном масштабе покааана начальная область выходных характеристик в схеме ОЭ. Ток коллектора равен нулю при некотором отрицательном напряжении 11кэ. Это напряжение невелико: для кремниевых транзисторов оно равно нескольким десятым долям вольта. Используя соотношение (12-74) и (12-75) для модели идеализированного транзистора, можно показать, что 11кэ — 1паы Анализ фиаических причин, объясьг е 310

няющих это явление, выходит эа рамки настоящего курса, однако сам факт имеет существенное значение для микромощных, главным Образом интегральных, транзисторов.

Как и в схеме ОБ, значительное увеличение отрнцательного напряжения на коллекторе приводит к пробою транзистора в в схеме с общим эмнттером. Одн о НИЕ КЭО пробо котором развивается пробой, в этой схеме (1в = 0) меньше напряжения 11кво,роб для схемы ОБ. В самом деле, в результате лавинного размножения носителей в коллекторном переходе коэффициент а возрастает примерно в М раз, где М вЂ” коэффициент лавинного размножения (10-59).

Следовательно,

ма

1 — Ма

(12-84)

и лавинный пробой (р -о оо) возникает при Ма -о 4.

Напряжение с1КЭО „р,б можно определить, используя выражение

(10-60) и подставляя туда значение М = 1!а:

ь

1'кэо проб ~'кво проб у 1 — ы (12-85)

ЗН

При Ь = 3 и' а 0,98 напряжение пробоя в схеме ОЭ оказы- ваетсЯ пРимеРно в тРи Рава меньше О'квопроб.

Напряжение пробоя в схеме-ОЭ зависит от тока 1в. С ростом положителъного тока базы величина напряжения пробоя уменьшается, и наоборот, при 1в ( 0 пробой наступает при напряжениях ! (1кэ ! ) ! 11кэо проб

Важную роль в развитии пробоя транзистора играют величины сопротивлений резисторов, включенных в цепи базы и коллектора, 17б и Л„. При Лб = 0 пробой возникает при напряжениях, равных ("кво роб с Увеличением Лб напРЯжение пРобоЯ Уменьшаетсн н в случае Вб -о оо (обрыв базы) равно 11КЭО проб. Поэтому при включении транаистора в схему необходимо прежде всего подключать вывод базы, чтобы избежать пробоя.

Резистор Л„ограничивает ток в коллекториой цепи. Поатому при достаточно малом Вп лавинный пробой может перейти в необратимый тепловой пробой.

В транзисторах с высоким удельным сопротивлением базы наблюдается так называемый эффект смыкания переходов, при котором часть коллекторного перехода, лежащая в базе, при больших отрицательных напряжениях 11кэ расширяется настолько, ' что области объемных зарядов эмиттерного и коллекторного перехода смыкаются. Ширина базы ю оказывается равной нулю, согласно (12-21) коэф$ициент пп = 1, коэффициент 5 -о оо и наступает пробой.

Характеристики передачи тока 1к = оре (1в) (рнс. 12-10, в) составляют с осью входного тока значительно болыний угол, нежели в схеме ОБ (на рис. 12-10, в масштаб оси 1в крупнее масштаба

Распознанный текст из изображения:

13-5. СТАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРА

Статические параметры'транзистора характеризуют свойства прибора в статическом режиме, т. е. в том случае, когда к его электродам подключены лишь источники постоянных напряжений.

Система статических параметров.транзистора выбирается таким образом, чтобы с помощью минимального числа этих параметров можно было бы наиболее полно отобрааить особенности статических характеристик транаистора в раздичных,. Режимах. Можно выделить статические параметры режима отсечки, активного режима и режима насыщения. К статическим параметрам. относятся также величины, отображающие характеристики вблизи пробоя.

Статические параметры в активном режиме. Стктическим параметром для этсго режима служит статический коэффициент передачи жопа в схема ОЭ:

~к ~кво

патэ =

гв+гкво

(12-86)

313

оси 1э на рио. 12-9, в). Это и понятно, так как ток 1в составляет лишь незначительную долю (0,01 — 0,05) тока эмиттера и, следовательно, во много раз меньше тока 1к. Отклонение характеристик от прямолинейного закона, т. е. аависимость р (1в), объясняется теми же причинами, что н аависимость а (1э), но следует иметь в выду, что при изменении а всего лишь на 5% (от 0,9 до 0,95) коэффициент 6 увеличивается более чем в два раза. Поэтому на характеристике 1к = <рг (1в) заметно уменьшение (5 не только в области больших токов 1в, что соответствует уменьшению и при больших токах 1э, но и снижение коэффициента () ыри очень малых токах базы. Уменыыеыие коэффициентов и и р в областк малых токов происходит по причине возрастающего относительного влияния тока рекомбинации в эмиттерном переходе,н, следовательно, уменьшения коэффициента инжекции у. В соответствии с этим характером зависимости 6 (1в) изменяется и интервал между выходными характеристиками (рис. 12-10, б).

Смещение характериотики при Окэ (0 в сторону оси коллекторного тока является следствием увеличения тока 1э, а следовательно, и тока 1к при 1в = сопз1 (подробно это явление рассматрнвалось при обсуждении выходных характеристик). Как уже отмечалось, ток коллектора при 1в = 0 и с'кэ ( 0 равен 1кэо.

' Характеристики обратной связи 11вэ =1г(Окэ) при-1в = = сопз1 (рис. 12-10, г) отличаются от аналогичных характеристик - . ' для схемы ОБ иным наклоном к оси абсцисс. Причина этого отли- .. чия уже упоминалась при обсуждении влияния напряжения Окэ на входные характеристики..Она ааключается в уменьшении тока 1в при увеличении ) Окэ ~ за счет модуляции ширины базы в от личие от характерного роста тока 1э при увеличетшй нйпряжеыкя (7кв в схеме ОБ.

Это саотношеиие совпадает с уже известным соотношением (12-27), и, таким образом, коэффициент Амэ по сути дела является интегральным коэффициевтом передачи базового тока 6.

В большинстве случаев, однако, статический коэффициент определяют как

~к

"ма =—

~э

(12-87)

пренебрегая током 1кво, что вполне допустимо при условии, что 1в ) 201кво. Это.керавеыство выполняется в большинстве при-. менений транзисторов, исключая лить случаи так называемых микрорежвыов, а также работы при высоких температурах.

Как правило,при инженерных расчетах схем на транзисторах пренебрегают аависимостью тока 1к от напряжений Окв или Окз. В этих условиях коэффициент ймэ однозначно определяет положение рабочей точки на статических, характеристиках транзистора, если только при этом задан ток 1в или же ток 1э.

В качестве статического параметра активного режима используется также статическая крутизна прямой передачи в схеме ОЭ:

гк

ума=в

Пвэ 1икз

(12-88)

313

Статические параметры в режиме отсечки. В качестве этих ° параметров используются обратные токи в транзисторе, т. е. токи через эмиттерыый или коллектЬрный переход, находящийся под обратным напряжением.

Статические параметры режима отсечки в значительной мере определяют температурную нестабильность работы транзистора и обязательно используются во всех расчетах схем на транзисторах. К числу этих параметров относятся следующие токи, уже обсуждавшиеся в предыдущих параграфах.

Обратный тон коллектора 1кво.— это ток через коллекторыый переход при заданном, обратном напряжении коллектор — база и разомкнутом выводе эмиттера.

Обратный гпок вмиттвра 1эво — это ток через эмиттерыый переход при заданном обратном напряжении эмиттер — база и разомкнутом выводе коллектора.

Обратный тон коллектора 1квк — зто тек через коллекторный переход при заданном обратном. напряжении коллектор — база и при замкнутых накоротко выводах эмиттера и бааы.

Ображнмй жой 1звк — это ток через эмиттерный переход нри заданном обратном напряжении эмнттэр — бава и при замкнутых ' накоротко выводах коллектора и базы.

Обратный жон нааввнпюр — гмиттвр — ток в цепи коллектор — эмиттер при заданном обратном напряжении Окз. Этот ток обозначается: 1кэо — при разомкнутом выводе базы; 1кш,— при норатко замкыутых выводах эмиттера и базы; 1кзп — при за-

Распознанный текст из изображения:

данном сопротивлении в цепи база — амиттвр; 1кэх — при заданном обратном напряжении Пвэ.

