close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

6 вопрос

код для вставкиСкачать
6. Коэффициенты передачи тока в биполярных транзисторах. Эффект Эрли.
В активном режиме, который является наиболее распространенным, особенно для усилительных схем, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном.
Рассмотрим транзистор р-n-р типа. В этом случае дырки, инжектированные из эмиттера в базу, движутся к коллекторному переходу. Инжекцией электронов из базы в эмиттер можно пренебречь, поскольку концентрация примесей в эмиттерной области, как правило, много больше, чем в базовой (см. рисунок 4.3,б). Движение инжектированных носителей через базу обусловлено как диффузией, так и дрейфом носителей. Диффузия вызвана повышением из-за инжекции концентрации в базе около эмиттерного перехода. В области, примыкающей к коллекторному переходу, под действием обратного напряжения происходит экстракция дырок. Дрейфовое движение вызвано внутренним электрическим полем в базе, возникающим из-за неравномерного распределения примеси в области базы. Такие транзисторы с неоднородно легированной базой, в которой дрейфовое движение играет значительную роль, называют дрейфовым.
Возникновение внутреннего поля можно проиллюстрировать с помощью рисунка 4.4,где представлено распределение доноров в n-базе, аналогичное рисунку 4.3,б. Неравномерное распределение примеси в базе, а, следовательно, и основных носителей, поскольку при комнатной температуре вся примесь ионизована, вызывает диффузию электронов в направлении коллектора. Из-за ухода электронов в базе со стороны эмиттерного перехода образуется избыточный нескомпенсированный заряд ионов доноров, обозначенный на рисунке 4.4,б крестиками "+", а со стороны коллектора ушедшие электроны образуют избыточный отрицательный заряд "-". В результате сформировавшихся избыточных зарядов и возникает внутреннее поле внутр, которое будет ускоряющим для инжектированных из эмиттера дырок. Инжектированные дырки, пройдя область базы, будут втягиваться в коллектор ускоряющим электрическим полем. Часть инжектированных дырок при их движении к коллектору будет рекомбинировать в области базы, образуя базовый ток. Число рекомбинированных носителей невелико, поскольку толщина базы мала по сравнению с диффузионной длиной дырок. В результате токи эмиттера IЭ и коллектора IК различаются незначительно и их разность равна току базы IБ, т.е. IБ=IЭ-IК. Коллекторный ток очень мало зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку при любом обратном напряжении все дырки, дошедшие до коллекторного перехода, ускоряются его полем и уносятся в коллектор. Направление токов можно проследить на рисунке 4.2.
Малое влияние коллекторного напряжения на коллекторный ток приводит к тому, что дифференциальное сопротивление коллекторного перехода rК= dUКБ/dIК очень велико, что характерно для p-n-перехода, смещенного в обратном направлении. В такой ситуации в коллекторную цепь можно включить достаточно большой нагрузочный резистор Rн практически без изменения коллекторного тока. Если входной ток эмиттера увеличивается на величину ∆IЭ, то приращение коллекторного тока ∆IК приблизительно будет тем же самым, т.е. ∆IЭ≈∆IК. Увеличение входной мощности ∆Рвх, потребляемой в эмиттерной цепи определяется ∆IЭ и дифференциальным сопротивлением эмиттерного перехода rЭ= dUЭБ/ dIЭ, которое для прямо смещенного перехода очень мало по сравнению с сопротивлением обратно смещенного коллекторного перехода r, т.е. rК >> rЭ. В результате значение приращения входной мощности ∆Рвх = ∆IЭ∆UЭБ = ∆IЭ2·rЭ будет много меньше выделяемой на нагрузке Rн изменения выходной мощности Pвых=∆IК∆UКБ=∆ IК2·Rн, поскольку обычно Rн >> rЭ. Таким образом, схема усиливает с коэффициентом усиления К= ∆Pвых / ∆Pвх = Rн/ rЭ > 1. В активном режиме ток эмиттера IЭ p-n-p транзистора состоит из токов инжекции дырок в базу IЭp и электронов из базы в эмиттер IЭn, а также тока рекомбинации в переходе IЭ рек, т.е. IЭ = IЭр+IЭn+IЭ рек. Из всех составляющих ток инжекции дырок IЭр из эмиттера в базу определяет выходной коллекторный ток, и, следовательно, является полезным. Остальные две составляющие относятся к потерям, и их необходимо , по возможности, уменьшать. Полный ток коллектора IК, помимо тока инжекции, учитывает ток рекомбинации в базе IБрек и обратный ток коллекторного перехода IКБО, который не зависит от тока эмиттера. Рекомбинацию инжектированных носителей в базе можно учесть с помощью специального коэффициента α, который называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера в схеме с общей базой. В результате полный ток коллектора можно записать в форме IК = αIЭ+IКБО (4.1)
Из выражения (4.1) следует, что
α = (IК-IКБО)/IЭ ≈ IК/IЭ (4.2)
В выражении (4.2) приближенное соотношение справедливо для рабочих токов IК, которые обычно много больше IКБО.
