шпоры к семинару по транзисторам (Шпоры к экзамену)

1. Устройство и принцип действия БП-транзисторов.

В биполярных транзисторах физические процессы определяются движением носителей заряда обоих знаков — основных и неосновных, что отражено в их названии. Биполярный транзистор содержит три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости n-p-n или p-n-p, которые называются соответственно эмиттером, базой и коллектором; эти области разделены двумя взаимодействующими между собой p-n-переходами — эмиттерным и коллекторным. Взаимодействие между переходами обеспечивается благодаря тому, что расстояние между ними (толщина базы) много меньше диффузионной длины неосновных носителей в базе. К полупроводниковым областям созданы омические контакты и внешние выводы. Принцип действия транзисторов типа n-p-n и p-n-p одинаков. Рассмотрим назначение основных областей полупроводниковой структуры n-p-n-транзистора и его принцип действия на примере простейшей одномерной модели. В этой модели p-n-переходы считаются плоскими, а носители движутся только в одном направлении — вдоль оси x, перпендикулярной переходам. Штриховкой показаны обедненные слои p-n-переходов; расстояние между ними дает физическую толщину базы, а расстояние между металлургическими границами — технологическую толщину базы. Энергетическая диаграмма для одномерной модели в состоянии равновесия (при нулевых напряжениях на переходах) показана на рисунке на обороте. Она является совмещением энергетических диаграмм p-n-переходов. Равновесная система характеризуется единым уровнем Ферми. На границе эмиттера и базы образуется энергетический барьер высотой qφ_0Э, а на границе базы с коллектором — барьер высотой qφ_0К. Небольшое искривление границ энергетических зон в базе обусловлено внутренним электрическим полем в базе, возникающим вследствие неравномерного распределения акцепторов, — их концентрация у границы базы с эмиттерным переходом значительно выше концентрации у границы с коллекторным переходом. Такое распределение примесей характерно для большинства транзисторов. Внутреннее поле ускоряет электроны, движущиеся в базе от эмиттера к коллектору. В активном режиме, являющемся основным для усилительных схем, на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный — обратное. Энергетическая диаграмма в активном режиме приведена на рисунке на обороте. Потенциальный барьер эмиттерного перехода уменьшается на значение прямого напряжения U_ЭБ, что приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу. Основное назначение эмиттера (что и отражено в его названии) —обеспечить максимально возможную при данном прямом токе одностороннюю инжекцию электронов в базу. Для этого концентрация доноров в эмиттере должна быть больше концентрации акцепторов в базе. Транзисторы с неоднородно легированной базой, в которой существенно дрейфовое движение, называют дрейфовыми. В активном режиме коллектор собирает (коллектирует) инжектированные в базу

1. Устройство и принцип действия полевого транзистора.

Полевой транзистор содержит три полупроводниковые области одного и того же типа проводимости, называемые соответственно истоком, каналом и стоком, а также управляющий электрод — затвор. В транзисторе используется движение носителей заряда только одного знака (основных носителей), которые из истока через канал движутся в сток. В полевых транзисторах с изолированным затвором между металлическим затвором и каналом расположен слой диэлектрика так, что образуется структура металл — диэлектрик — полупроводник (МДП). Характерным для всех полевых транзисторов является очень малый ток в цепи затвора, так как затвор либо изолирован, либо образует с каналом управляющий переход, включаемый в обратном направлении. Так как затвор в электрических схемах является входным электродом, то полевой транзистор обладает высоким входным сопротивлением на постоянном токе (более 10⁸—10¹⁰ Ом). В этом заключается важнейшее отличие полевых транзисторов от биполярных, во входной цепи которых (обычно базовой) протекает значительный ток при прямом напряжении на переходе эмиттер — база. Поэтому входное сопротивление биполярных транзисторов весьма мало (десятки — сотни Ом в схемах ОЭ и ОБ). В связи с указанным различием входных сопротивлений иногда говорят, что полевой транзистор — это прибор, управляемый напряжением (электрическим полем), а биполярный — прибор, управляемый током. В приборах, управляемых напряжением, напряжение на входном электроде прибора из-за высокого входного сопротивления практически не зависит от параметров самого прибора и определяется ЭДС генератора входного сигнала, если R_вх>>R_ген. В приборах, управляемых током, входной ток из-за малого входного сопротивления прибора слабо зависит от параметров прибора и определяется током генератора входного сигнала (При R_вх<ген). Структура n-канального МДП-транзистора представлена на обороте. При напряжении затвор — исток, превышающем пороговое, под затвором в слое 6 существует проводящий канал — инверсный по отношению к подложке слой n-типа, соединяющий истоковую область со стоковой. Если слой 6 легирован акцепторами, пороговое напряжение положительно. При нулевом напряжении затвор — исток проводящий канал между истоком и стоком отсутствует. Канал возникает (индуцируется) при подаче на затвор относительно истока положительного напряжения, превышающего пороговое. Такие транзисторы называют транзисторами с индуцированным каналом. Если слой 6 легирован донорами, проводящий канал существует при нулевом напряжении на затворе, а пороговое напряжение отрицательно. Такие приборы называются транзисторами со встроенным каналом. Принцип действия и физические процессы в транзисторах с индуцированным и встроенными каналами n- и р-типа одинаковы. Рассмотрим транзистор с индуцированным каналом n-типа. Пусть на сток относительно общего

