Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 22
Текст из файла (страница 22)
1 мкм.хб)а)Рис.4.3Раздел ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ·~1.118- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -4.2.Физические процессыв нормальном активном режиме.Коэффициенты передачи токаВ активном режиме, который является наиболее распространенным, особенно для усилительных схем, эмиттерный переходсмещен в прямом направлении, а коллекторный-в обратном.Рассмотрим транзистор р-п-р-типа. (Хотя на практике чащеиспользуют п-р-п-транзисторы, дальнейшее рассмотрение будем проводить на основе р-п-р-транзисторов, так как для нихнаправлениедвижениядыроксовпадаетснаправлениемтока,что облегчает понимание.) В этом случае дырки, инжектированные из эмиттера в базу, движутся к коллекторному переходу. Инжекцией электронов из базы в эмиттер можно пренебречь, поскольку концентрация примесей в эми'l·терной области, как правило, много больше, чем в базовой.
Движение инжектированныхносителей через базу обусловлено как диффузией, так и дрейфомносителей. Диффузия вызвана повышением концентрации носителей из-за их инжекции в базу около эмиттерного перехода. В области, примыкающей к коллекторному переходу, под действиемобратного напряжения происходит экстракция дырок.
Дрейфовоедвижение вызвано внутренним электрическим полем в базе, возникающим из-за неравномерного распределения в ней примеси.Такие транзисторы с неоднородно легированной базой, в которойдрейфовое движение играет значительную роль, называют дрейфовыми.Возникновение внутреннего поля можно проиллюстрироватьсхемой на рис.4.4,где представлено распределение доноров вп-базе, аналогичное показанному на рис.4.3,б. Неравномерноераспределение примеси в базе, а следовательно, и основных носителей, поскольку при комнатной температуре вся примесьионизована,вызываетдиффузиюэлектроноввнаправленииколлектора.
Из-за ухода электроновв базе со стороны эмиттерного переходаБN€внутрд1эаэа-тикамине-4.4«+ »,4.4 креса со стороны коллектораушедшие электроны образуют избы1точный1хРис.избыточныйноров, обозначенный на рис.~-!~~1+0+0образуетсяскомпенсированный заряд ионов доотрицательныйзаряд«-».В результате сформировавшихся избыточных зарядов и возникает внут-i~1Глава4.119Биполярные транзисторыреннее поле Бвнутр• которое будет ускоряющим для инжектированных из эмиттера дырок. Инжектированные дырки, пройдя область базы, будут втягиваться в коллектор ускоряющимэлектрическим полем.
Часть инжектированных дырок при ихдвижении к коллектору будет рекомбинировать в области базы,образуя базовый ток. Число рекомбинировавших носителей невелико, поскольку толщина базы мала по сравнению с диффузионной длиной дырок. В результате токи эмиттераlэ и коллектораIк различаются незначительно и их разность равна току базы Iв, т. е. Iв=Iэ -Iк· Коллекторный ток очень слабо зависит отнапряжения на коллекторном переходе, поскольку при любомобратном напряжении все дырки, дошедшие до коллекторногоперехода, ускоряются его полем и уносятся в коллектор.
Направление токов можно проследить по схеме на рис.4.2.Слабое влияние коллекторного напряжения на коллекторный ток приводит к тому, что дифференциальное сопротивление коллекторного перехода rк=dИкв/diк очень велико, что ха-.рактерно для р-п-перехода, смещенного в обратном направлении. В такой ситуации в коллекторную цепь можно включитьдостаточно большой нагрузочный резистор Rн практически безизменения коллекторного тока. Если входной ток эмиттера увеличивается на величину ЛJ э• то приращение коллекторного тока Лiк будет приблизительно тем же самым, т. е.
ЛiэЛiк.""'Увеличение входной мощности ЛРвх' потребляемой в эмиттерной цепи, определяется величиной ЛJ3 и дифференциальным сопротивлением эмиттерного перехода rэ=dИэв/diэ, которое для.прямосмещенного перехода очень мал6 по сравнению с сопротивлением обратносмещенного коллекторного перехода rк, т. е.rк»r3 •ЛРвхВ результате значение приращения входной мощности= ЛJ3 ЛИ3в = ЛJ~ rэ будет много меньше выделяемого нанагрузке Rн изменения выходной мощности ЛР вых=ЛIRRн, поскольку обычно Rн»=ЛJ к ЛИ кв =rэ· Таким образом, схема усиливает с коэффициентом усиления К=ЛР выхl ЛР вх=Rн/r3> 1.В активном режиме ток эмиттера Iэ для р-п-р-транзисторасостоит из токов инжекции дырок в базу Iэр и электронов из базы в эмиттерт.
