твердотіла електроніка / презентації лекцій ТТЕ Холод Т.С / 3тя тема БТ

Рисунок 3.57 – Фізична еквівалентна схема БТ зі спільною базою на високих частотах

3.3.5 Робота біполярного транзистора у ключовому режимі

Дуже поширеними в електроніці є імпульсні схеми, в яких транзистор працює в ключовому (імпульсному) режимі. У цьому режимі на вхідний електрод БТ подається імпульсна напруга (струм) великої амплітуди, і тоді транзистор працює як комутатор, що має два граничні положення – замкнуте (режим насичення) і розімкнуте (режим відсічки).

			IK	-EK
			RK
R	I	Б		U вих
Б
Uu			I Е

Рисунок 3.58 – Нормально розімкнений ключ на транзисторі

Розглянемо нормально розімкнений електронний ключ на БТ, схему якого показано на рисунку 3.58. Цей ключ призначено для замикання і розмикання кола

81

навантаження за допомогою імпульсів, що надходять від генератора сигналів керування. Опір RK вибирається з

розрахунку, щоб вихідна навантажувальна пряма перетинала круту дільницю вихідних статичних характеристик (точка В на рисунку 3.59). Опір RБ в

базовому колі керування, як правило, значно більший за вхідний опір транзистора. Внаслідок цього струм у базовому колі практично не залежить від величини вхідного опору транзистора (опору ЕП і розподільного опору бази rБ ), і з великою точністю можна вважати, що

керування роботою ключа здійснюється за допомогою струму бази.

За відсутності імпульсу керування під дією джерела EÁ транзистор перебуває у РВ, тобто у закритому стані, і робоча точка знаходиться на динамічній характеристиці

(рис. 3.59)	у	положенні		А. При цьому струм бази
IБ (IEБ	IКБ		) IКБ ,	струм колектора IК	IКБ ,
0		0	0		0
напруга на		колекторі		UKE EK IКБ0 RK EK .	Коло

навантаження розірване, тому в такому стані довільний вхідний сигнал Uвх може без спотворення і послаблення

пройти на вихід схеми, тобто транзистор не шунтує (не закорочує) цей сигнал на корпус. Розподіл концентрації дірок у базі БТ у цьому режимі показано на рисунку 3.60 а кривою для моменту t0 . Концентрація неосновних носіїв у

базі мала, опір бази і всього БТ великий.

82

	IК		IБнас=0
			IБmin=0
	В
	IКнас
		А	IБ=0
	IКвідс		IБ=-IКБ0
			Е
	0 UКЕнас	UКЕвідс	UКЕ

Рисунок 3.59 – Переміщення робочої точки в ключовому (імпульсному) режимі транзистора

Рисунок 3.60 – Розподіл концентрації дірок у базі БТ у ключовому режимі

У момент t1 в базу БТ подається негативний імпульс

струму (рис. 3.61), ЕП вмикається в прямому напрямі, дірки з емітера інжектуються до бази. ЕП переходить до активного режиму роботи, робоча точка рухається вздовж навантажувальної прямої від т. А до т. В, наближаючись до області режиму насичення (РН). Струм бази в момент t1

різко зростає до значення IБнас , і концентрація дірок у базі

біля ЕП збільшується. Але струм колектора починає змінюватися лише через деякий час задержки, який потрібно затратити діркам, щоб подолати відстань між емітером і колектором. Через певний час дифундуючі до колектора дірки заповнюють базу, градієнт їх концентрації

83

біля КП збільшується, і струм колектора зростає (крива t2 на рисунку 3.60 а). У момент t3 транзистор наближається до РН, розподіл концентрації дірок у базі стає лінійним, наростання струму колектора IК сповільнюється (рис. 3.60 а, крива t3 , рис. 3.61). Робоча точка транзистора

переходить до точки В	на навантажувальній прямій. Ця
точка відповідає напрузі		UKE				UБЕ			(UKE EK ) і струму
IКнас (EK UKE ) / RK EK / RK .							Напруга			на КП
UКБ UКЕнас UБЕ 0 ,	і КП						вмикається			у прямому

напрямі. Починається інтенсивна інжекція дірок з колектора до бази, їх концентрація біля КП зростає, стає більшою, ніж рівноважна (рис. 3.60, крива t4 ). Градієнт

дірок у базі в РН залишається постійним, і струм колектора більше не наростає (рис. 3.61).