1. Схемы включения БП транзистора (ОБ, ОЭ, ОК).

Схемы включения транзистора представлены на рисунке. В схеме с общей базой (ОБ) напряжения на эмиттере U_эб и коллекторе U_кб отсчитываются относительно базы— общего электрода для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей. Эта схема обладает усилением по мощности и напряжения (ΔU_КБ>ΔU_ЭБ), но не обеспечивает усиления тока (ΔI_К>ΔI_Э) и характеризуется малым входным сопротивлением (равным сопротивлению эмиттерного перехода при прямом напряжении). В схеме с общей базой в активном режиме коллекторный ток можно представить следующим образом:

I_К = αI_Э + I_КБ0, где I_КБ0 – собственный ток обратного коллекторного p-n-перехода, α – статический коэффициент передачи тока в схеме с общей базой, характеризующий потери на рекомбинации. α = (I_К – I_КБ0)/I_Э. Обычно α ≈ 1. Наиболее широко применяется схема с общим эмиттером (ОЭ), в которой напряжения на базе U_бэ и коллекторе U_кэ отсчитываются относительно эмиттерного электрода, общего для входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепей. Так как I_Б = I_Э-I_К << (I_Э≈ I_К), то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔI_К>>ΔI_Б) и напряжения (ΔU_КЭ>ΔU_БЭ). Кроме того, ее входное сопротивление ΔU_БЭ>ΔI_Б = (ΔU_БЭ / ΔI_Э)(ΔI_Э/ΔI_Б) много больше входного сопротивления схемы ОБ. Коллекторный ток в схеме с общим эмиттером в активном режиме можно представить в виде I_К = βI_Б + (β+1)I_КБ0, где β – статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером. β = α/(1- α). В схеме с общим коллектором (ОК) напряжения на базе и эмиттере отсчитываются относительно коллектора — общего электрода для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей. Так как I_б<э, то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔI_Э>>ΔI_Б), приблизительно такое же, как и схема ОЭ. В отличие от схем ОБ и ОЭ схема ОК не обеспечивает усиления напряжения. Ее достоинством является большое входное сопротивление, возрастающее при увеличении сопротивления нагрузочного резистора в цепи эмиттера. Независимо от схемы включения транзистор может работать в одном из четырех режимов, отличающихся полярностью напряжений на p-n-переходах. В активном режиме напряжение на эмиттерном переходе прямое, а на коллекторном — обратное. В режиме насыщения оба перехода включены в прямом направлении, а в режиме отсечки — в обратном. В инверсном режиме напряжение на коллекторном переходе прямое, а на эмиттерном — обратное.

1. Режимы работы БП транзисторов (активный, насыщения, инверсный, отсечки).

