Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Типичныи пример такой области для кремниевого мощного транзистора, включенного по схеме с общим змиттером, приведен на рис. 31. Нагрузочная кривая коллекторной цепи для определенной схемы должна лежать ниже указанного допустимого предела. Ограничение вытекает из следующего требования: максимальная температура перехода це должна превышать 150'С. На постоянном токе тепловой предел области безопасной работы определяется тепловым сопротивлением прибора Я~в 1581: Глава 3 Если Т; „,„„, = 150 'С и Я~„макс считать постоянным, то (93) ЙИ макс Следовательно, между 1п !с и !и Усв существует линейная зависимость, и наклон их графика (рис.
31) равен — 1. Как следует из рис. 27, при высоких напряжениях и малых токах в центре эмиттерной полоски может существенно повыситься температура, что ведет к возникновению вторичного пробоя, и наклон прямой принимает значение, лежащее между — 1,5 и — 2. Другое ограничение области безопасной работы связано с напряжением первичного пробоя В~'сво (вертикальная линия на рис. 31). В импульсном режиме область безопасной работы расширяется в сторону больших токов. При повышенной температуре окружающей среды тепловые ограничения снижают мощность, которую способен пропускать прибор (формула (93)), и область безопасной работы сужается.
3 5 ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ ТРАНЗИСТОРЫ Переключающие транзисторы используются в качестве ключей, которые могут за очень короткое время перейти из состояния с высоким напряжением и малым током в состояние с низким напряжением и большим током. Условия работы переключающих транзисторов отличаются от условий работы СВЧ-транзисторов. Дело в том, что процесс переключения представляет собой переходный процесс при больших сигналах, в то время как СВЧ-транзисторы обычно усиливают малые сигналы. Тем не менее геометрия переключающего транзистора аналогична геометрии СВЧ-транзистора (рис.
17), Наиболее важными параметрами переключающего транзистора являются коэффициент усиления по току и время переключения, Чтобы улучшить коэффициент усиления по току, достаточно снизить степень легирования базовой области. Для уменьшения времени переключения транзистор может быть легирован золотом, которое образует центры рекомбинации вблизи середины запрещенной зоны. Переключающий транзистор допускает различные режимы работы. Два основных режима и соответствующие нагрузочпые линии приведены на рис.
32, а. По степени использования определенных областей выходных характеристик транзисторов они получили названия режима насыщения и токового режима. Выходные характеристики принято делить на три области: Область 1: область отсечки, коллекторный ток отсутствует, эмиттерный и коллекторный переходы обратно смец~ены. Биполлрные шранзисторы 3миттер,о ага Коллектор "тктиоиая ооласлть оелость иасьсщения щ / ~ь ф йлаеть тсеиси — М Р агг агг Ю~е, 9 Рис.
32. Режимы работы переключающего транзистора [591. а — способы переключения; б — распределение неосновных носителей в базе прн от сечне, в активной области н при насыщении. Область 11: активная область, эмиттер смещен в прямом направлении, а коллектор в обратном. Область 111: область насыщения, эмиттер и коллектор смещены в прямом направлении. Распределения неосновных носителей в базе транзистора, соответствующие областям отсечки, активной области и области насыщения, приведены на рис.
32, б (59). Для обоих режимов выключенное состояние (ОЕР) характеризуется сдвигом рабочей точки по нагрузочной линии в область отсечки транзистора. Итак, способ переключения в первую очередь определяется уровнем прямого тока и положением рабочей точки во включенном состоянии (ОХ). Чаще всего применяют режим насыщения как наиболее близкий к режиму работы идеального ключа. Фактически в транзисторе в выключенном состоянии разомкнута цепь между эмиттером и коллектором, а во включенном состоянии она короткозамкнута. Токовый режим используют для высокоскоростного переключения, так как при этом исключается время рассасывания, связанное с пребыванием транзистора в области насыщения.
Рассмотрим теперь поведение транзистора при переключении на основе модели Зберса — Молла. Введенные выше в выражениях (47а) и (47б) коэффициенты а с соответствующими индексами можно определить из совокупности четырех величин, допускаю1цих непосредственное измерение: Глава 3 : обратный ток насыщения эмиттерного перехода при разомкнутом коллекторе, ед ев' <(1, ус = О. асс: обратный ток насыщения коллекторного перехода при разомкнутом эмиттере, ев!са~в~ ~~ 1 уе О а„: нормальный коэффициент усиления по току при нормальных условиях включения, когда эмиттер смещен в прямом направлении, а коллектор в обратном.