Физически α определяется коэффициентом инжекции эмиттера γэ = IЭр/IЭ и коэффициентом переноса носителей x = IК /IЭр, т.е. α = γ·х(4.2,а).
Коэффициент инжекции γэ отражает какую часть составляет полезный ток инжекции дырок из эмиттера в базу в полном токе эмиттера. Б отражает потери инжектированных дырок при их движении через базу за счет рекомбинации. Рекомбинация определяет ток базы, который равен IБ = IЭ- IК. Если воспользоваться соотношением (4.1), то можно получить IБ = (1-α)IЭ-IКБО (4.3)
Из выражения (4.3) видно, что при токе IЭ = IКБО/(1-α) ток IБ = 0. Рабочие токи эмиттера при нормальной работе значительно больше IКБО/(1-α), тогда ток базы IБ ≈ (1-α) IЭ = IЭ-IК = I+IЭрек+IБрек (4.4)
В импульсных цифровых схемах и интегральных схемах достаточно широко используется инверсный режим, когда в противоположность нормальному режиму роли эмиттера и коллектора меняются местами. В инверсном режиме коллектоный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный - в обратном. Входным током в этом случае будет коллекторный ток, а выходным - эмиттерный. Аналогично выражению (4.1) для инверсного режима можно записать
IЭ = αIIК+IЭБО (4.5)
где αI - инверсный коэффициент передачи тока, IЭБО - обратный ток эмиттерного перехода при IК = 0
Из (4.5) следует
αI = (IЭ-IЭБО)/IК (4.6)
С другой стороны аналогично (4.2) αI = γК, где γК - коэффициент инжекции коллектора, - инверсный коэффициент переноса.
Для большинства транзисторов αI > α, поскольку коллекторный переход p-n-переход не обладает, в отличие от эмиттерного, свойством односторонней инжекции, т.к. концентрация примеси в коллекторной области много меньше, чем в эмиттерной (см.рис. 4.3). В результате γК < γЭ. Помимо этого, внутреннее поле базы является тормозящим для носителей, движущихся из коллектора в эмиттер, что уменьшает хБI и хБI < хБ , и кроме того, хБ может уменьшаться из-за рекомбинации носителей в пассивной базе (окисленной поверхности полупроводника базы или на базовом контакте)
Для схемы с общим эмиттером входным током является ток базы IБ, а выходным ток коллектора IК. В этом случае, пользуясь выражением (4.1) и учитывая, что IЭ = IК+IБ можно для коллекторного тока получить следующее выражение IК = αI/(1-α)-IКБО/(1-α) (4.7)
Введем обозначение β = α/(1-α). Коэффициент β называется статическим коэффициентом передачи тока базы. Окончательно выражение (4.7) можно записать в виде IК = βIБ+(1+β)IКБО (4.8)
Из этой формулы β = (IК-IКБО)/(IБ+IКБО) (4.9)
Следовательно, β есть отношение выходного коллекторного тока к входному базовому току. Высококачественные транзисторы имеют α ≥ 0.99, тогда β ≥ 100.
