Шпора(дополненная)

7.Эффект оттеснения тока эмиттера на край эмиттера.

Отклонение по току от простой модели Эберса-Молла связано с эффектом оттеснения тока эмиттера на край эмиттера. Проанализируем влияние на токораспределение в БТ, на примере транзистора с кольцевой базой (рис. а).

Ток базы IБ, который протекает от базы к эмиттеру параллельно эмиттерному переходу, представлен на рис.а, силовыми линиями 1 и 2. Эквивалентную схему участка транзистора между выводами эмиттера и базы можно представить суммой последовательных сопротивлений базы RБ и эмиттерного р-n перехода Rjэ (рис. б). Напряжение, равно сумме падений напряжений на отдельных участках сопротивлении базы и на эмиттерном p-n-переходе UБЭ=IБ RБ +IБ Ujэ очевидно, что сопротивление короткого участка базы RБ1 : вывод базы - край эмиттера (силовые линии тока 1) меньше, чем сопротивление длинного участка базы RБ2 : вывод базы – центр эмиттера (силовые линии тока 2). Т.к. UЭБ=IБ RБ1 +IБ Rjэ =IБ RБ2+IБ Rjэ2 , то чем меньше напряжения падает на базе, тем большая его величина приложена к эмиттерному p-n-переходу (край эмиттера). Следовательно, высота потенциального барьера эмиттерного перехода на крае эмиттера будет меньше чем в центре эмиттера. Т.о, ток на крае

	I	exp		qUjэ1	1
эмиттера IЭ1		s		kT		больше чем в
			qUjэ2
центре I Э 2 I s exp					1	(рис. а). а -
				kT

сечение активной области транзистора, работающего

вактивном нормальном режиме; б - распределение плотностей эмиттерного и коллекторного токов по длине эмиттера;

в- эквивалентная схема участка транзистора между выводами базы и эмиттера.

Jn1 и Jn2 – плотности электронных токов на краю и в центре эмиттера, соответственно.

Высота потенциального барьера уменьшена по отношению к величине барьера центральной части эмиттера, и инжекция у края эмиттера будет сильнее, чем в центре (см. рис. а). Соответствующее этому распределение плотностей эмиттерного и коллекторного тока показано на рис.б. Вытеснение тока эмиттера на край эмиттера усиливается с ростом напряжения смещения. Поэтому затруднен расчет значения сопротивления, которое бы имитировало омическое падение напряжения в базовой области. Для снижения сопротивления базы (для борьбы с вытеснением эмиттерного тока) базовые и эмиттерные контакты делают в виде больших гребенчатых структур: Мощный n-р-n-транзистор с гребенчатой структурой: а – разрез, б – вид сверху на

металлизацию эмиттера и базы.

работающий в режиме

8.Параметры МОП - транзистора. (Статические параметры; Дифференциальные параметры; Электрофизические параметры (подвижность и механизмы рассеяния носителей в канале).

Статические параметры.

Основным статическим параметром является пороговое напряжение Uпоp, величина которого, связана со скоростью переключения и подпороговым током утечки. Согласно ГОСТу пороговое напряжение — это напряжение, при котором ток стока принимает заданное низкое значение. Под действием приложенных напряжений изменяется лишь заряд электронов в канале, а величины остальных зарядов, влияющих на пороговое напряжение остаются без изменений. Обратное смещение между истоком и подложкой увеличивает заряд ионизированной примеси в подложке (обедненного слоя), что в свою очередь уменьшает поверхностную плотность свободных носителей в канале. Следовательно, при наличии обратного смещения исток-подложка пороговое напряжение n- канальных МОПТ, становится более положительным, р-канальных — более отрицательным. Это относится в равной степени как к транзисторам с индуцированным каналом (транзистор, работающий в режиме обогащения), так и со встроенным каналом (транзистор,

обеднения).

а- график зависимости (Ic)0.5 от Uси для n-канального транзистора, работающего

вобласти насыщения; б - схема измерения.