Физическая природа обратных токов, используемых в качестве статических параметров, обсуждалась в 3 12-2. Связь между токами 1кво~ 1эво~ 1квк и 1эвк дана соотношениями (12 12) и (12-13).

Статические параметры в режиме насыщения. В качестве параметров в этом режиме используются величины напряжений между электродами транзистора, включенного по схеме ОЭ.

Напряжение насыщения коллектор-змиттер Пкэннс — это напряжение между выводами коллектора и эмиттера в режиме насыщения при заданных токах базы и коллектора,

Напряжение насыщения база — змиттер Пиен«с — напряжение между выводами базы и эмиттвра в режиме насыщения при заданных токах базы и коллектора.

При измерениях Пкэ нсс и Пвэ нсс ток коллектора задается чаще всего равным номинальному значению, а ток базы задается в соответствии с соотношением

1в = Кна«1в~ (12-89)

где Кн«с коз4$ициент насыщения; 1в — ток на границе насыщения.

В качестве параметра в режиме насыщения иногда используется величина сопротивления насыщения

Гнас = (12-90)

~к ннс

где 1к „вЂ” постоянный ток коллектора в режиме насьпцения.

Статические параметры в области пробоя. Основными параметрами в этом режиме служат уже известные нам величины.

Пробивное напряжение коллектор — база Пиво нрсс — это пробивное напряжение между выводами коллектора и базы при заданном обратном токе коллектора 1кво и токе 1э = О.

Пробивное напряжение коллектор — змиттер — пробивное напряжение между выводами коллектора и эмиттера при заданном токе 1к.

Напряжение Пкэонрсв определяется соотношением (12-85):

ь

Пкэонрс«.=Пквосрсс У 1 сс.

12-6. РАБОТА ТРАНЗИСТОРА С СИГНАЛАМИ МАЛЫХ АМПЛИТУД

Нри работе транзистора в схемах, как и в случае использования электронных ламп, в цепи его электродов подключаются не только источники постоянных напряжений, но и источники сигналов, подлежащих преобрааованию, а также элементы нагрузки (резисторы, обмотки трансформаторов и др.).

Сигналы, преобразуемые в радиотехнических схемах на транзисторах, могут иметь различную форму (гармонические, сложным

314

Ен = 1кВн+ Нкв,

Ин ГГ „

1к = — — —.

Ли . Ин

(12-91)

или

(12-92)

В координатах выходных характеристик 1к =1 (Пкв) выражение ~12-'92)" — ' это уравнение 'прямой ййнии, которую' легко построить, вычислив "отрезки, отсекаемьтв этой прямой на осях ординат:- при 1к = О Пкв = Ек и при Пкв = О 1к =. Ен/Вн (рис. 12-14, в). Поскольку ток 1э задан батареей Е, и резистором В„рабочая точка А' на выходных характеристиках определяется однозначно: в точке пересечения нагрузочной линии с выходной характеристикой соответствующей заданному току 1э = 1э 1«г

313

образом модулированные, импульсные и др.), а также отличаться' по частоте.

Один нз простейших случаев — работа транзистора в качестве усилителя низкочастотного (не выше единиц мегагерц) синусоидального сигнала малой амплитуды (малого сигнала). Под термином «малый сизналь по , синусоидальное

рина«,= С «~~. уд .с н н~ мала, так что в пределах изменения напряжения малого сигнала статические характеристики можно считать (без болыпой погрешности) линейными, а сам транзистор рассматривать как линейный четырехполюсник.

Работа транзистора в схемах преобразования сигналов более высоких частот, сигналов импульсной формы с малым временем нарастания и спада напряжения или тока либо сигналов с большой амплитудой отличается в каждом из этих случаев специфическими особенностями, которые мы рассмотрим в н. последующих параграфах. й

с, Транзистор — усилитель слз л„

Евсин«1«ир малого сигнала. Упрощенная схема одной ступени г,( усилйтэтпгйй транэиСтоРе, вк схеме, Рис. 12-13. Упрощенная схема усилителя показана на рис. 12 13 иа транзисторе, нилючеииои по схеме ОБ. Резистор В, во входной цепи транзистора задает постоянный ток эмнттера, в цепи которого включена батарея постоянного напряжения Е,. Во входную цепь включен тавже источник усиливаемого сигнала. Конденсатор С, отделяет цепь входного сигнала от цепи Е,. В цепи коллектора включен источник постоянного напряжения Ен, питающий коллектор через резистор Вн, служащий нагрузкой в выходной цепи.

Построение иагрузочной линии основывается на тех же принципах, как и для усилителя на электронной лампе (4 3-4).

Для коллекторной (выходной) цепи можно записать на основании закона Кйрхгофар-

Распознанный текст из изображения:

Как и в случае усилителя на электронной ламяе, нагруаочная ливия является геометрическим местом точек, соответствующих условию Еи = сопзФ и Ви = сопэФ.

Отметив точки пересечения нагрузочной линии с выходными статическими характеристиками, можно постровть нагруаочную. характеристику и на семействе входных статических характеристик. Однако, как известно, влияние напряженая Пкв на входной ток 1э очень мало и входные характеристики при различных значениях Скв очень слабо отличаются друг от друга, образуя узкий пучок блиако расположенных кривых (рнс, 12-14, а).

Рвс. 12-14. Работа трсвоистора как усылитсли.

о нхоаиыс хереитсристини; б — тавры тоне хэ; е — построение нструеочиоа припоя

не сеыейстее еыхоаныт. херснтеристнн.

Поэтому для транзистора, как и для пентода, в справочниках н.

паспортах приводится обычно одна входная характеристика, соответствующая номинальному значению Скв.

Таким образом, нагруэочную входную характеристику можно

беа большой погрешности заменить статической входной характеристикой, как и сделано ка рис. 12-14, а.

Принцип работы усилителя может быть объяснен с помощью

построений, выполненных на рис. 12-14. В отсу7%твиэ пигнала

', (и,х = О) напряжение на эмиттерном переходе Сев~о и ток 1э~о~

(рабочая точка А на рис.'12-14, а) задаются батз~МГЕе и резистором В,. При включении генератора "сигнала синтсопдалькое

напряжение, показанное на 'рис. 12-1о, а в виде'графика В (г),

алгзбранчески суммируется с напряжением. пзв<е1 и рабочая

точка перемещается по входной характэрйстнЖ, бйисывая траекторию между точками В и С, соответствующими экстремальным :-"')

313

~ Ф„,'-,

значениям напряжения и„. Если амплитуда сигнала мала, то участок входной характеристики между точками В и С можно без большой погрешности заменить отрезком прямой липин.

В соответствии с изменением мгновенного значения напряжения Сев~о~ + и,х, в фазе с ним меняется и ток эмвттера (рнс. 12-14, б). Поскольку 1э м 1к (а ы 0,98 и более), иаменения тока 1к в вы-. ходной цепи следуют эа изменениями входного тона 1э. Рабочая точка А' иа выходных характеристиках при этом перемещается пе ва уэочной линии между точками В' и С'.

ф

ротеная через резистор В„, ток 1к создает на вем падение напряжения, причем с увеличейием тока 1к'(при положительном полуперводе напряжения П,„) возрастает напряжение Увн = 1кВи, а напряжение между коллектором и базой в соответствии с (12-91) уменьшается. И наоборот, при уменьшении тока 1к. напряжение Снв растпЦВыходвым напряжением служит напряжение между коллектором ц базой, следовательно, и,„х изменяется в противофазе с током 1кГ а значит и с напряжением инх.

~Пративофазвое изменение напряженая Свв создает так называемую реакцию выходной цени: с ростом и„, 1э и 1к напряжение Пкв падает, вследствие чего оно должно противодействоветь увеличению выходного тока 1п,( Однако, поскольку ток 1к практячееки очень мала зависит от напряжения Скв (выходные характериетвки идут почти параллельно оси абсцисс), ага реакция, как и в пентоде, весьма незначительна.

