L_3 (Конспекты лекций)

1Лекция № 3.БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ В СТАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕПлан1. Введение.2. Структуры биполярного транзистора, принцип действия.3. Способы включения биполярного транзистора.4. Схемы включения биполярного транзистора.5. Температурные и частотные свойства биполярного транзистора.6. Заключение.1. ВведениеВ биполярных транзисторах в образовании тока участвуют носители зарядов двух знаков ─ и дырки, и электроны.Распространённый тип биполярных транзисторов ─ это трёхслойнаяструктура с двумя p-n-переходами, разделёнными слоем базы. Внешние выводы от транзистора выполняются на основе невыпрямляющих контактов(«Металл-полупроводник»).2.

Структуры биполярного транзистора, принцип действия.В зависимости от типа электропроводности крайних областей различают: транзисторы n-p-n-структуры и транзисторы p-n-n-структуры.2.1. Транзисторы n-p-n-структуры (рис.3.1а, б).Области эмиттера и коллектора легируются донорной примесью, а разделяющая их база ─ акцепторной примесью. Самая высокая степень легирования у эмиттера, немного слабее легирован примесью коллектор. Базу жеобедняют носителями, а в поперечном сечении её делают гораздо тоньше,чем области эмиттера и коллектора (до 1 мкм при традиционной технологиии 0,1 мкм по низковольтной интегральной технологии).2После таких мер ослабляется рекомбинация носителей в базе (взаимноеуничтожение носителей зарядов двух знаков и образование нейтральных зарядов), уменьшается длина свободного пробега носителей, встречная инжекция носителей из базы в эмиттер становится практически незаметной.

Но база за счёт таких мер становится высокоомной областью.FэпNFкп+ - P+ - + - -++++N+ЕпUкбUкэ = Uкб+ UбэVT_Эмиттер+ _БазаUбэ+Коллектор-- Епа).б).Рис.3.1.Чтобы вызвать инжекцию носителей из эмиттера в базу, на участокэмиттер-база подключаем источник (рис.3.1а) таким образом, чтобы полеэмиттерного перехода было ослаблено полем внешнего источника (подходтот же, что при отпирании полупроводникового диода, то есть потребуютсядоли вольта, чтобы вызвать инжекцию).

Носители, перешедшие из эмиттерав базу, становятся там неосновными. Поле коллекторного перехода (при указанной полярности напряжения на коллекторе) будет ускоряющим для этихносителей при условии, если электрическое поле внешнего источника (Е к )будет совпадать с полем коллекторного перехода, то есть будет его усиливать, а не ослаблять. В этом случае носители, попадая под действие ускоряющего поля коллекторного перехода, втягиваются в область коллектора(явление экстракции).Чтобы оценить, какая часть эмиттерного потока носителей переведенаиз базы в коллектор, введём понятие статического коэффициента передачи3Iтока эмиттера α = к < 1. Если полярность источников на эмиттере и колIэлекторе соответствует рассмотренной (рис.2.1а), то такой режим транзисторапринято называть активным.

В активном режиме коэффициент «α» называютнормальным коэффициентом передачи тока эмиттера и обозначают «α n ».Значение этого коэффициента колеблется от 0,98 до 0,99. Нетрудно представить, какая доля из общего тока (I э ) приходится на ток базы: I б = I э − I к , тоесть ток базы ─ величина незначительная по сравнению с токами эмиттера иколлектора. После проведённого анализа процессов, протекающих в транзисторе n-p-n-типа, можем сделать вывод о том, что переходы в транзистореведут себя так же как переход в полупроводниковом диоде в разных его состояниях («открыт-закрыт»): эмиттерный переход находится в прямосмещённом состоянии, а коллекторный ─ в обратносмещённом. Поэтому, можемпредставить пассивную схему замещения транзистора (не отражающую усилительных свойств транзистора) в виде эквивалентных диодов (рис.3.2а).

Ачтобы отразить, какие сопротивления соответствуют каждой области и каждому переходу, воспользуемся схемой замещения в виде эквивалентных резисторов (рис.2.2б)._ЕэIэIкЭПКП_IэIкrэ0rк0++Iбrб0ЕэЕк_+Iбrб0_+Iбэа).б).Рис.3.2.ЭП – эмиттерный переход;Ек4КП– коллекторный переход;r э0 – сопротивление области эмиттера и прямосмещённого эмиттерногоперехода. Это сопротивление составляет единицы – десятки Ом.r к0 – сопротивление области коллектора и обратно смещённого коллекторного перехода. Это сопротивление составляет десятки – сотни кОм.r б0 – сопротивление области базы.

Ток через базу течёт в плоскости,перпендикулярной областям эмиттера и коллектора, поэтому, мы можем базурассматривать как длинный тонкий проводник, и чем тоньше база, тем больше её сопротивление. Это сопротивление составляет сотни Ом.Примечание. Индекс «0» используется при работе с постоянными составляющими тока.Из схемы на рис.3.2а видно, что переходы в транзисторе равноправны:каждый из переходов может находиться как в прямосмещённом, так и в обратносмещённом состояниях.

