2 Модуль 2 - біполярні транзистори (бт)

Тема 5. Тема 6.

2.1 Основи функціонування біполярного транзистора

Біполярним транзистором (БТ) називається напівпровідниковий перетворювальний прилад з двома p-n-переходами в одному монокристалі напівпровідника, що має три й більше виводи. Транзистор служить для посилення потужності, генерації електричних сигналів або комутації електричних ланцюгів.

Основа транзистора – монокристал напівпровідника Ge або Si, у якому введенням акцепторної та донорної домішки створені три області різних типів провідностей p-n-р або n-p-n. На рисунку 2.1 показані структури й умовні позначки біполярних транзисторів p-n-р і n-p-n типів.

Рисунок 2.1 - Структури й умовні позначки біполярних транзисторів:

а) - n-p-n-транзистор; б) - p-n-p-транзистор

Обидва переходи близько розташовані й впливають на режим роботи транзистора. У транзистора типу p-n-р (рисунок 2.1, а) основними носіями заряду в емітері й колекторі є дірки, неосновними - електрони. У базі, навпаки, основні носії заряду - електрони. Принципи дії транзисторів обох типів транзисторів аналогічні, протилежні тільки полярність напруг і напрямки струмів через протилежну провідність областей (рисунок 2.1, б).

Розрізняють чотири режими роботи БТ, в залежності від стану кожного з переходів:

• відсічки (обидва переходи закриті);

• насичення (обидва переходи – відкриті);

• активний нормальний (емітерний перехід відкритий, колекторний – закритий);

• активний інверсний - емітерний перехід відкритий, колекторний – закритий).

Перші два режими використовуються в ключових (імпульсних) пристроях, активний нормальний – в підсилювачах.

В активному режимі для транзистора р-n-р типу емітерний перехід (ЕП) включається в прямому (провідному) напрямку (джерело напруги ЕЕ підключене: «+» до емітеру, «–» до бази), а колекторний перехід (КП) – у зворотному (замикаючому) напрямку (джерело напруги EК підключене: «–» - до колектора, «+» - до бази). Прямий зсув на ЕП знижує його потенційний бар'єр на значення напруги на переході U_ЕБ. Опір ЕП падає (через зменшення ширини переходу), тому напруга U_ЕБ порівнянна зі значенням потенційного бар'єра (контактної різниці потенціалів) ЕП (порядку декількох десятих вольта). Принцип дії транзистора в активному нормальному режимізаснований на інжекції носіїв з емітера, переносу їх через базу внаслідок дифузії й дрейфу через колекторний перехід. Керування вихідним струмом здійснюється шляхом керування струмами інжекції.

Зворотний зсув КП збільшує його потенційний бар'єр на U_КБ. При цьому перехід розширюється і його опір збільшується, тому напруга на переході U_КБ велика (порядку десятка вольт) і обмежується напругою пробою. В активному режимі Е_К > Е_Е.

При подачі позитивного зсуву на ЕП відбувається інжекція дірок з емітера в базу. Зустрічний потік електронів з бази в емітер значно менше потоку дірок через меншу концентрацію електронів у базі (Р_р >> N_n). Через ЕП протікає прямий струм емітера, обумовлений носіями обох типів

.

Колектор екстрагує (втягує носії полем переходу) ті дірки, що дійшли до колектора, не рекомбінувавши в базі. В колекторі, дірки, як основні носії, рекомбінують з електронами, що надходять із зовнішнього ланцюга від джерела живлення Е_К, створюючи колекторний струм I_К, що складається зі струму, утвореного потоком дірок, що дійшли до колектора, і зворотного струму колекторного переходу:

,

де – інтегральний коефіцієнт передачі струму емітера.

Струми в транзисторі зв'язані співвідношенням:

_.

Змінюючи струм емітера, можна управляти колекторним струмом. За рахунок протікання колекторного струму на резисторі навантаження, включеному в колекторний ланцюг, можна отримати напругу, що значно перевищує вхідну, тобто відбудеться посилення по змінній складовій напруги. Таким чином, транзистор - це підсилювальний прилад з керуванням по струму. Якщо поміняти місцями Е и К, то таке включення називають інверсним.