		+				+2	,
,					,
							√

Электрофизические параметры

Подвижность носителей в канале определяется, главным образом, тремя механизмами рассеяния: рассеяние на заряженных центрах, рассеяние на фононах, рассеяние на шероховатостях границы

раздела. В объеме кристалла подвижность µ намного больше, чем в канале: 1) канал -

поверхность полупроводника,	а	поверхность всегда	имеет много мест для
рассеивания. 2) в МОП транзисторе сущ. поперечное поле					, при увеличении

напряжения на затворе носители прижимаются ближе к границе раздела, рассеяние от поверхности возрастает и подвижность падает, что приводит к уменьшению выходного тока и скорости переключения транзистора:

= , - коэф. уменьшения поля.

Теоритические механизмы рассеяния, объясняющие уменьшение подвижности носителей заряда в канале: 1) рассеяние на приграничных и объемных фононах 2) кулоновское рассеяние на заряженных центрах 3) рассеяние на неровностях поверхности. Существенное влияние оказывает 1) механизм.

Дифференциальные параметры

-крутизна, является таким же параметром усиления как β:

S

dIc

Uси const

dUзи

измеряется в (Ам/В) .

,

В линейной области для длинноканальных МОПТ : S

W

С0Uси

эф

L

а в области насыщения:

S

W

эфС0(Uзи Uпор)

L

Из уравнений видно, что крутизна увеличивается при уменьшении длины канала L, порогового напряжения и толщины окисла d (т.к. C0 o / d ) и при увеличении ширины окисла W и напряжения на затворе.

-дифференциальное выходное сопротивление:

,

-проводимость канала, т.е. величина, обратная сопротивлению канала:

	g	к		dIc		U	зи	const
				dUси

Когда МОПТ работает в линейной (крутой) области выходной ВАХ, его сопротивление должно быть очень малым, а, следовательно, проводимость g как можно большей.

Для линейной области: gк WL эфС0(Uзи Uпор)

Когда прибор работает в пологой области характеристики (в области насыщения), сопротивление транзистора должно быть велико, а проводимость, соответственно, мала из-за того, что в области насыщения тока стока согласно не зависит от Uси, т.е. дифференциальное сопротивление канала Rc .

9. Статические ВАХ биполярного транзистора.

Входные и выходные токи и напряжения биполярного транзистора I1 , I2 , U1 и U2

наиболее удобно связать с помощью следующих выражений:

U1 f I1, U2 ; I2 f I1, U2

где I1 , U1 – входные ток и напряжение; I2 , U2 – выходные ток и напряжение.

Статические характеристики:

– U1 f I1				U 2 const					– входная ВАХ;
– I2 f U2						I1 const			– выходная ВАХ;
– U1 f U2								I1 const	– характеристика обратной связи;
– I2 f U1				U2 const					– характеристика передачи тока.

В теории транзисторов наиболее часто используются первые две характеристики, и чаще всего входная статическая ВАХ анализируется как I1 f U1 U 2 const .

Схема с ОБ, активный нормальный режим работы.

Исходя из модели Эберса-Молла получим аналитическое выражение

для входной характеристики ВАХ БТ (		):	(
)	. При уменьшении напряжения на коллекторе (увеличении
обратного смещения) из-за эф.Эрли уменьшается напряжение			.

входная характеристика

Величина падения напряжения на прямосмещенном эмиттерном переходе:

kT

I

Э

kT

I

Э

U

(U )

ln

1

ln

Э

0

q

q

I ЭS

I ЭS

	физическая эквивалентная схема.
r , R r – э.д.с и	сопротивление входного
генератора,	обеспечивающего ток эмиттера
Если обозначить iЭ	через “I ”, то iК N , а
iБ 1 N .

rвх		U вх		iЭ rЭ iБ rБ	rЭ	rБ		rЭ .
		I вх				N 1
				iЭ

Выходная характеристика (рис.3.16, б) имеет вид характеристики обратносмещенного р-n-перехода. Из модели Эберса-Молла с учетом реальных токов, протекающих в транзисторе, можно записать

IК N I Э IКБ 0 ,

(3.37)

где I КБ 0 – обратный ток коллекторного перехода, измеренный при "оборванном" эмиттере.

Выходная характеристика.