е.13=I3PIэ п• а также тока рекомбинации в переходе+ Iэп + Iэрек·Iэ рек'Из всех составляющих ток инжекции120РазделдырокIПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ1.э Р из эмиттера в базу определяет выходной коллекторный ток, и, следовательно, является полезным. Остальные две~оставляющие относятся к потерям, и их необходимо по возможности уменьшать. Полный ток коллектора Iк, помимо токаинжекции, учитывает ток рекомбинации в базеIр, рек и обратный ток коллекторного перехода I кво• который не зависит от тока эмиттера. Рекомбинацию инжектированных носителей в базе учтем введением коэффициента а-статнческого коэффнцнента передачн тока эмнттера в схеме с общей базой (ОБ).
В результате полный ток коллектора можно записать в форме(4.1)Из выражения(4.1) следует,чтоа= Uк ~ Iкво)/Iэ ""'Iк/Iэ·В выражении(4.2)(4.2)приближенное соотношение справе;цливодля рабочих токов Iк, которые обычно много больше Iкво· Физически а определяется коэффициентами инжекции эмиттераУэ=Iэр/Iэ и переноса носителей через базу Лв=Iк/Iэр• т.
е.а=уэ"'в·(4.2,а)Коэффициент инжекции Уэ показывает, какую часть составляет полезный ток инжекции дырок из эмиттера в базу в полном токе эмиттера. Величина Лв отражает потери инжекти-'рованных дырок при их движении через базу за счет рекомбинации. Рекомбинация определяет ток базы, который равен Iв ==Iэ-Iк· Если воспользоваться соотношением(4.1),то моЖно'получитьIв=(1- а)Iэ -Iкво·Из выражения(4.3)(4.3)видно, что при токе Iэ=Iкво/(1-а) токIв =О. Рабочие токи эмиттера значительно больше Iкво/(1-а),тогда ток базы можно вычислить по формуле(4.4)В импульсных и цифровых интегральных схемах достаточношироко используется инверсный режим, когда в противоположность нормальному режиму роли эмиттера и коллектора меняют-1Глава4.121Биполярные транзисторыся местами.
В инверсном режиме коллекторный переход смещенв прямом направлении, а эмиттерный-в обратном. Входнымтоком в схеме с ОБ будет коллекторный ток, а выходнымтерный. Аналогично-эмит(4.1) для инверсного режима(4.5)где а 1 -инверсный коэффициент передачи тока,Iэво-обратный ток эмиттерного перехода при lк =О.Из(4.5) следует,что(4.6)причем аналогично(4.2)а1инжекции коллектора, Ав r"fкАвl' где 'Ук=-коэффициентинверсный коэффициент пере-носа.Для большинства транзисторов а1>а, поскольку коллекторный переход не обладает, в отличие от эмиттерного, свойствомодносторонней инжекции, так как концентрация примеси вколлекторной области много меньше, чем в эмиттерной (см.рис.В результате 'Ук4.3).<'Уэ· Помимо этого, внутреннее полебазы является тормозящим для носителей, движущихся из коллектора в эмиттер, что уменьшает Ав!' и в результате оказывается Ав r<Ав, кроме того, Ав может уменьшаться из-за рекомбинации носителей в пассивной базе (окисленной поверхности полупроводника базы или на базовом контакте).Для схемы с ОЭ входным током является ток базы Iв, авыходнымжением- ток коллектора I к· В этом случае, пользуясь выра(4.1) и учитывая, чтоlэ = lк + Iв, можно для коллекторного тока получить следующее выражениеlк=аlв/(1-а)+ lкво/(1-а).Введем обозначение~= а/(1-(4.7)а).
Коэффициент~ называетсястатическим коэффициентом передачи тока базы. Окончательно выражение( 4. 7) можно записать в виде(4.8)Из этой формулы следует:(4.9)Раздел1221.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫТаким образом, ~ есть отношение выходного коллекторноготока к входному базовому току. ВысококаЧественные транзисторы имеют а>0,99,тогда~;;;,100.В режиме насыщения происходит двусторонняя инжекциянеосновных носителей через оба перехода, которые смещены впрямом направлении. В этом случае ток базы будет больше посравнению с нормальным, или активным режимом (НАР), поскольку из-за инжекции носителей из базы в коллектор и изколлектора в базу происходит дополнительная рекомбинацияносителей и Iв> (1 -а)Iэ для схемы с ОБ или ~Iв>Iк для схемы с ОЭ.В режиме отсечки на оба перехода подаются обратные напряжения и через переходь.r протекают обратные токи Iэво и Iкво·Поскольку площадь и толщина коллекторного перехода больше, чем эмиттерного (степень легирования эмиттерной областимного больше, как правило, чем коллекторной), тоI кво» I эво·Рассмотренные коэффициенты передачи токов зависят отвсех составляющих токов, протекающих во всех цепях транзистора, поэтому а и ~ будут изменяться как функции тока эмиттера, напряжения на коллекторе, температуры и т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
