Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 24

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 24)

5.8). Соответственно сравнимыми будут электронная и дырочная составляющие коллекторного тока, а также избыточные заряды в коллекторе и базе. О ю х О ю а) б) Рис. б.э. Расяределеиие электронов в базе в режиме двойной ияжекцин (нгтриховые линии — составляющие нормального и инверсного включений): а — у бездрейфового транзистора, 6 — у дрейфового транзистора В режиме двойной инжекции, когда оба перехода — эмиттериый и коллекторный — работают в прямом направлении, распределение избыточных носителей в базе можно оценить приближенно, суммируя распределения при нормальном и инверсном включениях (рис.

5.9). При этом у бездрейфовых транзисторов (рис. 5.9, а) распределение приобретает трапецеидальную форму, а избыточный заряд оказывается значительно больше, чем при нормальном включении. Что касается дрейфовых транзисторов (рис. 5.9, б), то у них результирующее распределение и результирующий избыточный заряд близки к величинам, свойственным инверсному включению. 136 Глава З.

Физические прнвявпы работы транзистора в тврнстора Суммарный избыточный заряд, накапливающийся во всех трех слоях транзистора, можно выразить через ток базы. Действительно 16 1бр + 1зр + 1крэ где 1 „— ток рекомбинации дырок в базе, 1, и 1к — дырочные составляющие токов эмиттера и коллектора.

Очевидно, что 1б 1з 1к Лэк б Л"с э Лэс к Р Т Р Т кр Т б э к Поэтому ЛЯб ЛЯ, ЛЯ„ 1, = — + — '+ — ". То Т, Т„ Если для простоты положить времена жизни во всех трех слоях транзистора одинаковыми и равными т„то суммарный заряд будет связан с током базы элементарным соотношением: (5. 14) ЛЦ =1бт. При неодинаковых временах жизни пропорциональность между суммарным зарядом и током базы сохраняется, но выражение будет более громоздким. В тех случаях, когда зарядами ЛЯэ и ЛЦк можно пренебречь, выражение (5.14) используется для оценки избыточного заряда в базе.

До сих пор мы подразумевали идеализированную структуру транзистора. В реальной структуре площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного. Поэтому при инверсном включении коллектор инжектирует электроны не только в активную, но и в пассивную область базы. Суммарный заряд, накапливающийся в обеих областях, разумеется, больше„чем при нормальном включении. Поскольку пассивная область базы значительно толще активной, а граничные концентрации избыточных электронов одинаковы, распределение носителей в пассивной области оказывается более пологим.

Различие в распределениях создает на границе активной и пассивной областей базы градиент концентрации электронов. В результате часть электронов, инжектированных в пассивную область с площади Яз (рис. 5.10), отклоня- тзт блх Козффициеаты усилеикя тока ется от прямолинейной траектории и попадает не на поверхность, а на боковые части эмиттера. При этом задача анализа делается неодномерной, т.е. сильно усложняется. Однако суммарный заряд избыточных носителей, накапливающийся в активной и пассивной областях рис. бло.

траектории злектробазы, по-прежнему определяется нов, инжектированных в базу формулой (5. 14). при инверсном включении 5.4. Коэффициенты усиления тока В обычных транзисторных схемах выходной (управляемой) величиной является либо коллекторный, либо эмиттерный ток, а входной (управляющей) — либо ток базы, либо ток эмиттера.

Связь между выходными и входными токами характеризуется коэффициентами усиления. Общие определения. Связь между коллекторным и эмиттерным токами можно записать в виде~: 1„= а1,. (5.15) Здесь а — коэффициент усиления элгиттерного тока— один из основных параметров транзистора. Зтот параметр особенно удобен тогда, когда ток эмиттера можно считать заданной величиной, например, в схеме ОБ.

Коэффициент а близок к единице. У интегральных транзисторов он обычно составляет 0,99 — 0,995. Чтобы установить связь между током коллектора и током базы, подставим в (5. 15) значение 1, = 1„+ 1б. Тогда искомое соотношение легко приводится к виду: =В1 . (5.16) Здесь  — коэффициент усиления базового тока: В =аЯ1 — а) . (5.17) ) При условии г, = О (при оборванном змиттере) в цепи коллектора, находящегося под обратным напряжением, протекает обратный ток перехода.