Тогда коллекторный ток равен !с = — а!,,7а -(- 1со. а,: инверсный коэффициент усиления по току при обратном включении, т. е. когда эмиттер смещен в обратном направлении, а коллектор в прямом. Тогда эмиттерный ток равен 7~ = — а,!с + ство. В большинстве транзисторов площадь эмиттера меньше площади коллектора и последний немного эффективнее собирает носители, инжектированные эмиттером. Поэтому обычно а~ ~ а,. Приведенные выше величины позволяют представить коэффици- енты входящие в выражения (47а) и (47б), в следующей форме: !ао а!1со пи= 1 ц,, п~г= (94) ам)со !со а.„— — г — — — . 1 — ал'в~! В областях 1 и 11 коллекторный переход смещен в обратном направлении.
Поэтому формулы (47а) и (47б) можно записать в более простом виде асс в! карт, (1 — ~к) 1яо Е= — Е ' -1- (95 ) 1 — и,хя! ! — аух! ( а) 7 ~Х1еО чаев,ит ! (1 — а1) 1со (95б) С 1 а ~<х! ~ 1 а и! Эквивалентная схема, соответствующая выражениям (95), приведена на рис, 33, а. Для учета конечной проводимости полупроводникового материала в схему добавлены сопротивления базы гь, эмиттера г, и коллектора г,, В области П1 за независимые переменные удобно принять токи.
Из приведенных выше выражений следует (96а) (96б) !89 Биполярные транзисторы !' нЧ ео/АТ 1 оса сст ~' с Рис. 33, Экниналентные схемы переключающего транзистора 1321, а — для сбластеа 1 я 11; б — для области 11!. Рс/!е (выкл., область 1) = Рс (1 — а,ча! ) ) СО «хх~ео (97) Г~п,)вкл.,обласгь!н) — )и) — ~ г). 198) ~1 с ~ !со На рис, 33, б приведена эквивалентная схема транзистора для области 111. Формулы (95) и (96) позволяют анализировать нелинейные задачи переключения транзисторов в режиме большого сигнала. Для описания характеристик переключающего транзистора необходимо определить следующие пять параметров: предельный ток, максимально допустимое напряжение, импедансы во включеннс!и и выключенном состояниях и время переключения.
Предельный ток определяется допустимой мощностью рассеяния и так же, как в мощных транзисторах, задается тепловым ограничением. Я!) ксимально допустимое напряжение определяется напряжением прогоя или прокола, рассмотренным выше. Импедансы во включенном и выключенном состояниях могут быть получены из фара!ул (95) и (96) при соответствующих граничных условиях. Например, для схемы с общей базой эти импедансы имеют вид Глава 8 Рис.
34. Переключение гав р — и-транзистора в схеме с общей базой 1591. а — схема включеиия; б — входиой импульс эмиттериого тока; в — соответствующий отклик колгбб лекториого тока. ( ( ? Ю Из выражения (97) видно, что импеданс в выключенном состоянии выше при малых обратных токах насьпцения переходов 1д, и 1ао. Импеданс во включенном состоянии, определяемый формулой (98), в первом приближении обратно пропорционален коллекторному току 1с и очень мал при большой величине (о. Омические сопротивления (рис. 33, б) вносят существенный вклад в полный импеданс транзистора и должны приниматься в расчет.
Рассмотрим теперь время переключения, т. е. время, необходимое для перевода транзистора из выключенного состояния во включенное или обратно. В общем случае время включения отличается от времени выключения [591. На рис. 34, а представлен процесс переключения транзистора, включенного по схеме с общей базой. После подачи импульса на змиттерный вывод (рис. 34, б) происходит включение транзистора на интервале времени от 1 = О до 1, (рис. 34, в), а переходный процесс включения определяется параметрами активного режима (область 11). В момент времени ~1 рабочая точка попадает в область насыщения Биполярные, ягранзисп~оры тока (область 111).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
