2. Принцип действия, характеристики и параметры лавинного транзистора

Лавинные транзисторы по сравнению с обычными плоскостными биполярными транзисторами не имеют существенных структурных или конструктивных особенностей. Название "лавинный" относится в основном к их специфическому режиму работы, когда используется ударная ионизация в коллекторном переходе и в результате получаютсяS-образные (неоднозначные по напряжению) выходные характеристики при включении по схеме с ОЭ (рис. 3).

Для обычного БТ включенного по схеме с общим эмиттером семейство выходных характеристик I_к(U_кэ) получают в условиях постоянного заданного тока базы, когда эмиттерный переход открыт (активный режим). При этом характеристки располагаются в интервале коллекторных напряжений от 0 до некоторогоU_b, в пределах которогоa<1. Две кривые такого семейства (приI_б >0 иI_б= 0) приведены на рис. 3 штриховой линией.S-образные кривые получаются лишь тогда, когда эмиттерный переход закрыт при напряженияхU_кэ<U_bи открывается приU_кэ> U_b. Происхождение участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением легко понять, анализируя работу схемы, приведенной на рис. 3, а.

Известно, что коэффициент передачи тока aзависит от напряженияU_кэи величины тока эмиттераI_э.

Рис. 3. Лавинный транзистор, включенный по схеме с ОЭ (а), и его выходные характеристики в области малых токов (б), в области больших токов.

ВлияниеU_кэна величинуaсвязано с модуляцией толщины базы транзистора при изменении напряжения на коллекторе. Чем больше (по модулю) коллекторное напряжение, тем уже база и тем ближе к единице коэффициент переноса дырокd. Следовательно, коэффициентaувеличивается с ростомU_кэ, приближаясь к величине коэффициента инжекцииg.

Вторым фактором, приводящим к зависимости a(U_кэ), является ударная ионизация в коллекторном переходе. При наличии ионизации токI_квозрастает вМраз (М– коэффициент ударной ионизации): ,гдеa=gd.

Очевидно, что даже очень незначительное превышение Мнад единицей может существенно приблизить коэффициентaк единице. Более того, при сравнительно небольшом напряжении (20…30 В) может получитьсяa>1, что значительно меняет свойства транзистора.

Зависимость aот тока эмиттераI_эобусловлена главным образом изменением коэффициента инжекцииg:с увеличением тока уменьшается сопротивление базы и, как следствие, уменьшается величина g. Соответствующий этому уменьшению спад коэффициентаaявляется важным фактором, ограничивающим максимальный рабочий ток транзистора.

С учетом приведенных рассуждений и проанализируем работу схемы (рис. 3, а).

Сначала положим, что R_б= 0 и, следовательно, запирающая э.д.с.Е_бприложена непосредственно к эмиттерному переходу. Будем считать, что при этом эмиттерный ток отсутствует. Тогда ток базы отрицателен (втекает в базу) и равен коллекторному току.

Если коллекторное напряжение U_кэположительно, но его величина меньшеЕ_б, то разность потенциаловU_кббудет отрицательной и в цепи база–коллектор будет протекать токI_к0. Этот ток сохранится и приU_кэ= 0 и при небольших отрицательных значенияхU_кэ(рис. 3, б). Однако при больших отрицательных значенияхU_кэ, когда разность потенциаловU_кбделается сравнимой с величинойU_м, заметную роль начинает играть ударная ионизация в коллекторном переходе и соответственно токи базы и коллектора возрастают в М раз. Ход характеристикиI_к(U_кэ) вплоть до пробоя показан на рис. 3, б штриховой линией.

Пусть теперь последовательно с Е_бвключен резисторR_б(рис. 3, а). В этом случае возрастание базового тока в процессе ударной ионизации будет сопровождаться уменьшением запирающего напряжения на эмиттерном переходе. При некотором достаточно большом токе это напряжение делается равным нулю и открывается эмиттерный переход (на рис. 3, б – в точкеа). В дальнейшем напряжениеU_бэменяется слабо, поскольку эмиттерный переход уже открыт и имеет малое сопротивление. Соответственно базовый ток остается почти постоянным и равным. Постоянство базового тока означает, что приращенияD I_киD I_эодинаковы, а следовательно, дифференциальный коэффициент передачи токаaравен единице. С учетом ударной ионизации это условие можно записать следующим образом:

(5)

После отпирания эмиттерного перехода aвозрастает, а остается равным единице. Это означает, что коэффициент ударной ионизацииМдолжен уменьшаться. Соответственно должно уменьшаться коллекторное напряжение. Иначе говоря, при токах, превышающих величинуI_а, увеличение тока сопровождается уменьшением напряжения, т. е. дифференциальное сопротивление оказывается отрицательным.

Рис. 4. Зависимость коэффициента передачи aот эмиттерного тока.

При токах, соответствующих области экстремумаa( I_э) (см. рис. 4), коэффициентМ, а значит, иU_кэне меняются, т. е. характеристикаI_к(U_кэ) идет почти вертикально (рис. 3, б). При еще больших токах, при которых начинается спадa, коэффициентМ, а вместе с ним иU_кэвозрастают, то есть получается второй участок с положительным дифференциальным сопротивлением (рис. 3, в).

Из всего сказанного следует, что наличие "отрицательного" участка характеристики обусловлено резистором R_б(в отсутствие внешнего резистора его роль в принципе может играть собственное сопротивление базы).

Естественно, что "отрицательный" участок будет выражен тем ярче, чем больше разность U_а–U_b. НапряжениеU_ав свою очередь тем больше, чем больше токI_а, то есть чем большеЕ_би меньшеR_б.

Что касается величины отрицательного сопротивления, то она растет (а значит, S-образность характеристики делается более выраженной) при резкой зависимостиa( I_э) в области малых эмиттерных токов.

Таким образом, характеристики лавинного транзистора напоминают характеристики тиратрона и тиристора. Основным недостатком лавинного транзистора является то, что участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением получается только при сравнительно высоком коллекторном напряжении (U_к>U_b), обычно 20…30 В и более.

Задание курсантам для самостоятельной учебной работы, список рекомендуемой литературы и методические указания

1. Анашкин В.А., Колосов Л.В., Иванов Е.С. Элементная база РЭА. - Ставрополь: СВВИУС, 1993, с. 453-458.

2. Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1981, с. 245-247,