Степаненко И. Основы теории транзисторов и транзисторных схем (1977) (1086783), страница 39
Текст из файла (страница 39)
База сплавного транзистора отличается от базы идеализированной структуры (см рис. 4-1) наличием трех участков, которые называют активной, аролсеждгпочной (или коллекторной) и пассыной областями базы. Активной областью базы является цилиндрический обьем с высотой сн и плошадью, равной поверхности эмиттера Я,. Прокгежуточной областью базы является кольцевой объем с площадью основания ߄— Я, и высотой„равной расстоянию от коллектора до противоположной поверхности базовой пластинки. Наконец, пассивной областью базы является ее объем, расположенный впе коллектора.
Для первоначального ознакомления с транзистором можно пренебречь пассивной и промежуточной областями и считать транзистор симметричным, имеющим одинаковую плошадь 5 = Я, во всех сечениях (см. рис 4-1). Обычно соблюдается соотношение гн к,3~3, т. е. размеры транзистора в направлениях, перпендикулярных главной оси, много больше толщины базы. В таком транзисторе краевые эффекты не очень существенны, и его можно считать одномерным, т. е. можно предположить движение носителей только вдоль главной оси, без отклонения в стороны.
Такая одномерная модель будет всегда подразумеваться, если не сделано специальных оговорок т. ° Инжекция и собирание неосиовных носителей. На рис. 4-5, а гоказана энергетическая диаграмма транзистора в равновесном состоянии. Диаграмма показывает, что эмиттер и коллектор представляют собой низкоомиые слои (уровень Ферми лежит вблизи уровней акпепторов), а база — сравнительно высокоомный слой (уровень Ферми расположен вблизи середины запрещенной зоны).
Легко видеть, что электроны базы и дырки эмиттера и коллектора находятся в «потенциальных ямах», из которых они могут перейти в смежный слой только благодаря достаточно большой тепловой эчергии. Наоборот, дырки базы и электроны эмиттера и коллектора находятся на «потенциальных гребнях», с которых они могут свободно переходить в смежный слой. В равновесном состоянии на обоих переходах имеется динамическое равновесие между потоками дырок (а также между потоками электронов), протекающих в ту и другую сторону.
ь Одномерная модель не может отрззнть влияния позерхностной рекомбинации, но зто злнянне, кзк иззестно, учитывается при нспользоззннн »фф е к т и з н о г о времени жизни (см. $1-! 0), Пусть на эмиттерном переходе задано нормальное для него положительное смещение, а коллекторный переход по-прежнему замкнут (рис. 4-5, 6). Тогда потенциальный барьер эмиттера понизится и начнется иижекция дырок в базу и электронов в эмиттер.
э к Б е- а) в тта г 4т Бв )не гн тг4 гй" ~Г я г) э е о к тамб лч г— "х~- Ф) рис. 4-5. Зонные диаграммы для трананстора при различных режимак его работы. ПРН бОльшой разнице н удельных сопротивлениях слоев Э и Б ЗнектРонная составляющая тока, как известно, не играет большой р'чни по а можно прея бречь. Инже ированнь!едырки, пройдя аау. доходят до коллекторного перехода н свободно проходят Коллектор. Значит, в выходной цепи будет протекать ток, близкий к току эмиттера, поскольку рекомбинации в тонкой базе невелика.
Небольшая разность между эмиттерным и коллекторным токами составляет ток базы, причем этот ток обусловлен электронами, которые призваны пополнять убыль электронов в базе при рекомбинации их с дырками. Поскольку напряжение (/„равно нулю, полезная мощность не выделяется и усиление отсутствует. Еслн в выходную цепь включить сопротивление для выделения мощности (рис. 4-5, в), то падение напряжения на этом сопротивлении создаст положительное смещение коллектора. Тогда наряду с собиранием дырок, дошедших до эмиттера, будет происходить инжекция дырок самим коллектором.
В результате коллекторный ток станеу заметно меньше тока эмиттера, мощность в нагрузке будет очень невелика и у с н л е н и я мощности не будет. В нормальном усилительном режиме на коллекторный переход задается достаточно большое о т р и ц а т е л ь н о е смещение, которое приводит к существенному повышению потенциального барьера у коллектора (рис. 4-5, г). Теперь »южно включать в выходную цепь значительные сопротивления без опасении вызвать инжекцию через коллекторный переход'.
При этом можно получить значительную выходную мощность, а главное — у с и л е н и е мощности, так как токи 1, и 1„почти одинаковы, а сопротивление нагрузки превышает сопротивление эмиттерного перехода. Пусть теперь коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттер аоборван» (рис. 4-5, д). Высокий потенциальный барьер коллектора практически исключает уход дырок из коллектора в базу. Следовательно„ток через коллекторпый переход обусловлен неуравновешенным потоком дырок из базы в коллектор. Токи 1„и !и в этом случае невелики и, конечно, равны друг другу, поскольку У, = О.