У момент t5 імпульс керування в базі БТ закінчується,

і прилад поступово повертається до свого початкового стану. Починається процес розсмоктування дірок у базі за рахунок їх екстракції до областей емітера і колектора. Зміна знака градієнта концентрації біля ЕП (крива t5 на

рисунку 3.60) і перехід дірок до області емітера викликають зміну напряму струму бази, який досягає

значення	I	(рис. 3.61). За час розсмоктування неосновних
	Б

носіїв (від моменту t5 до моменту t7 ) концентрація дірок у базі біля ЕП та КП зменшується таким чином, що градієнт їх концентрації залишається постійним (криві t6 і t7 на рисунку 3.60 б), і тому струм IБ та IK не змінюється. Після того як концентрація дірок у базі біля КП і ЕП досягає рівноважного значення ( pn0 ), градієнти їх

концентрації починають зменшуватись, і це викликає зменшення струмів бази і колектора до початкових значень IБ0 = IKБ0 та IK0 = IKБ0 , характерних для РВ.

84

На тривалість переднього і заднього фронтів вихідного імпульсу струму (рис. 3.61) суттєво впливають частотні властивості БТ. Чим вища гранична частота транзистора, тим вища його швидкодія в ключовому режимі. Крім того, швидкодія БТ у режимі перемикання збільшується при збільшенні коефіцієнта передачі струму h21E (або

збільшенні амплітуди імпульсу струму бази – імпульсу керування). З метою підвищення граничної частоти транзистори виконують з малими ємностями переходів, а також, оскільки на швидкість розсмоктування впливає не лише екстракція, а й рекомбінація, зменшують середню тривалість життя неосновних носіїв шляхом введення до бази домішок, що прискорюють рекомбінацію (наприклад, золото у кремнієвих БТ).

Рисунок 3.61 – Часові діаграми струму БТ у ключовому режимі

85

3.4 Деякі різновиди біполярних транзисторів

3.4.1 Одноперехідний транзистор

Одноперехідний транзистор, або двобазовий діод (рис. 3.62), - це біполярний прилад, що працює в режимі перемикання. P-n перехід, що відокремлює високолеговану область емітера від низьколегованої базової області, поділяє останню на дві частини: нижню з довжиною l1 і верхню базу з довжиною l2 . Струм емітера

при прямому ввімкненні цього переходу містить здебільшого лише діркову складову, і тому перехід називається інжектором. Принцип дії приладу ґрунтується на зміні об’ємного опору бази під час інжекції.

На омічні контакти верхньої і нижньої баз подається напруга, що викликає протікання через прилад струму I2 . Цей струм створює на опорі нижньої бази спад напруги Uвн , який вмикає p - n перехід у зворотному напрямі.

Рисунок 3.62 – Будова одноперехідного транзистора

Через закритий перехід протікає його зворотний струм I10 (рис. 3.63). Під час прикладення до входу транзистора

86

напруги U1 Uвн перехід не відкривається, і малий струм I10 залишається практично незмінним. Транзистор перебуває у закритому стані.

При U1 Uвн перехід вмикається прямо, і починається

інжекція дірок до баз, внаслідок чого їх опори зменшуються. Це приводить до зменшення спаду напруги Uвн , подальшого відкривання переходу, збільшення

струму I1 , подальшого зменшення опорів баз і т.д. Починається лавинний процес перемикання транзистора, що супроводжується збільшенням емітерного струму I1 і зменшенням спаду напруги між емітером і нижньою базою (U1 ). На вхідній статичній характеристиці виникає ділянка

з негативним диференціальним опором (рис. 3.63 а). Внаслідок процесу перемикання транзистор переходить до відкритого стану. У цьому стані прилад перебуватиме доти, поки інжекція дірок через перехід буде підтримувати у базі надлишкову концентрацію носіїв, тобто поки струм I1 буде більшим за величину I1вимкн (рис. 3.63 а).