( е(так, если в цепь коллектора включено большое сопротивление, то амплитуда переменного напряжения, выделяемого на ием (Уеых „на рис. 12-14, в), во много раз превышает амплитуду Синс„входного напряжения. Усилительная ступенЬ обеспечивает усиление напряжения сигнала в Кхп раз, где

(12-99) — коэ ициевт усиления по напряжению.

ажв и им ' а, обЪспбжвающ4аи работу транзистора в качестве усилителя, впрочем, как и других электронных приборов, являются: возможность легкого управления выходным током в приборе за счет входного сигнала (в транзисторе это осуществляется с помощью входного тока), а также минимальная реакция выходной цепи.

В отличие от электронных ламп, входное сопротивление которых в отсутствие тока в цепи управляющей сетки. близко к бесконечности, входное сопротивление транзистора г,,„е достаточно мало, поэтому при подключении к выходу рассмотренного усилителя следухрщей ступени следует учитмвать влияние ее входного.сопротийления на выходную цепь первой ступенк. В схеме на рве. 12-13 это обстоятельство учтено включением резистора В„ равного по величине входному сопротивлению следующей ступевн. Емкость Сх разделяет по постоянному току выходную

317

Распознанный текст из изображения:

Ьсвэв

Ьпб =— ЙГЭ ОКЕ = сок»в '

(12-94)

характеризуется отношением изменения напряжения на входе к вызвавшему его иаменению входного тока в режиме короткого замыкания по переменному току на выходе транзистора.

Зависимость величины Ьыс = г, ппе от тока 1э определяется соотношением (12-33). При токе Хэ яз 0,1 —: 0,2 мА. Значение параметра Йпе составляет единицы килоом, а при 1э яз 1мА— несколько десятков ом.'

318

цепь первой ступени от входной цепи последующей ступени. Однако по переменной составляющей резистор В, оказывается включенным параллельно резистору нагрузки Вк. Это обстоятельство приводит к изменению угла наклона нагруэочной линии (прямая В„ // В, на рис. 12-14, в).

Проведенное выше рассмотрение схемы транзисторного усилителя и его работы носит упрощенный характер. Более подробное изложение этого вопроса, выходящее за рамки настоящей книги, служит предметом курса «Усилительные устройства».

Параметры малого сигнала. Для хграктгристики работы транзистора с сигналами малых амплитуд и при расчете и анализе соответствующих устройств исйользуются так называемые малосугналъные параметры. Танями параметрами служат коэффициенты в уравнениях (12-52) и (12-53) линейного четырехполюсника, который был рассмотрен в 3 12-3. Малосигнальные параметры являются дифференциальными параметрами.

Как отмечалось выше, при работе транзистора с сигналами )»алых амплитуд участок характеристики, соответствующий траектории рабочей точки, можно без большой погрешности заменить отрезком прямой линии. В этом случае транзистор эквивалентен линейному четырехполюснику и дифференциалы в выражениях для у- и Ь- параметров можно заменить абсолютными значениями малых приращений постоянных напряжений и токов в транзисторе или амплитудными значениями переменных напряжений и токов.

Как уже отмечалось, наиболее употребительяа система Ь-параметров. Физический смысл Ь-параметров применительно к линейному четырехполюснику был вкратце раскрыт в $12-3 в выражениях (12-54) — (12-57). Применительно к транзистору индексы Ь-параметров дополняются буквенным обозначением заземленного электрода, а сами Ь-параметры выражаются отношением абсолютных значений приращений напряжений и токов.

Система Ь-параметров для схемы с общей базой. Рассмотрим эти параметры, пользуясь выражениями (12-54) — (12-57)'и имея в виду, что для схемы ОБ св = 1э; вв = Хк ив = ХХэв и и, = ХХ»сэ, а также учитывая связь Ь-параметров с физическими параметрами транзистора.

' Входное сопротивление транзистора

Коэффициент обратной связи по напрязкению

Ьс'зв

мв = ЬЬ'КВ (ЗЗ = сопвв

(12-95)

характеризуется отношением изменения напряжения на входе к необходимому изменению напряжения на выходе в режиме холостого хода во входной цепи по переменному току. Иными словами, параметр Ь„з оценивает сравнительное воздействие входного и выходного напряжений на входной ток транзистора.

1

Зависимость параметра Ь„з = — от физических величин и

Свкэ

напряжения Окв покааывает выражение (12-44). Значение ймв равно примерно 10 в — 10 '.

Коэффициент передачи тока

Ьгк ~

Йввб = (12-96)

Ь вэ ~ пкв =сопвв

представляет собой отношение приращения выходного тока к вызвавшему его приращению входного тока в режиме короткого замыкания выходной цепи по переменному току.

Параметр Ьмз = ад. Фиаические процессы в транзисторе, определяющие его значение подробно рассматривались в 4 12-2, а зависимость коэффициента и от'тока 1э и напряжения ХХкв— в 3 12-4.

Для большинства транзисторов Ь„о = 0,95 —: 0,99.

Выходная проводилвость ' '

А~к

ЬВКВ ~зз=сспвв

— это отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению выходного напряжения в режиме холостого хода входной цепи по переменному тЬку.

1

Зависимость параметра Ьввз= — от фиаических величин,

гк. ппо

тока 1з и напряжения ХХкв показывает соотношение (12-46).

Выходная проводимость имеет значение около 10 ' — 10 г См.

Система Ь-параметров для схемы с общим эмиттером. В этой схеме вв = 1в' вв = 1к' ив = ХХвэ и ив — — ХХкэ — входные и выходные токи и напряжения иные, чем в схеме ОБ, но определения всех четырех й-параметров, приведенные для схемы ОБ, сохраняют полностью смысл и для другой схемы включения.

Входное сопротивление

Ь~ээ 1

Ь„,= (12-98)

Ьв В ~ ПКЭ =.сопвв

отличается по величине от параметра Ь,з, так как в отличие от

(12-94) в анаменателе (12-98) стоит ЛХв — приращение тока базы

которое значительно меньше, чем'А1э при том же значении АХХэв.

319

Распознанный текст из изображения:

Полная провоаимвсть овражной передачи

А1

характеризуется отношением Изменений комплекс ых в

омплекслых величин,

шему его изменению выходного напряжения в ренсиме короткого замыкания по переменном

Полная проводимость прамой передачи

у току на входе.

АБ Б )

«и= — ~

(12-108 — это отношение изменений комплексных вели тока к выававшем ег

х величнн выходного

му его изменению входного напряжения и и ко отком замыкания по переменному

у току на выходе.

Выходная полная проводимость

характери стиками являются границами отреаковс величины которых опред

еляют соответствующие приращения напряжений и

. Д дных характеристик (рис. 12-15, а) соответственно

— АП определяются: ф1э = 1э — 1э1 АПэв = Пэв — Пэв и кв =

Пьчв ~ — ~ Пйв (. Последнее врирэщенне опрздйляетбя ~акраэность постоянных напряжений Пкв для двух соседних характеристик.

вэБ

с,',

А1,~

«Бх = —.

А~Б ~щ =попах

. (12-199)

определяется отношением иэмененкй комплексных ходного тока к вызвавшем ег

ексных величин зыв ежиме ко о

вызвавшему его изменению напряжения на выхо

Р р ткого аамыкання по переменному току на вхо е.

де

Смысл величин н выхо ных т к

току на входе. являясь величиной взаимообратной Ь, (в обоих сл вляется ко отк

р ое ааиыканне по переменному ток на вы ), совпадает по смысл с с

Ь-па аме

у с соответствующей величиной в системе

-параметров и ее физическим аквнвалентом — и е е сопротивлением та д е в схеме ОВ °

Модуль. выходной и ово

Р Дялтости Ухх, опРеДелЯемой пРИ Условин , = сопз1 отлнча ется по смыслу от выходной проВодимости Ьев длл котоРой тРебУетсЯ Условие 1г = сопэ1. даны в табл. 12-1.

