Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 42
Текст из файла (страница 42)
В современных транзисторах а ~ 0,99. Ток базы в схеме с ОБ'является результатом побочных эффектов. Он обусловлен тремя процессами. Во-первых, рекомбинацией в базе, происходящей при перемещении электронов от амиттера к коллектору (поток 1"). Во-вторых, перемещением дырок из базы в эмнттер (поток 3) и, в-третьих, неосновными носителями заряда (потоки 6 и 8). Поток 3 выражается через ток эмиттера уравнением 1, = (1 — у)(„поток 1" — уравнением ~",= (1 — 6)у(,.
Следовательно, 1« = (1 — а)1, — 1„м. (4.4) Нетрудно установить, что три тока транзистора связаны следующим соотноше- нием: т,=в„+ юь (4.5) Для схемы с ОЭ входным током является ток базы.'Целесообразно для этой схемы установить связь между входным и выходным токами, взяв за основу соотношение (4.3) и учитывая (4.5): а . 1„ $ Уб+ 1-а 1-а Введем обозначения а 1-а (4.6) 1„, 1-а (4.7) Тогда получим: =0 1., Коэффициент р называют коэффициентам передачи тока базы. Полученное соотношение выражает выходной ток транзистора 1„через входной ток 1«в схеме с ОЭ. Если а = 0,99, то р 100. Ток 1, — это ток, протекающий в цепи коллектора (индекс «кь) в схеме с ОЭ (индекс «эь) при оборванной цепи базы (индекс «Оь). Ток 1к м примерно в 100 раз превышает ток Х„м.
В его создании участвуют не только потоки 6 и 8, но и электроны, пришедшие из эмиттера. Дело в том, что при обрыве цепи базы внешнее напряжение и„, перераспределяется между коллекторным и эмнттерным переходами. Основная доля этого напряжения прикладывается к коллекторному переходу, так как его сопротивление велико (переход закрыт), а некоторая часть прикладывается к эмиттерному переходу так, что он открывается. Поэтому возникает небольшой по величине поток электронов 1, достигающий коллекторного перехода и складывающийся с потоками 6 и 8. Коэффициенты передачи токов характеризуют полезный эффект в транзисторе.
Они связывают между собой входной и выходной токи. Естественно, что они г1В Глава 4. Биполярные транзисто ы и ти исто ы Следовательно, можно записать: 1,=1,„+1„+1 „. Эффективность эмиттера определяет долю электронного тока в полном токе эмиттера: ю эп 1 1, 1 +г'„+1, (4.9) 'и 'и 1+ —,+ —, 1„, 8=1- — 6 т6 где т„— время жизни электронов в базе. Поскольку а = уб, то зависимость а =Я1,) принимает вид, показанный на рис. 4.5, б. В области нормальных режимов работы а очень слабо зависит от тока эмнттера. Коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ связан с коэффициентом а соотношением (4.6). Следовательно, при небольших изменениях коэффициента а коэффициент В изменяется очень сильно. Например, при изменении а от 0,99 до 0,98 коэффициент В изменяется от 100 до 50 (см.
рис. 4.5, в). Коэффициенты а и 5 зависят от значения напряжения и„,. По мере роста и,, происходит расширение коллекторного перехода и соответствующее сужение базы, благодаря чему уменьшается время пролета электронов через базу, возрастает б и, соответственно, коэффициенты а и ~3. Усилительные свойства транзистора, работающего в инверсном режиме, определяются инверсными коэффициентами передачи а, и (3ь Коэффициент а, характе- Уравнение (4.9) позволяет объяснить зависимость у от тока. В области малых токов концентрация электронов, попадающих из эмиттера в эмиттерный переход, соизмерима с концентрацией свободных рекомбинационных ловушек, поэтому они заполняют свободные ловушки, и лишь незначительная часть электронов способна покинуть эмиттерный переход и перейти в базу.
В этом случае слагаемое 1' /1 велико и, соответственно, эффективность мала. По мере роста 1, возрастает число заполняемых рекомбинационных ловушек, уменьшается 1 и возрастает у, достигая значения 0,99 и более. В области больших токов наблюдается снижение у, обусловленное отношением 1,„/1 . Дело в том, что при высоком уровне инжекции инжектированные в базу электроны притягивают к себе дырки, в результате чего возрастает дырочная составляющая тока эмиттера и увеличивается отношение 1 Л1,„, что ведет к снижению у. Коэффициент переноса 8 с увеличением тока увеличивается, так как по мере роста тока возрастает уровень инжекции электронов в базу, поэтому возникает внутреннее электрическое поле, и перемещение электронов через базу происходит не только за счет диффузии, но и под действием сил поля, что ведет к уменьшению времени пролета электронов через базу тз и возрастанию коэффициента переноса Ь, который связан с временем пролета соотношением 217 4.3.