На выходной характеристике цифрами I, II и III обозначены области насыщения, активной нормальной работы и отсечки. (U*=-0,7)

При увеличении обратного смещения на коллекторе в активном нормальном режиме работы БТ (область II) из-за эффекта Эрли растет коллекторный ток. Величина дифференциального выходного

сопротивления R			U K	.
	KA
			I K

При ↑ Uкб- ↑хdk- ↓Wб-↑ -↑Iк

Текст указанного стиля в

10 Резкий несимметричный электронно-дырочный переход в состоянии теплового равновесия

Переход, в котором область изменения концентрации примесей значительно меньше ширины ОПЗ, называется резким, а если величина этой области больше или равна ширине ОПЗ, — плавным.Если величина концентрации примеси в одной из областей р- n-перехода значительно превышает концентрацию в соседней, то такой переход называется несимметричным (в отличие от симметричного, у которого Nd = Na). Зависимости характеристик перехода от координаты (риc.Ошибка!

документе отсутствует..3) можно получить, решив уравнение Пуассона :	d2	–	(x)
				,
	dx2
			0

где (x) = q(p – n + Nd – Na).

Для идеализированного p-n перхода. В приближении полного обеднения в ОПЗ

отсутствуют свободные носители

(x) = q(Nd –

Na).Для области

– xр ≤ х ≤0

(рис.Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..3) запишем:

d2 1

qNa(x)

,а для

dx2

0

области 0 ≤ х ≤ xn,

d2 2

–

qNd(x)

. Полагая, что при x = – xdp и x = – xdn E = – d /dx =

dx2

0

0, находим E maxx 0

qNaxdp

qNdXdn

.

0

0

= , находим 1

qNa

(x xdp)2

Пологая, что при x=– xdр 1 =0

и, что при x= xdn 2

0

и

2

qNd

(x xdn) k . При x = 0

1 = 2 , следовательно,

0

k

q

(Naxdp 2 Ndxdn 2 ) . Используя Ошибка! Источник ссылки не найден. и xd = xdn +

2 0

xdp, получаем выражение для ширины ОПЗ в состоянии теплового равновесия:

xd(0) [ 2 0(Na Nd) k ]12 . Так как обычно Nd>> Na или Na>> Nd, получим : qNaNd

2

x			0	k		где NБ — концентрация примесей в базе, т.е. в наиболее
	d(0)
			qNБ

слаболегированной области р-n-перехода; xd(0) — ширина обедненного слоя (или ОПЗ),

когда напряжение на р-n-переходе U = 0. Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..3– Характеристики резкого p-n

перехода а — результирующая примесная концентрация;

б — объемный заряд; в —электрическое поле; г — потенциал.

11 Статические вольт-амперные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

– Статические ВАХ БТ в схеме о ОЭ: а – входная; б – выходная

На входной ВАХ (рис а) действие отрицательной обратной связи, вызванное эффектом Эрли, проявляется в смещении характеристик IБ UБЭ в сторону больших значений UБЭ при увеличении обратного смещения на коллекторном переходе UКЭ

Дифференциальное входное сопротивление R определим из физическойэквивалентной схемы БТ с ОЭ на низкой частоте (рис) Полагаем, что коэффициент передачи тока базы

на НЧ

0

N

. R

iБ RБ iЭ RЭ

R

R

1 R

Следовательно, дифференциальное

Б

N

N

iБ

Э

Э

входное сопротивление БТ в схеме с ОЭ в N больше, чем с ОБ. Эквивалентная схема БТ с ОЭ на НЧ:

Все области работы БТ в схеме с ОЭ: I – насыщение, II – активной нормальной работы, III – отсечки – располагаются в одном квадранте.

Для токов эмиттера и коллектора по модели Эберса-Молла величины напряжений на

эмиттерном UЭ и коллекторном UK переходах,	зная, что UКЭ UК UЭ UЭК ,
NIЭS IIKS , и полагая, что 1 N 0 , для IK	0 получим UКЭнас		IK 0		kT	ln	1
							I
					q

Следовательно, область насыщения в отличие от схемы с ОБ лежит в том же квадранте, что и две другие области. В реальном транзисторе область насыщения занимает несколько больший диапазон напряжений UКЭ , чем тот, что выводится из модели Эберса-Молла. Необходимо учитывать падение напряжения в квазинейтральной области коллектора I K RKK . На рис б прирост напряжения на транзисторе в режиме

насыщения с учетом	I		R	обозначен штриховой линией. R		RK			RK
		K	KK	K		N 1			N

12.Высота потенциального барьера (q ). зависимость q от температуры (Т), концентрации примеси (N) и ширины запрещённой зоны