Формулы пересчета от у-параметров к Ь-параметр б

ам ыли

Оп

те сти

ределенне маласнгнальных параметров по с

по статическим харак- системы

рнстикам транзистора осуществляется наиб

наи олей просто для

мы Ь-параметров. Все четыре параметра эгей с быть оп е еле

э ои системы могут

р д ены по двум семействам характеристик: об связи и пе'е ачи'

р д ' ' тока или же по семействам входных н вых

к: о ратнои характеристик (рнс. 12-15). Д

х н выходных

(рнс. - ). Для этого необходимо прежде всего выполнить графически сл

у овна, при которых определяются пара- лель'

метры: провести через заданную рабочую точку л

ные осям координат и соответотзующке, так б

линии, паралвню постоянства т

, таким о разом, услословню

оянства тех нли иных токов к напряжений. В у постоянства тока клн напряжения отвечает сама.

торолту в схеме ОВ ( нс. 12-15

характеристика. Так, например, на входных харак

ктерксткках

рнс. - , а) мы получаем условия: 1э = сопзг и кв = соиз1. Точки пересечения проведенных линяй с двумя .-- 222

с

в ВББ ВББ

) 6) Рнс. 12-15. Определение й-параметров по статическим характеристикам. — с па амс ов Л„ и.ам по семейству входных харантсристин;  — опрс-

* '~, Л сЕмейству выходных харантрристин.

деление параистров Л„ и м по Значения Ь-параметров' подсчитываются по формул ( - )

ам (12-94)— (12-97). Испольауя измеренные на входных характеристиках приращения, можно определить, следовательно, „= эв э

Ь =АП !Л1э и ЬББ = и Пэвт А Пкв.

т быть

Легко усмотреть, что два других Ь-параметра могут ыть подсчитаны с использованием приращений, измеренных по выходным характеристикам (рис. 12-15, б). Используя аналогичную методику, можно определить Ь-параметры по семействам двух других характеристик.

12-7. РАБОТА ТРАНЗИСТОРА С ВЫСОКОЧАСТОТНЫМИ

И ИМПУЛЪСНЫМИ СИГНАЛАМИ

До сих пор мы рассматривали работу транзистора либо в статнческом режиме прк постоянных напряжениях и токах, либо при воздействии переменных напряжениях низкой частоты, когда время периода колебаний Т подводвмого к транзистору сигнала значительно больше времена протекания физических процессов в приборе (времени диффузии илн дрейфа носителей, ааряда или разряда диффузионной и барьерной емкостей к др.).

Однако знакомство с основными фнанческими процессами

в',транзисторе в статвческом режвме не оставляет сомнения в нх ине онкоств. Эта инерционность проявляется, например, в дкфзионном движении носителей в базе. Влкявне на работу прилыбара в области высоких частот оказывают емкости С,н С„ эмиттер!! !1в

Распознанный текст из изображения:

1

Умб = — + ею (Сер + Се бар) еэ. пер

(12-110)

Кмкости С,о и С, б,р определяют инерционность процессов в эмиттерном переходе, ыо роль их в этих процессах различна. Напомним, что емкость Сев определяется величиной заряда ЛД, накопленного в базе в реаультате инжекции неосновных носителей заряда (10-68). Слейовательно, диффузионная емкость как бы заряжается неосыовными носителями зарбдов, а время ее заряда соответствует времени установления стационарного закона распределения неосновных носителей в базе.

Барьерная же емкость обусловлена в основном неподвижными зарядами иониаированных атомов примеси, оставшихся ыескомпеысированными в запирающем слое перехода в результате ухода оттуда основных носителей заряда. Илы, иначе говоря, барьерная емкость заряжается основными носителями' зарядов, и ток ее заряда не связан с процессом ннжекции, а значит и не передается в коллектор.

324

ного и коллекторного переходов. Эти емкости включены парал-.. лельно сопротивлениям переходов г, „,р и г„ ,р. На ыизкнх частотах реактивные сопротивления емкостей С, и С„ очень велики и их шунтирующим действием можно пренебречь. С увеличением частоты реактивные сопротивления емкостей уменьшаются и их шуытирующее действие становится весьма существенным. Кроме того, ыа высоких частотах постоянные времена заряда и разряда емкостей С', и С„становятся соизмеримыми с периодом колебаний.

В общем случае емкости С, и С„включают как барьерные, так и диффузионные емкости переходов. В зависимости от режима работы транзистора (прямого или обратного напряжения па переходе) определяется степень влияния той нли иной емкости.

Такиы образом, в области высоких частот или при работе с импульсными сигналами период колебаний нли же время нарастания и спада импульсного напряжения (длнтельность фронтов импульса) могут быть весьма малы, так что их величины будут соизмеримы с временем протекания физических процессов в транзисторе. В этих условиях появляются фааовые сдвиги между напряжениями и токами в приборе, характеристические проводимости транаистора становятся комплексными величинами, изменяются по величине другие параметры прибора и, что особенно важно, коэффициент передачи тока. Уменьшение с ростом частоты коэффициента передачи тока а обусловлено в основном уменьшением двух его компонентов: коэффициента инжекцни у в коэффициента ап переноса дырок яерез базу.

Так, например, емкость С, эмиттерного перехода включена параллельно сопротивлению эмиттерыого перехода г, п,р, н, следовательно, входная проводимость транзистора — комплексная величина:

Таеаем о разом, ток

б, ок инжекции через эмиттерыый переход обусвлен не полком проводим т и,

одимостью у' б, а лишь ее частью: двумя лов

Часть тока, текущего через эмиттерыый е выми слагаемыми.

б еактивной проводимостью зюС, б,р. следпер

е еход, о условлена р

е тока июкекции к полному току в эмиттерствие этого отношение тока и

льне и коэ„. им пе еходе уменьшается; снижается, следовательно, и коэ ц иеыт инжекции у, а с ним в соотве

его передачи тока а. тставани

. О ание тока иыжекциы от тока, питающ транзистор, х арактеризуют некоторым временем:

(12-111)

8епу ~ ге. перСе. бар.

Комплексныи хаРа

актеР пРовоДимости 3~туз свиДетельствУет

и фазового сдвига между током через эмиттерный

также о наличии а

ч в епь эмитте-

пе еход и напряжением на переходе. При подаче в це

а импульса тока, напряже

переход и на

ение на эмиттерном переходе нарастает

Р

не мгновенно, а в течени в

ен е времени заряда емкости С, через сопро-

тивление эмиттера и ча

часть объемного сопротивления азы гав

аы. Пав ежду,эмиттерным переходом и выводом бааы. о-

сопротнвл ние между,

а пе хое

является сдвиг фаз Ые только между напряжением ы ре д

и полыым током ч

через эмиттерный переход, ио также между

б с-

этим током и током инж '

инжекции, так как величина последнего о ус-

ловлены напряжением на переходе.

Не менее важную роль играют процессы в бааз транаистора.

б ыыерциоыыы и при подаче в цепь эмиттера импульса тока ток

июкекции скачком изменяется от нуля до н р

о некото ого зыачеиыые дырки достигают коллекторного перехода

Инжектироваиыые ды

не мгновенно, так как время их диффузии в базе конечно. В тече-

ние интервала у времени движения фронта инжектированных

.Тк

дырок через азу к кол

б коллектору его ток вообще не меняется. ок

1к начинает расти по

асти по мере прихода инжектированных дырок,

ехо . Поскольк

распределение тепл ых

тепловых скоростей дырок описывается законами

и, в емя их движения к коллектору раалично. Прохо-

ста~истики, время их д

ого ток 1 на астает до

дит некоторое время е,р, в течение которого ток

значения, близкого к стационарному.

И ионность движения дырон в базе сказывается и в случае

б т анзистора, например, в качестве усилителя сиыусоинерционно

работы транзисто а, н

сли в емя выжения

дально

д ль ого напряжения высокои частоты. сли р д

о'

иыжектированыы х носителей от эмиттера к коллектору сравним

с периодом усили ваемою сигнала, то закон изменения концен-

трации дырок в аз,

б е инжектироваыиых эмиттером, не будет опи-

сываться кривой, мо

монотонно убывающей от эмиттера к коллектору.

П редположим, н п

, например, что в какой-то момент времени поляр-

ность переменного напряжения сигнала такова, что высота по-

32Ь

М дупяп В. н.