На коефіцієнт  (=І_к/І_б, пов'язаний із коефіцієнтом передач струму емітеру = І_к/І_е через співвідношення: =/1-) впливають його фізико-топологичні параметри (ступінь легування, конфігурація емітера й бази, вертикальна геометрія структури), а також режими роботи (високий або низький рівні інжекції), ключовий режим, режим підсилення.

При низькому рівні інжекції (малому струму колектора) в однорідно легованій базі електричне поле відсутнє та коефіцієнт  малий із-за наявності генераційно-рекомбінаційного струму просторового заряду. При низькому рівні інжекції, коли неосновних носіїв в базі менше основних, коефіцієнт передачі  збільшується завдяки ефекту Ерлі, оскільки відбувається модуляція ширини ефективної бази, тобто її зменшення за рахунок розширення ОПЗ колектора в базу. В формулі =* коефіцієнт переносу  зростає, тобто зростає і коефіцієнт передачі струму емітера  ( - коефіцієнт інжекції, або ефективності емітера []). Як слідство, зростає і коефіцієнт передачі струму бази .

В області підвищених щільностей струму і невеликих напруг U_ке (І_к > I_N ), тобто в режимі високого рівня інжекції, коли неосновних носіїв в базі стає більше основних та рекомбінаційна складова струму не «встигає» за генераційною, на характеристики БТ починає впливати ефект Кірка (зрушення кордону квазі-електронейтральної бази в колектор, створення «наведеної» бази), що призводить до зниження ефективності емітера (), збільшення падіння напруги на транзисторі в відкритому стані, зменшенню коефіцієнта переносу , зростанню постійної накопичування _f та, у кінцевому підсумку, до зниження коефіцієнта передачі струму .

2.2 Характеристики біполярного транзистора

Схеми включення транзистора наведено на рисунку 2.2.

а) б) в)

Рисунок 2.2 - Схеми включення БТ: а – загальна база;

б - загальний емітер; в – загальний колектор

Вхідні (базові) характеристики транзистора з ЗЕ: показані на рисунку 2.2, а, вихідні (колекторні) - рисунку 2.2, б.

а) б)

Рисунок 2.2 – ВАХ БТ в схемі із ЗЕ: а – вхідні; б - вихідні

У схемі із ЗЕ напругу U_КЕ прикладено до колекторного й емітерного переходів, тому в транзисторі відбувається внутрішній зворотний зв'язок (вплив вихідної напруги на вхідну). В результаті цього зростання U_КЕ при заданому струмі I_Б =const викликає збільшення U_ЕБ, тому I_Е зростає, і вихідні характеристики зміщаються вправо – у бік більших напруг U_БЕ.

Збільшення U_КЕ при U_БЕ=const викликає розширення замикаючого шару (ОПЗ) КП, отже, звуження бази, тому рекомбінація зарядів у базі зменшується, що приводить до зниження струму бази. При малих значеннях U_БЕ, і більших U_КЕ струм I_Б зменшується до нуля й навіть змінює знак. При U_БЕ = 0 у ланцюзі бази протікає некерований струм I_Б=I_К0, тому що транзистор закривається при U_БЕ < 0.

Вихідні (колекторні) характеристики транзистора в схемі ЗЕ показані на рисунку 2.2,б. В активній області (область 1) – U_БЕ >0, a U_КБ <0. Зі збільшенням U_КЕ при I_Б=const потенціал емітера підвищується щодо бази через наявність зворотного зв'язку, що призводить до збільшення струму I_Е, отже, I_К зростає. Із збільшенням струму бази I_Б (що відповідає I_Е>0) збільшується кількість дірок, інжектованих у базу, тому колекторні характеристики зміщаються убік більших струмів колектора.