На рисунку 3.63 б показано вихідні характеристики

одноперехідного транзистора	I2 f (U2 )			I const . При
		1
I1 0 вихідна характеристика лінійна, бо			прилад діє як
звичайний резистор. При I1 0	вихідні	характеристики

набирають нелінійного характеру, оскільки результуюча напруга на переході змінюються при зміні вихідного струму I2 .

87

I1

I1вимкн

I увімкн

	0	U1
	I10
		U увімкн

а) б)

Рисунок 3.63 – Вхідна (а) і вихідна (б) статичні характеристики одноперехідного транзистора

Одноперехідні транзистори використовуються у різноманітних імпульсних схемах (генератори релаксаційних коливань, підсилювачі тощо).

3.4.2 Високочастотні малопотужні транзистори

Як відомо з п. 3.3.4, частотний діапазон БТ має

задовольнити вимогу r C 1 , з якої випливає, що для

Б K

роботи на високих частотах БТ повинен мати малий

	і малу бар’єрну ємність КП CK .
розподілений опір бази rБ

При виготовленні високочастотних транзисторів сплавний спосіб не застосовують, оскільки він не дозволяє отримати

вузьку базу (малий опір r ) і малу площу переходів. Тому

Б

такі транзистори виготовляють за технологією дифузійного введення домішок. Глибина проникнення атомів домішок у напівпровідниковий кристал залежить від тривалості процесу дифузії та виду дифундуючих домішок. При цьому в кристалі створюється нерівномірний розподіл домішок від поверхні до глибини. Це сприяє збільшенню концентрації домішок у базі біля ЕП і, як

наслідок, зменшенню r . Відносне зменшення

Б

концентрації домішок біля КП приводить до зменшення

88

його бар’єрної ємності за рахунок розширення переходу в бік бази, а також до збільшення пробивної напруги колектора.

Прикладом транзисторів, виготовлених за дифузійною технологією, є дрейфові транзистори. У базах цих транзисторів створюється експоненціальний розподіл донорних домішок, концентрація яких зменшується від емітера до колектора (рис. 3.64).

Рисунок 3.64 – Розподіл концентрації донорних домішок у базі дрейфового БТ

Внаслідок іонізації атомів домішок у базі виникає так зване вбудоване електричне поле, спрямоване від емітера до колектора. Це поле збільшує швидкість руху дірок через базу. Завдяки цьому усувається суттєвий недолік сплавних транзисторів з точки зору частотних властивостей, тобто зменшується час прольоту дірок через базу. Ємність КП у таких транзисторах мала, тому що він має велику товщину.

Існують також дифузійно-сплавні транзистори, в яких області колектора і бази виготовляють шляхом дифузії домішок, а ЕП – вплавленням домішок. Розподіл концентрації донорів у базі таких транзисторів подібний до розподілу домішок у базі дрейфового транзистора. Різновидністю таких транзисторів є мезатранзистори із столоподібною структурою (рис. 3.65).

89

Рисунок 3.65 – Структура мезатранзистора

Поширеним сучасним способом виготовлення високочастотних транзисторів є так звана планарна технологія, яка розглядатиметься докладно у розділі з мікроелектроніки.

3.4.3 Потужні транзистори

Для потужних транзисторів ( P 1,5 Вт) характерне

протікання через їхні області великих струмів. Це приводить:

- до зростання падіння напруги на r , внаслідок чого

Б

напруга UЕБ буде лише частково прикладена до ЕП;

-до того, що падіння напруги на ЕП виявляється нерівномірним, і це приводить до зростання густини емітерного струму біля краю емітера, в той час як середня частина емітера не працюватиме:

-до зміни умов на випрямних контактах, що приводить до перерозподілу носіїв заряду в базі;

-до перерозподілу товщини КП з боку бази ( КПБ ) і з

боку колектора ( КПК ) - КПБ < КПК , що порушує нормальну роботу транзистора;

-до того, що з метою нормального підсилення потужності такі БТ необхідно розраховувати на більші напруги;

-до необхідності збільшення площ переходів;

-до необхідності ефективного тепловідведення з причини підвищення небезпеки теплового пробою.

90