Распознанный текст из изображения:

тенциального барьера эмиттер — база уменьшилась. Поток дырок, следовательно, увеличился. Если в течение половины периода дырки успеют пройти только часть расстояния от эмиттера до коллектора, то кривая изменения концентрации'дырок в базе достигнет максимул>а где-то в середине базы, так как в этот момент барьер эмиттер — база увеличится и число инжектируемых дырок значительно уменьшится. Вследствие этого в базе наряду с диффузионным движением дырок в прямом направлении возникнет диффузионное движение дырок в обратном направлении. Коллекторный ток умеяыпится, а следовательно, упадет и коэффициент а. Инерционность процессов в базе приводит также к фазовому сдвигу между токами 1э и 1кр, и, следовательно, коэффициент а становится комплексной величиной.

Отличаются инерционностью и процессы в базе, сопровождающие выключение импульса тока в цепи эмиттера. Накопившиеся в базе в результате инжекции неосновные носители покидают базу при падении'тока 1эр до нуля не мгновенно, а в течение некоторого времени рассасывания Ср„. За это время неосновные носители рассасываются, уходя,из базы через оба перехода, а также рекомбинируя в самой базе.

Итак, на основании изложенного можно прийти к выводу, что при работе транзистора с высокочастотными или импульсными сигналами изменение претерпевает главным образом коэффициент передачи токй. Коэффициенты а Ь,б в схеме ОВ и р ~ Ь,>, в схеме ОЭ становятся комплексными, причем одновременно с частотой изменяются как модули коэффициентов передачи тока (Ьмб) и (Ь„,), так и фааовый угол между входным и выходным токами..

Для характеристики работы транзисторов с высокочастотными и импульсными сигналами используется ряд параметров. Одна группа параметров представляет собой временные интервалы, 'характеризующие форму импульса тока в коллекторной цепи при подаче на вход транзистора переключающего импульса прямоугольной формы. Эти параметры мы обсудим ниже, после рассмотрения работы транзистора в схеме ключа.

Другая группа параметров — это значения частот, при которых коэффициенты передачи тона уменьшаются до определенной величины.

Высокочастотные параметры.,В общем случае зависимость коэффициента Ьмб от времени можно представить функцией [24)

Ьэ>б (с) =Ьэ>б(1 — е тдр).

(12-112)

Это выражение не учитывает времеви задержки Сэд = С,д + С

При учете времени Сэд функция (12-112) справедлива при С) С,д,'

при С ( Сэд функция Ьмб (С) = О.

226

Частотная характеристика, соответствующая (12-112), имеет

вид:

ряб>>б)

Ьмб у (12 113)

1+>—

УЛмб

Здесь с — безразмерный коэффициент, зависящий от С и изменяющийся от 0,25, когда время С, «» С„р, и до'0,65, когда С,д«ж С„р.

Амплитудно-частотная и фазе-частотная характеристики, соответствующие (12-112), имеют следующии вид:

(12-114)

(12-115)

В выражениях (12-113) — (12-115) Ьэ>бэ — коэффициент передачи тона на низкой частоте.

Величина Слэ>б называется предельной частотой коэффи>)иента пеРедачи тока в схеме ОБ.Как это следУет из (12-114), С>,э>б — это частота, на которой коэффидиент Ь„б — уменьшается по модулю в у'2 раз по сравнению с его значением на низкой частоте.

Частотные характеристики коэффициента Ьм, в схеме ОЭ имеют вид, аналогичный (12-113) — (12-115):

Лмм э 60>л„,>

Ь>э= 1

1+ э

Слмэ

(12-116)

(12-117) (12-118)

Слэм

Йэ>э=(1 — Ьэшэ)/лэ>б =,+,

(12-119)

Отсюда, в частности, видно, что модуль )Ь ! быстрей убывает

с частотой, нежели модуль )Ьэ>б), а фазовый сдвиг >рл„, между

327

Яэ

В этих выражениях 7лэ>э — предельная частота коэффициента передачи тона в схеме ОЭ вЂ” частота, при которой коэффициент передачи тока Ьэ„уменьшается по модулю в )>'2 раз по сравнению с его значением на низкой частоте.

Частота 1лэ>э значительно меньше 1лэ>б и связана с последней соотношением .

Распознанный текст из изображения:

го= г-лгае)га

У мзо(лзао (12 126)

) Ь„,!

Частоту 1 =')„р, при которой модуль козффициента передачи

тока в схеме ОЭ (Ьм,) зкстраполируется к едингще, называют,

,эраничной частотой коэффициента передачи тока е схеме Одг

Ъ

)ар Ь212212212' (12-121)

Частота1гр летче поДДаетсЯ измеРению, чем пРеДельнаЯ частота.

Поэтому в справочниках обычно и приводится значение (ор.

Как.зто видно из (12-121) и рис. 12-17, различие между у,р и )121,

весьма существенно.

Ряс. 12-17. Зависимость параметров Лзаб, 621„ срыгб от частоты и определеийв высокочастотных параметров транзистора(величины по осям ординат отложены з логарифмачоском

масштабе)

)(г

аалгаа алаз олгаз

токами ув и г к значительно больше фазового сдвига между токами'. гое и 1к. Эти выводы иллюстрируются векторной 'диаграммой,' тдков в транзисторе (рис. 12-16). С ростом частоты увеличивается угол срлзгб, снижается ток (гк(, а значит и модуль (ьззб(, но еще . быстрей растет модуль тока (ув(, а следовательно, столь же быстро уменьшается и модуль (Ьз„(.

Зависимости величин

уз (Ьзгб(, (Ьлэ( и арь,пб от чаулиа га=зпггз стоты даны на рис. 12-17.

рлгаз При весьма высоких рлгаб уз

частотах, превышающих в рыле несколько раз частоту 11212,

единицей в знаменателе. уг угг 4, (12-117) можно пренебречь а) ф~ и зто соотношение записать в виде Рве. 12-16. Векторная диаграмма токов в "гранзксторо иа высокой частоте (а) К иа

более высокой частоте (б).

так как в режиме автогенерации часть мощности с выхода траязистора отводится через цепь положительной обратной связи к его входу.

В общем случае, рассматривая транзистор как активный линейный -четырехполюсник, можно Ктр представить в виде

Ктр = —.

изго

исаа

(12-123)

Используя систему уравнений с Ь-параметрами

что выходное напряжение сигнала выделяется

нагрузки К„, включенном в выходную цепь (и, =

выражение (12 123) записать в виде

Ь'„

Кхр Кя.

Ип

и имея в виду,

на резисторе

— 12К ), можно

(12-124)

Отсюда следует, что с увеличением частоты сигнала и при соответствующем уменьшении козффициентов Ъмб (или Ь,г,) снижается и козффициент усиления по мощности Кгр. При условии Кгр = 1 транзистор уже не может быть использован в схеме. генератора.

Частота )из„„при которой К тр = 1, называется максимальной частотой еенерации транзистора.

Снижение козффгщиента Кгр о ростом частоты объясняется не только уменыпеиием коэффициента Ь„б (или Ь„,). Наиболее серьезное влияние оказывает'барьерная емкость коллекторного перехода, которая через часть объемного сопротивления базй гб оказывается включенной параллельно резистору нагрузки К . На высоких частотах сопротивление цепи гб + 1(йыС„б,р снижается и через нее ответвляется значительная часть выходного тока. Поэтому частота (иояо существенным обрааом зависит от

а'б н Ся, бзр.