В області насичення (область 2), (при прямому зсуві переходів) U_ЕБ >0, U_КБ>0. Емітер і колектор інжектують неосновні носії в базу. При рівності струмів інжекції в базу, приріст струму колектора зменшується. На границі областей насичення й активної при U_КБ=0 вихідні характеристики мають різкий вигин, губиться керування струмом.

В області відсічення (область 3) U_БЕ <0, а U_КБ <0. При струмі бази I_Б =0 у ланцюзі колектор-емітер протікає струм насичення I_S, що залежить від U_КЕ, оскільки зі зміною U_КЕ, змінюється b. При струмі бази I_Б >0 (що відповідає струму емітера I_Е<0) припиняється інжекція дірок у базу, закривається ЕП і губиться керування струмом I_К. При I_Е=0 у ланцюзі бази протікає зворотний струм колекторного переходу I_Б=I_К0.

Із підвищенням температури збільшуються струм I_К0 і коефіцієнт передачі β, тому статичні характеристики зміщаються в область більших струмів, ростуть нахил і відстань між ними.

2.3 Потужні БТ

Потужні БТ найчастіше застосовуються в ключових схемах, тобто в режимах відсічки та насичення, на їхню роботу починають впливати ефекти високого рівня інжекції [18,19]. Структура потужних біполярних транзисторів також відрізняється від структури малопотужних. На рисунку 2.3 наведено структуру вертикального БТ із моделюючими елементами схеми заміщення Еберса- Молла. Як бачимо, база має кільцеву структуру, колектор має найбільшу площу для забезпечення ефективного тепловідведення (зверніть увагу, для виключення контакту Шоткі, поблизу колектора концентрація домішки – підвищена.

На коефіцієнт  (рисунок 2.4) потужного біполярного транзистора впливають його фізико-топологичні параметри (ступінь легування, конфігурація емітера й бази, вертикальна геометрія структури), а також режими роботи (високий або низький рівні інжекції), ключовий режим, режим підсилення.

Рисунок 2.3 – Перетин структури потужного БТ із моделюючими елементами

Рисунок 2.4 – Залежність  від струму

В області підвищених щільностей струму і невеликих напруг U_ке (І_к > I_N ) на характеристики БПТ починає впливати ефект Кірка (зрушення кордону квазі-електронейтральної бази в колектор, створення «наведеної» бази), та пов'язаний з ним ефект квазінасичення (падіння напруги на «наведеній» базі, що призводить до зростання U_ке). Ці ефекти призводять до зниження ефективності емітера (), збільшення падіння напруги на транзисторі в відкритому стані, зменшенню коефіцієнта переносу , зростанню постійної накопичування _f та, у кінцевому підсумку, до зниження коефіцієнта передачі струму = І_к/І_е: =*. Як слідство, спадає і коефіцієнт передачі струму бази =І_к/І_б. [1]. Можна прийняти, що при високому рівні інжекції (ВРІ) через опір в області «наведеної» бази здійснюється негативний ЗЗ.

На рисунку 2.5 наведені ВАХ потужного БТ (верхня крива) та малопотужного (нижня крива), отримані моделюванням в програмі МС9 [].

Рисунок 2.5 – Порівняльні ВАХ потужного та малопотужного БТ

Помітна ділянка квазінасичення на ВАХ потужного БТ.

БТ як потужний прилад поступається по частотних характеристиках польовим приладам, по потужності – тиристорам, але в досить часто в блоках живлення (наприклад, в ПК конфігурації «настільний комп’ютер») та в автомобільній електроніці він ще використовується завдяки добре відпрацьованим схемотехнічним рішенням.

Добре відомі властивості БТ як ключового елемента схем: повна керованысть, тобто можливість вимкнення при зніманні керуючого сигналу та приблизно на порядок менший, порівняно із тиристорами, час вимикання. Ці обставини дозволяють конструювати перетворювальні пристрої на основі БТ із збільшеним робочим діапазоном частот, суттєво зменшити масу, об`єм та кількість допоміжних елементів перетворювача, а також розв`язати ряд схемотехнічних задач більш економічно ефективними шляхами.