Однако обратный ток даже при высоких температурах значительно меньше рабочих токов, и его можно не учитывать. ГЗЗ Глава б. Физичесиие приипипы работаз траизистора и тиристора Зтот параметр, широко используемый в транзисторной электронике, особенно удобен тогда, когда задан ток базы, прежде всего в схеме ОЗ. Типичные значения коэффициента В лежат в пределах 100 — 300. Коэффициент усиления В тем больше, чем ближе коэффициент а к единице. Запишем коэффициент а в следующем виде: 1„1,„1 П =— 1а 1е 1 ел Каждый из двух множителей в правой части имеет свой физический смысл и свое название.

Первый множитель у = 1,„11, = 1,„1(1,„+1, ) (5.18) называется коэффициентом инженции. Он характеризует долю полезной — электронной — составляющей в общем токе эмиттераз. Только эта составляющая, как уже отмечалось, способна дойти до коллектора и составить коллекторный ток.

Второй множитель (5. 19) и 1к/1ел называется коэффициентом переноса. Он характеризует долю инжектированных носителей, избежавших рекомбинации на пути к коллектору. Только такие носители образуют коллекторный ток. Таким образом, коэффициент усиления эмиттерного тока можно записать в виде (5.20) Учитывая определяющую роль параметра а в работе транзистора, рассмотрим его составляющие.

Коэффициент переноса. Для того чтобы найти коэффициент н из определения (5.19), нужно предварительно рассчитать ток 1„. Для бездрейфовых транзисторов это можно сделать, воспользовавшись распределением (5.6). Определив градиент кон- 1 Напомним, что мы рассматриваем л-р-л траизистор Ур-л-ртраизистора полезиой составляющей будет дырочивя тве З.«. Коаффиииеиты усиления тока центрации при х = ш и умножив на площадь перехода Я, найдем ток 1 . После этого из (5.19) получаем: 1 ш к = = весЬ— сЬ(ш/Ь) 5 (5. 21) 1 к= 1+ 1/2(ш!5) (5.22а) Поскольку второй член знаменателя много меньше единицы, можно воспользоваться еще одним приближением: к =1 — 1/2(ш/Ь) . (5.22б) Например, если ш/5 = 0,1 — 0,2, то к = 0,98 — 0,995. Выражения (5.22) ясно показывают, что коэффициент переноса тем ближе н единице, чем больше диффузионная длина и чем меньше ширина базьс.

Однако увеличение диффузионной длины (т.е. времени жизни) сопровождается, как увидим, ухудшением частотных свойств транзистора. Поэтому главным направлением в развитии транзисторов является уменыиение ширины базы. Для дрейфовых транзисторов коэффициент переноса получается аналогичным способом и имеет аналогичную структуру: 2(0+1) 5 (5.23а) или 2(с) + 1) 1, (5. 23б) (знак «минуса опущен, поскольку отрицательному градиенту концентрации электронов соответствует положительное направление тока 1а).

Выражение (5. 21) — одно нз фундаментальных в теории транзисторов. Учитывая соотношение ш «Х, можно разложить правую часть (5.21) в ряд с точностью до двух первых членов и получить более удобное выражение: 140 Глава б. Фиаическиа ириииипм рабатм траивистара и тиристара Отличие от формул (5.22) состоит в дополнительном множителе (ц + 1) . Например, если в бездрейфовом транзисторе к = 0,98-0,995, то в дрейфовом транзисторе при той же ширине базы и ~) = 3 получится к = 0,995 — 0,999.

С физической точки зрения увеличение коэффициента переноса у дрейфовых транзисторов объясняется тем, что носители в ускоряющем поле двигаются быстрее и тем самым уменьшается вероятность их рекомбинации. Коэффициент инжекции. Поделим числитель и знаменатель в правой части (5.18) на ток 1,„. Далее подставим токи 1,„и 1,р из выражений (5.7) и (5.9), положив в них х = О. Отношение граничных концентраций Лр,(0)/Лоб(0) заменим отношением концентраций примесей )Уб/Ф, согласно условиям Шокли. Тогда коэффициент инжекции для дрейфового транзистора запишется следующим образом: (5. 24а) При ц > 1 экспоненциальным членом можно пренебречь.

Для бездрейфовых транзисторов, полагая ц = О, получаем: 1+ э ~ б (5. 246) Как видим, коэффициент инжекции тем ближе к единице, чем меньше ширина базы и чем больше разница между граничными концентрациями примесей в эмиттерном и базовом слоях. Поэтому эмиттерный слой всегда стараются яегировать как ложно сильнее, так что он, как правило, оказывается полу- металлом. При этом расчетные значения у могут составлять 0,9999 и более. Формулы (5.24) выведены из условия, что токи 1,„и 1,р чисто инжекционные, т.е. потери носителей в области эмиттерного перехода отсутствуют.

Характеристики

Список файлов книги