А из схемы на рис.3.2 б видно, что каждая область и переходы имеют вполне конкретное сопротивление.Чтобы отразить в схеме замещения активные свойства транзистора, выходную коллекторную цепь транзистора представим в виде эквивалентногогенератора тока I э α = I к . (рис.3.3).Фактически на рис.2.3 приведена малосигнальная физическая модельбиполярного n-p-n-транзистора в активном режиме.Iэα = IкIэrэ0rк0ЕкЕэIбrб0Рис.3.3.Iкб052.1.1. Мощности, рассеиваемые на переходах.Из предыдущих рассуждений о транзисторе n-p-n-типа следует, что попереходам текут примерно одинаковые токи, но они текут по разным сопротивлениям и под действием разных напряжений, то есть:РРэп= I 2эп × r э0 ─ мощность, рассеиваемая на эмиттерном переходе.кп= I 2к × rк 0 ─ мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе.Следовательно, на коллекторном переходе рассеивается большая мощность, чем на эмиттерном: КП находится в обратносмещённом состоянии иего сопротивление составляет десятки сотни кОм.

По этой причине коллекторный переход приходиться делать более массивным, а транзистор получается нессиметричным.Главным направлением в развитии современной микроэлектроники является уменьшение геометрических размеров полупроводниковых приборов иснижение рабочих напряжений (для уменьшения рассеиваемых на приборемощностей). Рассеиваемая на приборе мощность вообще представляетважный параметр разработки, так как определяет её реализуемость, надёжность и стоимость.

В современных разработках интегральных схемпреобладает низковольтная технология: рабочие напряжения не превышают 3 В, кроме того, размеры транзистора получаются значительно меньшими, чем размеры при традиционной технологии. Площадь эмиттерногоперехода у транзисторов n-p-n-структуры в интегральных схемах среднейстепени интеграции гораздо меньше площади коллекторного перехода.2.1.2. Токи неосновных носителей в биполярном транзистореПомимо основного коллекторного тока I к через коллекторный переходтечёт ток неосновных носителей I кб0 .

Природа тока I кб0 та же, что и у диода,поставленного под обратное напряжение. Даже при отсутствии инжекции состороны эмиттера, но при подключенном Е к , ток I кб0 в транзисторе течёт научастке «коллектор-база». В схеме (рис.3.3) видно, что основной коллекторный ток и ток неосновных носителей (красные стрелки) текут согласно и, та-6ким образом, при увеличении температуры ток I кб0 сделает «добавочку» вобщий коллекторный ток, и это необходимо учитывать при расчёте температурных режимов электронных схем.

Выражение для результирующего токачерез коллекторный принимает видI = αI э + I кб 0к2.2. Транзисторы p-n-p-структуры устроены аналогично только чторассмотренной структуре n-p-n-типа, но проводимость в p-n-p-структуре будет дырочной (основные носители ─ дырки). Следовательно, полярностьподключаемых источников будет иной (рис.3.4а, б). На рис.3.4а показанаструктура транзистора p-n-p-типа, а на рис.3.4б ─ условное графическое изображение транзистора в схемах.FэпP+ЭмиттерFкп- + N+ - ++ - ++ _ +База-PVT+_+Коллектора).б).Рис.3.4.Более технологичными признаны транзисторы структуры n-p-n-типа:основную роль в процессах транзистора n-p-n-типа играют электроны, а в pn-p-структуре ─ дырки, но электроны обладают большей подвижностью, чемдырки (в 2…3 раза), поэтому быстродействие электронных схем на n-p-nструктуре выше.

После перечисления достоинств транзисторов n-p-nструктуры становится понятным, почему в интегральной технологии преимущество отдано структуре n-p-n-типа.В заключение по этой теме немного остановимся на дрейфовых и бездрейфовых транзисторах.72.2.1. В бездрейфовых (диффузионных) транзисторах концентрацияпримесных атомов распределена примерно равномерно по всей базе, поэтомубаза не оказывает дополнительного ускоряющего действия на движение основного потока носителей, впрыснутых из эмиттера: движение этих носителей происходит по законам диффузии. Не нужно путать понятие «диффузионный транзистор» с понятием технологического процесса получения p-nперехода: понятие «диффузионный транзистор» отражает основные процессы, происходящие в базе.2.2.2. В дрейфовых транзисторах концентрация примесных атомовраспределена неравномерно по всей базе, поэтому в базе возникает дополнительное электрическое поле, которое оказывает существенное влияние на поток носителей, ускоряя его, и неосновные носители движутся в результатедрейфа и диффузии, но доминирует дрейф, поэтому дрейфовые транзисторыимеет более высокое быстродействие, чем бездрейфовые.3.

Способы включения биполярного транзистора.В зависимости от состояния эмиттерного и коллекторного переходов втранзисторе различают четыре способа (режима) его включения.1-й способ включенияНормальное включение (активный режим).При таком включении эмиттерный переход находится в прямосмещённом, а коллекторный в обратносмещённом состояниях (рис.3.5.). Эмиттер работает в режиме инжекции, а коллекторный переход ─ в режиме экстракциии.