Для режима насыщения происходит двусторонняя инжекция неосновных носителей через оба перехода, которые смещены в прямом направлении. В этом случае ток базы будет больше по сравнению с нормальным (активным) режимом, поскольку из-за инжекции носителей из базы в коллектор и из коллектора в базу происходит дополнительная рекомбинация носителей и IБ>(1-α)IЭ для схемы ОБ или βIБ>IК для схемы ОЭ.
В режиме отсечки на оба перехода подаются обратные напряжения и через переходы протекают обратные токи IЭБО и IКБО. Поскольку площадь и толщина коллекторного перехода больше, чем эмиттерного (степень легирования эмиттерной области много больше, как правило, чем коллекторной), то IКБО>>IЭБО.
Рассмотренные коэффициенты передачи токов зависит от всех составляющих токов, протекающих во всех цепях транзистора, поэтому α и β будут изменяться в функции тока эмиттера, напряжения на коллекторе, температуры и т.д.
Входные характеристики в схеме ОБ представляют зависимость IЭ = f(UЭБ) при постоянных значениях напряжения UКБ (рисунок 4.6). Для транзистора p-n-p - типа положительные напряжения UЭБ соответствуют прямому включению эмиттерного перехода, а отрицательные UКБ - обратному включению коллекторного перехода. Если UКБ = 0, то входная характеристика транзистора практически совпадает с прямой ветвью ВАХ p-n-перехода. В активном режиме (UЭБ >0, UКБ <0) характеристика смещается вверх по отношению к кривой для UКБ = 0. Это смещение объясняется эффектом модуляции толщины базы (эффектом Эрли). Суть этого эффекта состоит в том, что при увеличении абсолютного значения (UКБ) обедненная область коллекторного перехода расширяется, как это происходит в любом p-n-переходе при увеличении обратного напряжения (см. гл. 2). За счет коллекторного перехода в сторону базы происходит ее сужение. В результате при одном и том же UЭБ градиент концентрации инжектированных носителей dpn/dx возрастает (рисунок 4.7 прямая 2), следовательно увеличивается и диффузионный ток инжектированных носителей пропорциональный dpn/dx , хотя концентрация pn на границе и не претерпевает изменений (прямые 1 и 2 на рисунке 4.7 выходят из одной точки на границе эмиттерного перехода).
3.2. Физические процессы в биполярном транзисторе Физические процессы в биполярном транзисторе при усилении электрических сигналов рассмотрим на примере рис. 3.4. К транзистору подключают два источника ЭДС: - ЭДС источника входного сигнала, и - ЭДС источника питания (мощного источника). ЭДС подключается так, чтобы эмиттерный переход был смещен в прямом направлении, а ЭДС должна смещать коллекторный переход в обратном направлении. Тогда при отсутствии тока в цепи источника входного сигнала (во входной цепи транзистора) нет тока и в цепи источника питания (в выходной цепи). Строго говоря, в выходной цепи будет протекать очень маленький ток - обратный ток закрытого коллекторного перехода , но им ввиду его малости можно пренебречь. Если же во входной цепи транзистора создать под действием источника какой-то ток , то дырки, являющиеся основными носителями в р-области эмиттера будут инжектироваться в область базы, где они становятся уже неосновными носителями. Те из них, которые попадают в зону действия электрического поля коллекторного перехода, будут испытывать со стороны этого поля ускоряющее, притягивающее действие и будут переброшены через границу раздела в область коллектора (область р-типа), где дырки уже являются основными носителями. Таким образом, в цепи источника питания появится ток - ток коллектора , который, протекая, по сопротивлению нагрузки , создает там падение напряжения:
,(3.1)которое является выходным сигналом усилителя и в точности повторяет все изменения входного сигнала.
Рис. 3.4. Движение носителей заряда и токи в биполярном транзисторе при активном режиме работы
Отметим, что не все носители, инжектированные из эмиттера в базу, достигают коллекторного перехода; часть из них рекомбинирует в базе по пути движения от эмиттерного перехода к коллекторному - ток . Поэтому ток коллектора принципиально меньше тока эмиттера .