Основний недолік БТ – неспроможність витримувати великі струмові перевантаження та небезпека виникнення вторинного пробою, – вимагає використання БТ при робочих напругах, значно менших означених у паспортних даних, та застосовування додаткових засобів для забезпечення захисту транзисторів від перевантажень.

Інші недоліки – неможливість паралельного з`єднання приладів без їхнього спеціального підбирання, або добирання вирівнюючих опорів (це важливо при виготовленні інтегральної або гібридної збірки), мале підсилення при значних струмах, що призводить до необхідності використовувати великі базові струми керування для забезпечення роботи приладу у відкритому стані.

Останній недолік може бути виключений шляхом створення транзисторів Дарлінгтона [1]. Однак, таке об`єднання призводить до зростання його опору у відкритому стані та зниження швидкодії.

Існують методи усунення теплової нестійкості біполярних транзисторів у випадках, коли напруга між колектором і емітером незначна, зокрема: емітерні баластні опори, однорідно легована епітаксіальна база, об`ємний послідовний опір області колекторного переходу.

Однак, залишаються проблеми, які необхідно вирішувати для високовольтних режимів роботи приладів. Наприклад, важко отримати транзистор із високим коефіцієнтом підсилення по струму й великою напругою U_ке, тому що при збільшенні “”, напруга проколювання зменшується. Для забезпечення значних напруг проколювання потрібна товста база, що негативно впливає на значення обмежуючої частоти.

Основні параметри БТ:

ЗАДАЧІ

1. У р-п-р-транзисторі концентрація донорів в емітері N_д=l0²⁴ м^-3, концентрація акцепторів в базі N_а=10²² м^-3. Вважаючи, що рухливості електронів і дірок рівні 0,4 і 0,2 м²/(В∙с) відповідно, визначити відношення діркового струму до електронного на переході емітер-база.

РІШЕННЯ:

Відношення діркового струму до електронного на р-п-переході дорівнює відношенню питомих провідностей матеріалів бази та емітера, які утворюють р-п-перехід, для будь-яких напруг зміщення.

Отже,

,

де N_a та N_д – концентрації акцепторів та донорів.

Для даного випадку

2. У транзисторі п-р-п надмірна концентрація електронів на емітерному переході дорівнює 10²⁰ м^-3. Побудуйте графік приблизного розподілу концентрації електронів в області бази, якщо ефективна ширина бази 4∙10^-5 м.

РІШЕННЯ: Будемо вважати, що ширина бази набагато менша дифузійної довжини електронів (неосновних носіїв), концентрація акцепторних домішок в базі значно нижча концентрації донорних домішок в емітері та колекторі, в базовій області відсутня рекомбінація носіїв, тобто розподіл електронів в базі лінійний, концентрація неосновних носіїв на колекторному переході дорівнює нулю.

Виходячи з цих припущень, побудуємо приблизний розподіл концентрації електронів в базі (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 - Розподіл концентрації носіїв в транзисторі

3. У транзисторі п-р-п надмірна концентрація електронів на емітерному переході дорівнює 10²⁰ м^-3. Площі переходів S однакові і рівні 10^-6 м².

Визначте струм колектора, якщо ефективна ширина бази 4∙10^-5 м, рухливість електронів μ_n=0,39 м²/(В∙с) при Т=300 К.

РІШЕННЯ:

Густина струму неосновних носіїв заряду (електронів) в базі

.

Коефіцієнт дифузії знаходимо зі співвідношення Ейнштейна

,

звідки

.

Визначимо градієнт концентрації електронів в базі

.

Якщо прийняти напрямок струму колектора в активному режимі за додатній, тоді

.

Контрольні питання

1. Структури БТ.

2. Режими роботи біполярного транзистору.

3. Фізичні процеси в активному режимі.

4. Схеми включення біполярного транзистора.

5. Складові струмів в БТ.

6. Розподіл домішок в областях БТ.

7. Види статичних характеристик біполярних транзисторів.