Как следует из проведенного рассмотрения, высокочастотные параметры обусловлены допустимым уменьшением коэффициента передачи тока до того или иного значения. В свою очередь уменьшение коэффициента передачи тока с повьгшением частоты— следствие инерционности ряда физических процессов в транзисторе, среди которых одну из важных ролей играет величина гр— среднего времеви диффузии нюкектированных носителей — дырок в базе, при условии, что аэ <, 'Ьр [см. (9-121)). Поэтому в литера- . тУРе высокочастотные паРаметРы часто выРажают чеРез вРемЯ 1ог

1 2а)

гизгб

гп

Кр= — нй

Р °

(12-122)

828

Еще один параметр — максимальная частота генерации, характеризует частотные свойства транзистора при его работе в схеме автогенератора. В этом случае важную роль играет козффициент усиления по мощности

20

а 221 (1+а ) г и2 (1+а )

аозабо 2а)аозабо

гор

гп ' иао

(12-125) (12-126) (12-127)

Распознанный текст из изображения:

.Гас

ус

1«.аас

дуткаас

йи

ддтхаас

и

б)

330

331

Работа транзистора с импульсным свгналом большой амплитуды. Этот случай, называемый часто в литературе режимом большого сигнала, 'характерен для работы транзистора в логических схемах, широко испольауемых в цифровых вычислительных устройствах и машинах. Простейшим примером схем такого класса может служить схема транзисторного ключа' )(рис. 12-18, а).

Работу транзистора в этой схеме легко уяснить, пользуясь

рис. 12-18, б, где на выходных характеристиках построена нагрузочная прямая. Методика ее построения рассматривалась ранее Я, 12-6) .

Г Если на вход транзистора между базой и эмиттером подано положительное, а на коллектор относительно эааит~гера — отрицательное напряжение, то транзистор работает в режиме отсечки,

Рве. 13-13. Схема транзисторного ключа (а) и положение рабочей точка

ва семействе выходных херектервстэк (б).

С

. нли, как говЬрят, «ключ закрьате~ Рабочая точка А находится на

пересечении нагрузочкой нрямои с характеристикой — 1в = 1кво.

Ток в цепи коллектора мал, а напряжение Укэ близко к величине Е„.

/

При резком изменении полярности напряжения во входной

цепи эмиттерный переход включается в прямом направлении и ток базы Ьтановится положительным. Если ток 1в, определяемый э. д. с. Ез и сопротивлением Ве, достаточно большой, то рабочая точка, перемещаясь по нагрузочной прямой, может оказаться в точке В. Транаистор, таким образом, переходит вначале в активный режим, а затем в режим насыщения. Рабочая точка «с'йютветствует положению «ключ открыт», нри котором ток коллектора велик, а напряжение Укэ мало.

Таким образом,;меняя полярность входного напряжения или

тока, можно переключать транзистор из открытого состояния (1к велик) в закрытое (1к — а 0); используя схему транзисторного ключа в качестве бесконтактного прерывателя тока в цепи нагрузки. Для переключения транзистора обычно используют ступенчбто изменяющееся напряжение или ток, так что время иаменения их полярности моясет быть много меньше времени

протекания физических процессов в приборе. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

На рис. 12-19, а показаны эпюры токов в цепях базы и коллектора при переключении транзистора из закрытого состояния в открытое и обратно, а на рис. 12-19, б кривые распределения неосновных носителей в базе в различные моменты времени.

В течении времени 0 — га транзистор находится в режиме отсечки и ток 1к = 1кво. Распределение неосновных носителей в базе описывается кривой 1. В момедт (а скачкообразно изме-

Рвс. 12-19. Эпюры токов в цепях базы (а) и коллектора (в) и кривые распре-

дехевпя неосвоеных носителей в баас транзистора (б).

няется полярность тока 1в, однако ток коллектора начинает заметно расти лишь по прошествии интервала времени = с„с + г,ха. Время („р, как отмечалось выше, определяется статистическим разбросом скоростей диффундирующих в базе дырок.

По мере заряда емкости С, эмиутерного перехода он открывается все больше, концентрация дырок в базе у' эмиттерного перехода растет (кривые 2, 8, 4 на рис. 12-19, б), увеличивается и ток коллектора. В течение времени ( р в базе накапливается заряд дырок, концентрация которых у коллекторного перехода достигает равновесного значения р„е (кривая 4).

Однако рост тока 1к ограничен резистором Ве в цепи коллектора. Поэтому число дырок, уходящих из коллектора во внешнюю цепь, меньше числа дырок, приходящих в коллектор из базы. В результате в коллекторе накапливаются дырки, которые компенсируют отрицательный объемный заряд у колдекторного

Распознанный текст из изображения:

перехода, потенциальный барьер снижается, коллекторный перв-

ход открывается, и транаистор переходит в режим насыщения.

Концентрация дырок в базе у коллекторного перехода превышает

при этом равновесное вначение р„, (кривая 5 на рис. 12-19, б),

а в цени коллектора течет ток насыщения, значение которого

определяется э.д.с. Е„и сопротивлением Л„ так как сопротивление

коллекторного перехода в открытом состоянии много меньше г(»:

1н, нас Е»)Е»,

Напряжение на коллекторе в режиме насыщения уменьшается

де ()КЭ нас.

Таким образом, в режиме насыщения ток 1к»„остается неиз-

менным, хотя в базе еще продолжается накопление заряда

дырок.

В момент, г, скачкообразно изменяется полярность. тока 1в

и начинается процесс рассасывания дырок, накопленных в базе.

Однако концентрация дырок в базе у эмиттерного и коллекторного

переходов не может так же скачкообразно уменьшиться до нуле-'

воге значения. Это вызвало бы бесконечно большие токи в цепях-

эмиттера и коллектора, так как потребовалось бы .переместить

весьма значительный заряд иэ базы 'в эмиттер и коллектор за

бесконечно малый интервал времени. В действительности токи

через переходы ограничены резисторами г(с и Л„, поэтому кон-

центрация дырок у эмиттерного и коллекторного перехода сни-

жается постепенно (кривая 6) в течение времени гр„. До 'тех пор,

пока концентрация дйрок у переходов не достигнет равновесного

значения, транзистор продолжает работать в режиме насыщения

и ток 1„практически не изменяется (градиент концентрации

дырок у коллекторного перехода для кривых 6 и 7 практически

остается неизменным).

После тога как концентрация р„достигнет равновесного

значения у эмиттерного или коллекторного перехода или же у

обоих переходов-одновременно, один из переходов или оба пере-

хода оказываются включенными в обратном направлении. Транзис-

тор переходит в режим отсечки, и концентрация дырок у переходов

приближается к нулю (кривая 6). Традиенэ-концентрации у пере-

ходов уменьшается, процесс рассасывания дырок ускоряется,

и ток 1к в течение времени г,н быстро уменьшается.

Из проведенного рассмотрения следует, что на работу тран-

зистора в переключающих схемах влияют те же .физические

величины, которые' определяют его инерционность при работе

с сигналами высокой частоты: емкости переходов С„ Сн, коэф-

фициент диффузии дырок в базе Рр, Йх время жизни в базе тр и др.

Импульсные параметры. Для характеристики работы транзис-

тора в режиме переключения используются величины временных

-интервалов, показанных на рис. 12-19, а.

Время аадержни г — интервал времени между моментом

включения открывающего тона базы и тем моментом, когда ток

'1к достигает 0,1 1кн„.

332

ЕРемн наРастаниЯ г,р — интеРвал вРемени, в течение котоРого ток 1к растет от 0,1 1гс~ас до 0,9 1кнас.

Время рассасывания гр„— интервал времени от момента переключения полярности тона 1в до того момента, при котором напряжение на коллекторе достигает заданного уровня.

Время сиада г,н — интервал времени, в течение которого ток 1к уменьшается от 0,9 1к нас до 0,1 1к нас.

В качестве импульсных параметров используются также время включения г „„= г,н + гнр и ерема выключения г, = гр +.г 12-8. ЗАВИСИМОСТЬ'ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРА ОТ РЕЖИМА РАБОТЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ Влияние'рджима работы. При обсуждении физических процессов в транзисторе и рассмотрении их фиаических параметров (8 12-2) были приведены выражения, характеризующие зависимость этих параметров от токов и напряжений на электродах транзистора. В 8 12-0 были приведены соотношения между физическими параметрами транзистора и А-параметрами. Таким образом, при- го г о го го оо е " од до г г о нл

од

а) Рпс. 12-20. Зааксиирсть физических параметров транзистора от напряже-

'ния Скв (и) и тока эмиттсра (б). веденные ранее соотношения позволяют установить степень и характер эависиыости физических и )а-параметров от режима работы. На рис. 12-20 и 12-21 показаны на графиках усредненные зависимости основных параметров.от Пкв и 1з. По оси ординат отложены относительные значения этих параметров по сравнению с их значениями при Пкв = 5 В и 2 В и 1з = 1 мА. Ход этих кривых можно объяснить, пользуясь соответствуюг)(ими аависимостями, приведенными в 2 12-2.