Расп еделение концент вции носителей заряда и токов ризует передачу тока из цепи коллектора в цепь эмитгера. Поскольку концентра- ция примеси в коллекторе существенно меньше, чем в эмиттере, то эффективность коллектора оказывается невысокой, и, соответственно, а, «а. То же касается н ко- эффициента передачи тока базы в цепь эмиттера Вь 4.3. Распределение концентрации носителей заряда и токов я(х ) = п ехр —" т (4.10) р (х„) = р„ехр — '" . И (4.11) Концентрация на границах коллекторного перехода определяется по формулам п(х',) = п„ехр — "'", т (4.12) в(х'„) = р„ехр — "'", и, (4.13) Напряжения на переходах и, соответственно, концентрации носителей заряда на границах перехода можно выразить через внешние напряжения, руководствуясь ранее установленным правилом, что под положительным напряжением следует понимать разность потенциалов между дырочной и электронной областями, то естьесли<р > <р„,то и=<р — ~р„>0, если жег,< <р„, тои=<р — <р„< О.
В табл.4.2 приведены соответствующие формулы для расчета напряжений на переходах и концентраций на границах базовой области. Анализ распределения концентрации носителей заряда, как установлено при рассмотрении процессов в р--переходе и полупроводниковом диоде, позволяет установить распределение токов внутри транзисторной структуры н, соответственно, установить влияние внешних напряжений на токи 1 („и (е При этом можно ограничиться только анализом распределения концентрации неосновных носителей заряда. Это распределение не зависит от схемы включения транзистора и определяется напряжениями на эмиттерном и коллекторном переходах. На рис.
4.6, а представлена одномерная модель транзистора типа п-р-а, включенного по схеме с ОБ, а на рис. 4.6, б — по схеме с ОЭ. В этих схемах включения действуют одинаковые напряжения на переходах, соответствующие активному режиму работы, поэтому распределение концентрации неосновных носителей заряда (рис. 4.6, в) одинаково, также одинаково и распределение токов (рис. 4.6, г). В активном режиме за счет инжекцин неосновных носителей заряда возрастают их концентрации на границах эмиттерного перехода.
Эти концентрации определяются соотношениями г1В хр х,' р х ! ! ! ! Глава 4. Биполя ные т анвисто ы и тиристоры ф на ! ! ! ! ! 219 4.3. Распределение концент ации носителей за яда и токов Таблица 4.2. Формулы для расчета напряжений на переходах и концентраций на границах базовой области Напряжение нлн концентрация гйб гйэ г45-в Фа Ф» = г4» гг»- и„„ л ехр-л~ и, п ехр-я=к и и, л(х») и ехрз=а -и„ и » л ехр -к=з — тх и -и„ и т гРп(х) и„ (х) (4.14) Начало координат примем на границе базы с эмиттерным переходом, а в качестве граничных условий примем уравнения (4.10) и (4.12), определяющие концентрации электронов на границах базы. Ширину базы обозначим )К Учитывая, что И'= х', — х„решение уравнения (4.14) имеет вид и» и ( х» ) 3 Ь + и|» ~ ( х т ) 5 Ь п„(х)— (4.15) зЬ— Е„ Учитывая, что ширина базы %' много меньше диффузионной длины электронов, уравнение (4.15) можно упростить, приняв Иг И" зЬ вЂ” = —.
Е„ Тогда В схеме с ОБ в активном режиме должны выполняться условия и, з < 0 и и„т > О, а в схеме с ОЭ вЂ” условие 0 < ит, < и„,. В этом режиме концентрации неосновных носителей заряда на границах змиттерного перехода — высокие, а на границах коллекторного перехода — низкие. В области эмиттера концентрация инжектированных дырок в соответствии с соотношением (1.64) убывает по мере удаления от сечения х„, стремясь к равновесному значению р . В области коллектора концентрация дырок возрастает по мере удаления от сечения х'„, стремясь к равновесному значению р„„.
Для того чтобы найти распределение концентрации электронов в базе, надо решить уравнение непрерывности 22О Глава 4. Биполя ные транзисторы и тиристоры В активном режиме и (х,') О, следовательно, (4.17) Из (4.17) следует, что в активном режиме концентрация электронов в базе убывает линейно. Реальное распределение и(х), построенное в соответствии с (4.15), отличается от линейного, оно имеет выпуклость книзу, тзк как по мере движения от эмиттера к коллектору часть электронов рекомбинирует с дырками. Если известно распределение концентрации неосновных носителей заряда, то нетрудно построить графики распределения диффузионных токов (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