Экстракция дырок из базы через коллекторный переход создает отрицательный градиент нх концентрации вдоль базы в сторону коллектора. В результате уменьшается тот поток дырок из базы в эмиттер, который был в равновесном состоянии (рис. 4-5, а), и встречный поток дырок из эмиттера в базу оказывается неуравновешенным. Это вызывает накопление положительного заряда в базе, а в эмиттере образуется такой же отрипательный заряд Соответственно несколько возрастает разность потенциалов на эмьптерном переходе, так что поток дырок из эмиттера уменьшается и в конце канцон снова становится равным потоку дырок из базы.
Тогда ток 1, делается равным нулю, как и должно быть при оборванном эмитгере. Аналогично можно рассмотреть и другие возможные режимы транзистора, в том числе инверсное включение (см. $ 4-!). Во всех случаях у транзистора р-и-р главными рабочими носителями. образующими токи через переходы, являются д ы р к и, а ток базы всегда обусловлен э л е к т р о н а м и; последние комДля »того сонротивлеиие должно удовлетворять условию — ев+ г.~', ~ ц пФ зо Г»»ч Рнс. 4-7. Распределение дырок и избыточных влектроиов в базе. Рис. 4-6.
Переходные процессы при подаче ступеньки выиттерного тока. В установившемся режиме дырки в базе транзистора распределены почти так же, как в диоде с тонкой базой. Это объясняется сходством граничных условий'. В самом деле, для диода было принято условие (2-28б): Ьр (ьв) = О; для транзистора при отрипательиом смещении коллектора согласно (2-14а) получаем: стр (гв) = — р,. Поскольку обычно рв <., Лр (0), можно считать эти граничные условия практически одинаковыми.
Тогда, используя выражение (2-81б) (так как ш ~ Е), приходим к выводу, что стационарное Распределение дырок н базе почти линейно, как показано на рис. 4-7. На самом деле градиент концентрации около коллекторного перехода несколько меньше, чем около эмнттерного, поскольку ток коллектора (из-за рекомбинации) немного меньше эмиттерчого гока. Эту разницу в градиентах следует иметь в виду, но ее трудно втравить на графике. Необходимо подчеркнуть, что линейное расцределение свойственно только ст а ц и о н а р н о м у режиму. Во время коротких переходных процессов (длительностью порядка (р з менее) распределение может существенно отличаться от линейного (см. Рнс.
18-18 и 18-18). Линейному распределению дырок должно соответствовать почти линейное распределение компенсирующих (избыточных) электронов з базе (рис. 4-7). Причины небольшого различия в распределении 1 2-8). ?"Рок и избыточных электронов те же, что и в случае диода (см. пенсируют избыточный заряд дырок в базе и обеспечивают ее нейтральность как во время переходных процессов (когда дырки поступают или уходят из базы), так и в стационарном режиме (когда убыль дырок обусловлена только рекомбинацней). Распределение носителей в базе. Дырки, инжектированные эмиттером„достигают коллектора не сразу„а с некоторой задержкой, обусловленной их перемещением вдоль базы. Кроме того, в связи с хаотичностью движения дырок коллекторный ток нарастает не скачком, а плавно. Соответственно ток базы в первый момент равен току эмиттера, а затем постепенно ухюньшается до стационарного значения.
Примерная картина переходного процесса показана на рис. 4-8, где (, — время задержки, а (р — среднее время диффузии. Заряды избыточных носителей. пропорциональны площадям под кривыми их распределения. Поскольку база в целом нейтральна, можно считать эти плошади одинаковыми. Для оценки заряда удобнее пользоваться распределением дырок. Очевидно, что заряд дырок пропорционален толщине базы и току транзистора, определяющему наклон линии р (х) Вопрос о том, какому из двух токов (Е, или Е„) пропорционален заряд, не очень существен, так как эти токи в стационарном режиме почти одинаковы. В большинстве случаев удобнее считать заряд пропорциональным току коллектора (см. $ !5-3), так как в схемах этот ток обычно не претерпевает Р 1Р скачкообразных взменеы; — Ф~ЫИ и;-Щц (Р!)] й.
Эквивалентную емМ01 кость, обусловленную измепениями заряда в базе, называют, как и в диоде, Х е х и = иг х диффузионной емкостью (см й 2-9). хе Модуляции толщины йи ] ахи базы, Как известно, шиа] рина р-и перехода завиРис. 4-8. Влияние модуляции толщины аааы сит от напряжения на иа входные величины.
нем. Поскольку эмиттера — ! = соаеи б — ы соим. ный переход смещен в прямом направлении, его ширина мала и изменения этой ширины при изменениях !/а не имеют существенного значения. Коллекторный же переход, смещенный в обратном направлении, имеет сравнительно большую ширину, и изменешея ее при изменениях напряжения (Е„ важны для работы транзистора. А именно, поскольку коллекторный переход сосредоточен в базе (как более высокоомном слое), приращения его ширины вызывают практически равные им приращения толщины базы. В результате получается зависимость ги ((Е„), которую называют модуляцией толгцпны базы или эф4екггнш Эрли (56), Посмотрим, каких следствий можно ожидать от этого эффекта. Во-первых, изменение толщины базы влияет на ту долю инжектированных дырок, которая доходит до коллектора, избежав рекомбинации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