Влияние 'температуры. Изменение температуры окружающей

среды весьма существенно влияет на статические характеристикк

Распознанный текст из изображения:

фЛ

к~э Ко

р ко к ф ф ко ф о

о о ~~

Ффоо Ф ф ффо ф аф

Ф .фо о( ф о фф

о ф,

а5 аэ лэ з5

ф

о,

й

ф

й

а

334

и параметры транзистора. Это и понятно, так как с изменением температуры меняются такие важнейшие величины, как концентрация свободных носителей, подвижность частиц, коэффициенты диффузии, вероятность рекомбинации и др. Зависимости этих величин видны из соответствующих выражений, приведенных г

в гл. 9. Температурная э зависимость основных физических параметров трангфб фф зистора может быть уста- 7 новлена нз соотношений,

полученных в 3 12-2. Полью эо ауясь этими зависимостя-

ми, можно объяснить и ха-

ээ 1 г 5 ИВ рактер изменения Ь-параметров нли статических К характеристик транзистора вследствие изменения температуры.

Статические входная и выходная характеристики в схеме ОБ (при Укв = 0 и Уэ = 0 соответственно) подобны прямой и обратной ветвям статической характеристики диода. Поэтому все рассуждения, 43 приведенные в 3 11-3, могут быть использованы для 'объяснения температурной зависимости ста-

47 тическнх характеристик транзистора. Из этого рассмотрения следует прежде Ц1 всего вывод о том, что ЦФ 1 7 э" ил 13 основным источником не- .

е) стабильности характериРис. 12-21. Зависимость ф-параметров от стнк служит обратный ваэрэженяя Укв (э) и тока эфиттера (6) ток Х Эр или (для тран-

зисторов) коллекторпый ток Ткво. Его зависимость от температуры описывается соотношением, подобным (11-6). В германиевых транзисторах основную долю в токе Ткво составляет тепловой ток, аначение которого удваивается на каждые 8 — 10 'С. В кремниевых транзисторах основным компонентом тока Ткво является ток генерации 1 . Значение этого тока удваивается при изменении температуры примерно на' 10 'С.

Согласно (12-33) прямо пропорционально Т изменяется и дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. В связи .

о а ° Ьк фо о,а

фо

ф

ф~

ф ф

ф ф

о ф е ф

о, ф ф о и оо, фа ф к

ю

Распознанный текст из изображения:

с иамененяем концентрации носителей при повьпнении температуры меняется объемное сопротивление базы гб. Вследствие процессов в базе и изменения концентрации носителей в области коллекчорного перехода изменяются с температурой коэффициенты передачи тока а, р и дифференциальное сопротивление коллен- торного перехода гк е. Характер изменения этих параметров иллюстрируется рис. 12-22, а; а связанных с нимиЬ-параметров—

Влияние температуры на выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ показано в качестве примера на рис. 12-23.

42-9. ОСОБЕННОСТИ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧБНИЯ п ибо ов а л

Группа биполярных транзисторов объединяет большо

шое число

р р р зличных типов, различающихся назначением, основными параметрами, . материалом, технологическими методами их

иэготовлйния и т., д.

Большинство транзисторов изготовляется из кремния и ге мания исполь зуется также для изготовления транзисторов а сеня гернид галлия.

рсе-

П

типа.

ромышленностью выпускаются транзисторы р-я-р

р-я-р и й-р-в

Н аиболее часто в литературе и справочниках транзисторы классифицируются по значениям рассеиваемой мощности коллектора,и предельной частоте.

П о мощности транзисторы принято подразделять на три группы. К транзисторам малой мощности относятся приборы с рассеиваемой мощностью в коллекторе Рк ~(0,3 Вт. Для транзисторов средней мощности 0,3 ( Р„( (5 Вт, а для транансторов большой мощности Рк ) 5 Вт. Транэисторы двух последних групп отлйчаются от маломощных транаисторов конструктивными особенностями, обеспечивающими прохождение больших токов и рассеяние значительной выделяемой тепловой мощности.

В каждой иа трех групп транзисторы могут подразделяться по частотному диапазону или методам тйхнологического процесса их изготовления.

По диапазону рабочих частот транаисторы подразделяют на четыре группы: транзисторы низкой частоты с предель

е льнои

с отои уеетб ~(3 МГц; тРанзистоРы сРедней частоты (3 МГц ( (1еетс ( 30 МГц), высокочастотные транзисторы (30 МГц ( (1ретб ((120 МГц) и тРанаистоРы диапазона СВЧ (Гы,„е>120 МГц).

ассмотрнм особенности транзисторов различных групп и основные методы, позволяющие получить требуемые пара, метры.

Низкочастотные транзисторы малой мощности. Маломощные транзисторы изготовляются, как правило, методом вплавлекня навесок (дозированных шариков) легирующего вещества в плас- ЗЗЗ

' тину полупроводника (германия или кремния), служащую базой. 'Такие транвисторы называют 'слллбнмлек.

В качестве вплавляемых навесок для образования эмиттерного н коллекторного переходов используют для германиевых транзисторов. индий с добавлением галлия (для р-п-р структур) и сплав сурьмы с цинком (для структур типа я-р-и). При изготовлении кремниевых р-и-р транзисторов материалом при вплавлении слун<ит алюминий, а для и-р-я транзисторов — сплав фосфора ' с цинком.

В результате вплавления — нагревания пластины с укрепленными навесками в атмосфере водорода при Т яб 500 —: 600 'С— образуется структура, показанная на рис. 12-24, а. Затем полученная структура с помощью кристаллодержателя укрепляетйя Рис. 42-24. Устройство низкочастотного сплавного тренеи-

стори. е — криетелл лелупрекекикке е пплеелекнытж киеееклии; б — тренепетер к кервуее' 1 жжетние полупрееелиике; Л вЂ” «риетеллелержетелп; 8 — еюптер; е — келлектор; б — ножка ерекеиетерл; е — керпуе; т — иееллтер; Š— кы-

пены. на траверсах — выводах, впрессованных в ножку — дно прибора, и герметиаируется в металлическом корпусе (рис. 12-24, б). Недостаток метода.вплавления заключается в трудности контроля толщины самой базы.

Низкочастотные транзисторы обладают аначительными емкостями переходов (Сж сер ж 10 —: 200 пФ) и относительно большими токами Ткво, достигающими в некоторых типах транзисторов 10 — 15 мкА.

Высоночастотиые транзисторы малой мощности. Как следует нз анализа работы транзистора с высокочастотными сигналами 5 12-7), предельная частота зависит от ряда фиаическнх параметров прибора. Для увеличения этой частоты и, следовательно, расширения частотного диапазона в сторону высоких частот необходимо уменьшать емкости переходов, а значит и площади переходов, снижать объемные сопротивления областей эмиттера, базы и коллектора, уменьшать толщину бааы .или принимать другие меры для ускорения движения носителей в базе.

Сплавная технология не позволяет значительно уменьптить протяженность базм, так как' в процессе оплавления глубину залегания эмиттерного и коллекторного переходов не удается

Зуту

Распознанный текст из изображения:

контролировать с необходимой точностью. Не удается также при,, втой технологии существенно уменьшить площади эмиттерного, и коллектораого переходов.

В производстве высокочастотных транаисторов используются ': другие технологические приемы, среди которых наибольшее применение находят сплавно-диффузионная и планарная технология.

При сплавно-диффузионной технологии сочетаются методы .' оплавления и диффузии примесных атомов из навески в исходную

пластину, которая служит кол- ' и п р лектором.