8. Ефект Ерлі.

9. Ефекти високого рівня інжекції (Кірка, квазінасичення).

10. Особливості структур та характеристик силових БТ.

Питання до самостійної роботи

1. Вплив температури на роботу біполярного транзистора.

2. Пробій біполярного транзистора.

3. Коефіцієнти передачі струмів в БТ.

4. Параметри БТ.

5. Недоліки та переваги БТ.

6. Область безпечної роботи БТ.

ТЕСТИ

1. Як зміщені р-n переходи біполярного транзистора, якщо він знаходиться у режимі відсічки?:

а) обидва р-n переходи зворотно зміщені;

б) обидва р-n переходи прямо зміщені;

в) емітерний перехід зворотно зміщений, колекторний – прямо зміщений;

г) емітерний перехід прямо зміщений, колекторний – зворотно зміщений;

д) зміщений тільки колекторний перехід, на емітерний перехід зовнішня напруга не подається;

2. Як зміщені р-n переходи біполярного транзистора, якщо він знаходиться у активному інверсному режимі?:

а) обидва р-n переходи зворотно зміщені;

б) обидва р-n переходи прямо зміщені;

в) емітерний перехід зворотно зміщений, колекторний – прямо зміщений;

г) емітерний перехід прямо зміщений, колекторний – зворотно зміщений;

д) зміщений тільки колекторний перехід, на емітерний перехід зовнішня напруга не подається;

3. Який струм називається струмом зв’язку у біполярному транзисторі?

а) струм переносу неосновних носіїв заряду із емітера в колектор;

б) струм рекомбінації в області бази:

в) струм переносу основних носіїв заряду із емітера в колектор;

г) струм через електрод емітера;

д) струм через електрод бази

4. Який ефект в біполярному транзисторі називається ефектом Кірка?

а) ефект модуляції ширини бази біполярного транзистора під дією зворотної напруги на колекторному переході;

б) ефект модуляції ширини бази біполярного транзистора під дією зворотної напруги на емітерному переході;

в) збільшення ефективної ширини бази біполярного транзистора в режимі високого рівня інжекції ;

г) залежність коефіцієнтів передачі струму тавід зворотної напруги на колекторному переході;

д) залежність коефіцієнтів передачі струму тавід зворотної напруги на колекторному переході;

5. Яку модель біполярного транзистора називають класичною моделлю Еберса – Мола?

а) передаточна нелінійна модель біполярного транзистора;

б) інжекційна нелінійна модель біполярного транзистора;

в) модель біполярного транзистора для активного режиму роботи транзистора в схемі з «загальною базою»;

г) модель біполярного транзистора для активного режиму роботи транзистора в схемі з «загальним емітером»;

д) модель біполярного транзистора для активного режиму роботи транзистора в схемі з «загальним колектором»;

6. Визначить правильну вхідну ВАХ біполярного транзистора у схемі із загальною базою серед запропонованих ВАХ.

а) б) в)

г) д) є)

7. Що називається називається ефектом квазінасичення в БТ?

а) ефект модуляції ширини бази біполярного транзистора;

б) ефект модуляції ширини бази біполярного транзистора під дією зворотної напруги на емітерному переході;

в) перехідний етап переходу до насичення при низькому рівні інжекції;

г) залежність коефіцієнту від напруги на колекторному переході;

д) додаткове падіння напруги на наведеній базі, як слідство ефекту Кірка;

8. Який ефект в біполярному транзисторі називається ефектом Ерлі?

а) ефект модуляції ширини бази біполярного транзистора під дією зворотної напруги на колекторному переході;

б) ефект модуляції ширини бази біполярного транзистора під дією зворотної напруги на емітерному переході;

в) ефект модуляції ширини бази біполярного транзистора під дією прямої напруги на колекторному переході;

г) ефект модуляції ширини бази біполярного транзистора під дією прямої напруги на емітерному переході;

д) залежність коефіцієнтів передачі струму тавід зворотної напруги на колекторному переході.