Независимо от схемы включения транзистор может работать в одном из четырех режимов, отличающихся полярностью напряжений на p-n-переходах. В активном режиме напряжение на эмиттерном переходе прямое, а на коллекторном — обратное. Полный ток эмиттера I_Э = I_Эn + I_Эp + I_Эрек состоит из тока I_Эn электронов, инжектированных из эмиттера в базу, тока I_Эp дырок, инжектированных из базы в эмиттер, и тока I_Эрек рекомбинации носителей в эмиттерном переходе. В этой сумме только первый ток является полезным, поскольку он влияет на ток коллектора, два остальных тока являются вредными, и их стремятся уменьшить. Движение электронов, инжектированных в базу, сопровождается рекомбинацией части электронов, поэтому ток I_Кn электронов, подходящих к коллекторному переходу, меньше тока I_Эn на величину I_Брек, называемую током рекомбинации в базе, который необходимо уменьшать. Если напряжение на коллекторном переходе значительно меньше напряжения лавинного пробоя и ударная ионизация (см. § 2.5) отсутствует, то полный ток коллектора I_К = I_Кn + I_КБ0, где I_КБ0 — обратный ток коллекторного перехода, не зависящий от тока эмиттера. Как и для одиночного перехода, обратный ток I_КБ0 состоит из токов термогенерации, теплового и утечки. Ток I_КБ0 может быть измерен при обратном напряжении на коллекторном переходе и отключенном эмиттере (I_Э=0). Ток I_Кn — управляемый, т. е. зависит от тока эмиттера и может быть представлен как I_Кn = αI_Э, где α — статический коэффициент передачи тока эмиттера в схеме ОБ. Поскольку I_Кn < I_Эn < I_Э, то α<1. Таким образом, в активном режиме I_К = I_Кn + I_КБ0 = αI_Э + I_КБ0, откуда α = (I_К – I_КБ0)/I_Э. В инверсном режиме напряжение на коллекторном переходе прямое, а на эмиттерном — обратное. Коллекторный переход включен в прямом направлении, поэтому в базу из коллектора инжектируются электроны. Подходя к эмиттерному переходу, включенному в обратном направлении, электроны под действием его электрического поля в переходе перемещаются (экстрагируются) в эмиттер. Ток эмиттера можно представить в виде I_Э = α₁I_К + I_ЭБ0. Здесь α₁ — инверсный коэффициент передачи; I_ЭБ0 — обратный ток эмиттерного перехода, измеряемый при I_К = 0. Из формулы выше следует, что α₁ = (I_Э – I_ЭБ0)/I_К. Для режима насыщения характерна двусторонняя инжекция неосновных носителей через эмиттерный и коллекторный переходы, включенные в прямом направлении. При этом каждый переход не только инжектирует неосновные носители в базу, но и собирает подходящие к его границе носители, инжектированные в базу соседним переходом. В режиме насыщения при том же токе эмиттера ток базы больше, чем в активном режиме, так как он имеет дополнительные слагаемые, связанные с инжекцией дырок из базы в коллектор и рекомбинацией электронов, инжектированных из коллектора в базу.

истока подано постоянное положительное напряжение U_си, а подложка соединена с истоком. При U_зи = 0 под затвором, за исключением областей n⁺ типа и краевых участков, относящихся к обедненным слоям p-n-переходов, φ_пов = 0. Концентрация электронов в подзатворной области 6 очень мала, канал между истоком и стоком отсутствует, напряженность продольного поля равна нулю, поэтому в цепи стока течет пренебрежимо малый ток стокового перехода. Такое состояние характерно не только для U_зи = 0, но и для других значений напряжения U_зи, меньших порогового. Повысим напряжение на затворе до U`_зи, большего порогового напряжения. Тогда поверхностный потенциал превысит пороговое значение φ_пор, а потенциальный барьер для электронов на этой границе понизится. В результате начнется инжекция электронов из истока в подзатворную область; Под затвором возникают разность потенциалов и продольное электрическое поле, тянущее электроны от истока к стоку, формируется проводящий канал и в цепи стока течет ток. При дальнейшем повышении напряжения затвора возрастает напряженность продольного электрического поля, что приводит к росту тока стока. Так осуществляется управление током через канал при изменении напряжения между затвором и истоком.

электроны. В активном режиме токи коллектора и эмиттера почти одинаковы, а их разность равна току базы. Коллекторный ток практически не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку при любом обратном напряжении все электроны, достигающие в базе коллекторного перехода, попадают в его ускоряющее поле и уносятся в коллектор. Поэтому дифференциальное сопротивление коллекторного перехода очень велико, что характерно для p-n-переходов, включенных в обратном направлении. В цепь коллектора можно включить нагрузочный резистор с достаточно большим сопротивлением R_н без существенного уменьшения коллекторного тока. В то же время дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода , включенного в прямом направлении, очень мало. При увеличении эмиттерного (входного) тока коллекторный ток возрастает приблизительно на то же значение. Изменение мощности, потребляемой в цепи эмиттера, может быть много меньше изменения мощности, выделяемой в нагрузке. Говорят, что электрическая схема, содержащая транзистор, источник питания и нагрузочный резистор, способна «усиливать» мощность электрического сигнала.

Следовательно, I_Б > (1-α)I_Э или βI_Б > I_К. Последнее выражение определяет условие существования режима насыщения в схеме ОЭ. В режиме отсечки на оба перехода подаются обратные напряжения. Через переходы текут обратные токи, основными составляющими которых являются токи генерации. Последние определяются физическими процессами в переходах и не зависят от распределения неосновных носителей в базе, эмиттере и коллекторе. Эти токи для эмиттерного и коллекторного переходов совпадают по значению с ранее введенными токами I_ЭБ0 и I_КБ0. Так как площадь и толщина коллекторного перехода больше, чем эмиттерного, то I_КБ0 << I_ЭБ0.