В качестве навески при изгои товлении, например, германиевого сплавного диффузионного транзистора используется капля ° х) герйания, содержащая как донорные.(сурьма), так и акцеп-, торные (индий) примеси. При и;ид о„„„,р п„„„сплавлении навески с исходной

пыо ( "споппоо пластиной 0-германия В зту пла" пиросод )псриход

стину диффундируют атомы той д) и другои примеси, но длина

диффуаии и растворимость длй ее сурьмы и индия раалнчны. В результате атомы сурьмы за время . х ' вплавленвя проникают на больи шую глубину, образуя и-область ).

егс базге концентрация примесей е) в которой уменьшается по мере ' удаления от поверхности.

Атомы индия проникают за

то же время на меньшую,глу-: Рвс. 12-23. Концентрация примесей бину, но так как растворимость в дрейфовом транзисторе (о и д) в индия в германии значительно его энергетическая диаграмма (о). вьгше выше, то концентрация акцепторпых примесей вблизи поверхности вплавления навескн оказывается значительно вылив концентрации в этой области донорных примесей. Иначе говоря, вблизи поверхности вплавления формируется высоколегированная р-область эмиттера.

Кривые изменения концентрации акцепторных и донорных примесей в таком транзисторе поназаны на рис. 12-25, а; на рнс. 12-25, б показана кривая разности концентраций А(о — Лгд, а ыа рис. 12-25, в. — энергетическая диаграмма транзистора.

Один ич важных результатов использования такой технологии заключается в том, что бава транзистора оказывается неравномерно легированной: концентрация донорных примесей, достаточно высокая у эмиттерного перехода, постепенно снижается по направлению к коллектору. В базе с таким распределением -. 338

прим

римесей концентрация основных носителей — электронов — получается неравномерной: у эмиттерного перехода она значительно выше. В результате возникающего градиента концентраций электроны в базе диффундируют к коллекторному переходу, обнажая вблизи эмиттерного перехода положительные заряды ионизированных атомов — доноров. В базе создается поле Жв, вектор напряженности ° которого направлен от эмиттера к коллектору (Рис. 12-25, б). Под действием этого поля движение пеосновных носителей заряда — дырок, инжектиреванных из эмнттера в баау, носит не только диффуаионный, как в обычном сплавном транзисторе с равномерно легированной базой, но н дрейфовый характер.

Такие транзисторы называют дрейфовыми. Термин дрейфовый не следует противопоставлять термину диффузионный который характеризует технологический метод иаготовления транзисторов путем диффузии примесей в исходную пластину. Транзисторы с равномерно легированной базой, в которых движение'неосновных носителей в базе носит диффуаионный характер, называют бездрейфовыми.

Для изготовления дрейфовых транзисторов используется также планарная технология. Устройство планарного транзистора показано на рис. 12-1, б. В планарной технологии, широко применяемой при цроизводстве интегральных схем, области базы и эмиттера в исходной пластине создают методом локальной диффузии. Исходная пластина п-кремния предварительно окисляется; на ее поверхности формируется тонкая пленка двуокиси кремния З)О„обладающая свойствами диэлектрика и стойкая к воздействиям окружающей среды и многих химических веществ.

Специальными технологическими методами (фотолитография) пленку З(Оо удаляют с небольшого участка поверхности там, где должна быть сформирована область базы (р — З)). Эти технологические методы поаволяют удалять пленку с очень малых участков (порядка десятых долей квадратных микрометров) при соблюдении высокой точности. Затем через освобожденный участок (окн()) в специальных печах производят диффузию акцепторной примеси, в результате чего формируется базовая область. Процесс окисления затем повторяют, вскрывают меньшее по -площади окно, через которое ведут диффузию донорыой примеси для формировацяя эмиттерной области.

В результате получается закон изменения примесей, подобный показанному на рис. 12-25, б.

Описанные вылив технологические методы позволяют получить не только неравномерную концентрацию примесей в базе. При этом улучгпается и ряд других параметров транзистора, важных для увеличения высокочастотного предела его рабочих частот.

При использовании этих технологических методов удается за счет точного контроля процесса диффузии получить базу, протяженность которой (доли микрометра) меныпе, чем в сплав-

339

Распознанный текст из изображения:

ных транзисторах, в 10 — 15 раз. В результате существенно уме гдаются время бп диффузии неосновных носителей в базе (9-121 время 8нр, а следовательно, граничная и предельная часто (12-125), (12-126) и (12-127).

Вследствие уменыпения времени йкр коэффициент переда тока Йех, может достигать нескольких сотен.

Улучшению высокочастотных параметров дрейфового транэи

тора, естественно, способствует и наличие поля в базе. Вр . дрейфа неосновных носителей в базе 2 -обычно в 2 — З.раза меньше времени диффузии 8о.

В дрейфовых транзисторах из-за высокой концентрации пр ' месей в .эмиттере и в базе у эмиттерного перехода этот перехо получается очень узким, что, естественно должно привести к увеличению барьерной е кости С, б,р. Однако описанные технологиче скис методы позволяют существенно уменыдитй площади переходов, особенно эмиттерного перов хода, и емкость Се. бер в РеэУльтате полУчаетсФ. небольшой.

Существенно уменьшается (примерро в 10 рав. по сравнению со сплавными транзисторами и емкость С„ б„р так как коллекторный 2 г реход из-за низкои концентрациг) примесе Ряс. 12-26. Устройство высокочастотного сплавного'

днффуэвонного транзистора. г — коллектор; х — баек; 4 — емктгер; 4 — крнателладерныаеле; 4 — дерпте; е — меалнтар; 7 — нынад еммхтере; 4 — ны-.

над баны; е — вывод наллектаре. в коллекторе и приколлекторной области базы получается весьма широким.

Описанные мыше отличия дрейфовых транзисторов позво- ' ляют использовать их на частотах вилоть до нескольких гигагерц.

Поскольку эмиттерный переход достаточно узкий, допустимыэ, обратные напряжения на.нем невелики: 1 — 2 В. При больших напряжениях Пэв развивается туннельный пробой, который. при малых токах не вызывает необратимого разрушения перехода.' Коллекторный переход весьма широкий и обладает сранительнгг, большим дифференциальным сопротивлением. Это обстоятельство.' позволяет повысить пределы допустимой мощности рассеяния до 100 — 150 МВт.-

Конструкция~ корпусов высокочастотных маломощных тран-, — зисторов мало отличается от конструкции транзисторов низкой, чаетоты. )(ля их герметизации также используются металлостеклянные корпуса. Отличие заключается э креплении транзистора 340

к кристаллодержателю. У высокочастотных транзисторов исходная пластина обычно служит коллектором, который и крепится к держателю.

Иногда в целях наиболылего удобства включения транзистора в высокочастотную схему он заключается в специальный корпус (рис. 12-26), удобно сочетающийся конструктивно с йоаксиаль- ' кой линией.

Мощные транзисторы. Особенности конструкции и технологии производства мощных транзисторов 'обусловлены спецификой режима их работы: болыпими токами, повышенными напряжениями' на электродах, необходимостью рассеивать значительную тепловую энергию. а)

Рнс. 12-27. Электроды мощных транзисторов. ' а — сплавного; б — пленарного; г — еюмтер; е — р-н переход;

4 — коллектор; 4 — вмеар. бены; 4 — нынад емнтгерак.

Мощные транаисторы изготовляют в большинстве случаев методами сплавной технологии; при производстве высокочастотных транзисторов большой мощности используется планарная технология.

Мощные сплавные транзисторы характеризуются некоторыми конструктивными отличиями. Эмиттер таких транаисторов получают вплавлением индия с примесью галлия, что позволяет увеличить коэффициент инжекции и получить токи эмиттера значительной .величины. Для уменьшения сопротивления базы и'увеличения площади эмиттера с целью получения больших токов 7э применяются эмиттерные переходы в'виде полос (рис. 12-27, а). Коллектор припаивается для улучшения теплоотвода к массивному основанию корпуса, которое иногда снабжаетоя специальным радиатором (см. рис. 9-1, в).

Планарная технология позволяет создать мощные многоэмиттерные транзисторы. В таких транзисторах на поверхности базовой области создают много отделенных друг от друга эмиттерных областей в виде полос или окружностей. Соединение эмиттерных областей осуществляется с помощью металлической пленки в виде полоски, напыляемой на поверхность кристалла (рис. 12-27, 6).