Отношение этих токов характеризует коэффициент передачи по току:
.(3.2) Чтобы увеличить коэффициент передачи по току область базы делают тонкой, чтобы меньшее количество носителей рекомбинировало в ней, и, кроме того, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода, чтобы улучшить процесс экстракции носителей из базы. Таким образом, удается достичь величины коэффициента передачи по току и более.
Несмотря на то, что в рассмотренной схеме усиления по току нет , все же коэффициент передачи по мощности может быть значительно больше единицы за счет большого усиления по напряжению. Ведь даже при малой величине коллекторного тока падение напряжения на сопротивлении нагрузки может быть значительным, за счет большой величины напряжения источника питания. Отметим, что в транзисторах n-p-n типа все описанные процессы протекают точно также, но полярность источников и должна быть противоположной, а из эмиттера в базу будут инжектироваться электроны, и электроны же будут образовывать коллекторный ток в цепи источника .
Следует отметить, что в процессе усиления электрического сигнала в транзисторе происходит изменение ширины базового слоя , так как под действием внешних источников и толщина p-n-переходов изменяется, что в условиях малой ширины базового слоя происходит ее модуляция (данное явление получило название эффект Эрли). Это приводит к ряду особенностей:
1. Чем уже становится база, тем меньшее количество инжектированных носителей будет рекомбинировать в ней и, следовательно, большее количество их достигнет коллекторного перехода и будет участвовать в образовании тока коллектора . Это приведет к изменению коэффициента передачи по току .
2. Изменение тока при приводит к зависимости от , т. е. к изменению сопротивления коллекторного перехода.
3. Поскольку при этом меняется заряд носителей в базе, то это приводит к изменению емкости p-n-перехода.
4. Изменение ширины базового слоя приводит к изменению времени прохождения зарядами базовой области, т. е. к изменению частотных свойств транзистора.
5. Изменение ширины базы влияет на величину тока при неизменном значении .
Как крайнюю степень проявления модуляции ширины базы следует рассматривать явление, называемое проколом базы. Прокол базы наступает тогда, когда под действием большого значения ЭДС источника питания ширина коллекторного перехода возрастает настолько, что происходит его смыкание с эмиттерным переходом, что весьма вероятно в условиях малой толщины базовой области. При этом , а транзистор пробивается.
Основные параметры биполярных транзисторов:
1. Коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока:
; .
2. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (единицы - десятки Ом)
.
3. Обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении (единицы наноампер - десятки миллиампер)
; .
4. Объемное сопротивление базы (десятки - сотни Ом).
5. Выходная проводимость или дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (доли - сотни мкСм)
; .
6. Максимально допустимый ток коллектора (сотни миллиампер - десятки ампер).
7. Напряжение насыщения коллектор - эмиттер (десятые доли - один вольт).
8. Наибольшая мощность рассеяния коллектором (милливатт - десятки ватт).
9. Ёмкость коллекторного перехода (единицы - десятки пикофарад).
Выводы:
1. При прямом напряжении, приложенном к эмиттерному переходу, потенциальный барьер понижается, и в базу инжектируются носители заряда.
2. Инжектированные в базу неосновные носители заряда диффундируют в сторону коллекторного перехода.
3. Вследствие того, что ширина базы транзистора мала и концентрация основных носителей заряда в ней низкая, почти все инжектированные в базу неосновные носители заряда достигают коллекторного перехода и перебрасываются полем потенциального барьера в коллектор, образуя управляемый ток коллектора.
4. Небольшая часть инжектированных носителей заряда успевает рекомбинировать в базе, образуя рекомбинированную составляющую тока эмиттера, которая замыкается через цепь базы.
5. Через цепь базы замыкается также небольшая составляющая тока эмиттера, образованная диффузией неосновных носителей заряда из базы в эмиттер, и обратный ток коллекторного перехода.
Документ
Категория
Разное
Просмотров
102
Размер файла
189 Кб
Теги
вопрос
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа