Исследование характеристик и параметров биполярного транзистора в


с. 1 с. 2 с. 3 с. 4

2.3. Физические основы работы биполярного транзистора

Для биполярного транзистора p-n-p структуры различают три области (рис.1): левая область – p-типа – эмиттер; средняя область - n-типа – база; правая область – p-типа – коллектор. Физические процессы в этих областях определяют основу работы биполярного транзистора.

Эмиттер или эмиттерный электронно-дырочный переход (p-n переход эмиттер – база /5/), как правило, имеет прямое смещение, т.е. напряжение UЭБ эмиттер – база имеет такую полярность, чтобы p-n переход находился под прямым смещением. В этом случае эмиттер является источником подвижных носителей тока и основное назначение эмиттера – инжекция носителей заряда в базу. Ток эмиттера описывается экспоненциальной функцией, справедливой для прямосмещенного p-n перехода (1). Полное значение тока эмиттера включает дырочную и электронную составляющие. Поскольку NЭ >> NБ, то дырочная составляющая тока эмиттера будет много больше электронной составляющей. При этом утверждается, что в транзисторе p-n-p структуры за усилительные свойства ответственна дырочная составляющая тока эмиттера. Основным параметром, который характеризует инжекционную способность эмиттера, является эффективность эмиттера:

, (2)

где и – удельные сопротивления эмиттерного и базового слоев полупроводника; W – толщина базы; LР – длина свободного пробега дырок в базе.

Практически , , поэтому .

База предназначена для эффективной передачи носителей заряда от эмиттера к коллектору. Дырки, инжектированные эмиттером в базу, за счет градиента их концентрации диффундируют вдоль базы. Для компенсации положительного объемного заряда дырок в базу входят компенсирующие электроны из внешней цепи. Часть дырок рекомбинирует с электронами и рассеивается на неоднородностях в решетке кристалла, не доходя до коллектора. Взамен рекомбинированных электронов в базу входят новые компенсирующие электроны, создающие одну из составляющих тока базы.

Рекомбинационные потери в базе учитываются коэффициентом переноса . Коэффициент переноса показывает, какая часть дырок, инжектированных эмиттером, достигает коллекторного перехода:

. (3)

Обычно , поэтому Для увеличения коллекторный переход по площади должен быть больше эмиттерного, чтобы собирать большую часть дырок, движущихся от эмиттера к коллектору вдоль базы несколько расходящимся пучком (рис.1).

Коллектор предназначен для эффективного сбора дырок, диффундируемых вдоль базы и инжектированных эмиттером. Как уже отмечалось, SК > SЭ, и это позволяет уменьшить влияние краевых эффектов в базе, увеличивается активная часть базы, уменьшается пассивная часть базы. Кроме этого, увеличение SК ведет к возрастанию допустимой мощности рассеяния на коллекторном переходе: PК = IК · UКБ, причем в активном режиме работы биполярного транзистора напряжение коллектор – база по модулю много больше напряжения эмиттер – база, а напряжение пробоя для коллекторного перехода определяется его значением для лавинного пробоя. Через коллекторный переход протекает не только дырочный, но и электронный ток, поэтому можно говорить об эффективности коллекторного перехода, определяемой из соотношения

. (4)

При отсутствии лавинного размножения носителей заряда в коллекторном переходе .

Произведение трех коэффициентов определяет коэффициент передачи эмиттерного тока в коллектор или коэффициент передачи по току биполярного транзистора в схеме включения с ОБ:

. (5)

Практическое применение находят транзисторы, имеющие . Таким образом, коллекторный ток почти равен эмиттерному, но напряжение на коллекторном (обратно смещенном) p-n переходе может быть во много раз больше, чем на эмиттерном, поэтому в транзисторе имеет место усиление сигнала по мощности.



Рис.2. Диаграмма токов в транзисторе

При разорванной цепи эмиттера () через коллекторный переход протекает, как и через обычный обратно смещенный p-n переход, ток неосновных носителей заряда, называемый неуправляемым током коллекторного перехода . Этот ток почти не зависит от изменения напряжения на коллекторе, но экспоненциально увеличивается с ростом температуры. Ток замыкается по цепи база – коллектор, т.е. совпадает по направлению с основным током коллектора и направлен встречно с током базы, вызванным рекомбинационными потерями в базе и электронным током эмиттера (рис.2).

При некотором токе в цепи коллектора протекает ток , а в цепи базы .



2.4. Статические характеристики биполярного транзистора

2.4.1. Общие сведения о статических характеристиках


В схеме включения с ОБ общим электродом для входной и выходной цепей, относительно которого отсчитываются напряжения эмиттера и коллектора, служит база. Цепь эмиттера является входной (управляющей), а цепь коллектора – выходной (управляемой). Соответственно входными параметрами схемы включения биполярного транзистора с ОБ являются ток эмиттера и напряжение между эмиттером и базой , а выходными – ток коллектора и напряжение между коллектором и базой .

Статические характеристики транзистора представляют собой графики зависимостей между постоянными токами, протекающими в цепях электродов транзистора, и постоянными напряжениями, приложенными к электродам (RК=0).

Для транзисторов в качестве независимых переменных выбирают входной ток и выходное напряжение, а в качестве зависимых – напряжение на входе и выходной ток. Схема с ОБ характеризуется четырьмя семействами статических характеристик:

при – входная характеристика;

при – выходная характеристика;

при – характеристика прямой передачи по току;

при – характеристика обратной передачи по напряжению.

Наибольшее практическое применение находят входные и выходные характеристики.



2.4.2. Входные характеристики биполярного транзистора в схеме включения с общей базой


Входными характеристиками биполярного транзистора в схеме включения с общей базой называются зависимости тока эмиттера от напряжения эмиттер – база при постоянном значении напряжения коллектор – база. Входные характеристики приведены на рис.3. Входная характеристика при (зависимость 1, рис.3) аналогична прямой ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода. Эта характеристика начинается из начала координат, при увеличении входного напряжения ток эмиттера экспоненциально увеличивается:

. (6)

Однако при больших токах входные характеристики близки к линейным. Наклон линейного участка определяется в основном объемным сопротивлением базы .


Рис.3. Семейство входных характеристик


При напряжении (зависимости 2, 3, рис.3) кривые смещаются вверх относительно начала координат и к оси токов. Смещение характеристик вверх относительно начала координат объясняется падением напряжения на объемном сопротивлении базы rБ при протекании тока IК0 (рис.4).

Рис.4. Схема включения транзистора при Uэб = 0


При отрицательном напряжении на коллекторе через коллекторный переход протекает ток обратносмещенного p-n перехода IК0, а так как база мало легирована примесями, то на будет создаваться падение напряжения , в результате чего эмиттер получает положительное смещение относительно базы и начинает инжектировать дырки, что приводит к появлению начального тока эмиттера при . Смещение характеристик влево при увеличении коллекторного напряжения объясняется эффектом модуляции толщины базы. Эффект модуляции заключается в изменении толщины базы при изменении напряжения на коллекторе.

На эмиттерный переход напряжение подается в прямом направлении, и оно мало изменяется при работе транзистора, поэтому эмиттерный переход узкий и ширина его изменяется незначительно. Коллекторный переход смещен в обратном направлении, поэтому его ширина больше и изменяется в широких пределах при изменении напряжения на коллекторе. А так как в биполярных транзисторах , то коллекторный переход расширяется в основном в область базы, уменьшая ее толщину:



, (7)

где – ширина коллекторного перехода в равновесном состоянии;


  –  толщина базы в равновесном состоянии.

Эффект модуляции толщины базы обуславливает наличие обратной связи, характеризующей влияние коллекторного перехода на эмиттерный переход из-за их близкого расположения.

Д
ля пояснения физической сути обратной связи на рис.5 показано изменение распределения избыточной концентрации дырок в базе с увеличением коллекторного напряжения (пунктирная линия) при фиксированных значениях напряжения на эмиттером переходе (рис.5, а) и тока эмиттера (рис.5, б). На рис.5 – избыточная концентрация дырок в базе на границе эмиттерного перехода. Избыточная концентрация дырок зависит от величины приложенного напряжения к эмиттерному переходу. Чем выше прямое напряжение эмиттер – база, тем больше концентрация дырок в базе у эмиттерного перехода, тем больше градиент концентрации дырок в базе. Поскольку диффузионный ток эмиттера зависит от градиента концентрации дырок в базе : , то при постоянном напряжении на эмиттерном переходе и с увеличением по модулю напряжения на коллекторе возрастает градиент концентрации, а следовательно, и ток эмиттера.

На рис.5, б показано влияние на распределение дырок в базе, если поддерживать постоянной величину тока эмиттера. С увеличением (по модулю) толщина базы уменьшается. Чтобы ток эмиттера оставался постоянным, необходимо, чтобы с изменением градиент концентрации оставался неизменным. Поэтому с увеличением должна уменьшается избыточная концентрация дырок на границе эмиттерного перехода (). А это может быть достигнуто лишь путем уменьшения входного напряжения .

Уменьшение с ростом напряжения (по модулю) оценивают коэффициентом обратной связи по напряжению :

. (8)

Наиболее существенный сдвиг характеристик имеет место при малых .

При характеристика смещается незначительно, так как ширина коллекторного перехода, а следовательно, и толщина базы зависят от коллекторного напряжения не по линейному закону (7).

Входные характеристики кремниевого транзистора (рис.6,а) смещены от начала координат в сторону больших прямых напряжений. Как и у кремниевого диода, это смещение равно и объясняется тем, что контактная разность потенциалов у кремниевых транзисторов больше, чем у германиевых.


Входные характеристики германиевых транзисторов при различных температурах окружающей среды приведены на рис.6,б. С увеличением температуры входной ток увеличивается, входная характеристика смещается влево (примерно на (1÷2) мВ/С) вследствие роста внутренней энергии основных носителей заряда и уменьшения контактной разности потенциала , а следовательно, и потенциального барьера. Изменение начального тока эмиттера с ростом температуры окружающей среды связано с экспоненциальной зависимостью от температуры неуправляемого тока коллекторного перехода. С увеличением тока возрастает падение напряжения на объемном сопротивлении базы, и это приводит к росту начального тока эмиттерного перехода.


2.4.3. Семейство выходных характеристик


Выходными характеристиками биполярного транзистора в схеме включения с общей базой называются зависимости тока коллектора от напряжения коллектор – база при постоянном токе эмиттера. Выходные характеристики приведены на рис.7.

Выходные характеристики в основном режиме работы биполярного транзистора в схеме включения с общей базой описываются соотношением

. (9)

При токе эмиттера, равном нулю () зависимость представляет собой характеристику обратносмещенного p-n перехода /5/(зависимость 1, рис.7). В этом случае в цепи коллектора протекает ток , где – тепловой ток или ток насыщения; – ток термогенерации; – ток утечки.

При токе эмиттера больше нуля () – зависимости 2 – 4, рис.7 – характеристика смещается вверх и влево относительно начала координат. При (рис.8) на объемном сопротивлении базы создается падение напряжения за счет тока рекомбинационных потерь базы
(1-α)IЭ , коллекторный переход оказывается обратносмещенным и работает в режиме экстракции. Ввиду этого для тока коллектора справедливо соотношение (9) и выходная характеристика транзистора соответствует точке A (зависимость 2, рис.7).

Рис.8. Схема включения транзистора при Uкб = 0

При увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе ток коллектора на участке AВ несколько возрастает за счет тока и увеличения коэффициента передачи тока , вызванного эффектом модуляции толщины базы:

. (10)

С ростом уменьшается толщина базы W, увеличивается коэффициент переноса, а следовательно, и (10).

При подаче на коллекторный переход прямого напряжения коллектор сам инжектирует дырки в область базы, так как этот ток течет навстречу току инжекции из эмиттера, то результирующий ток в цепи коллектора с ростом прямого напряжения уменьшается. В точке C выходной характеристики при токе IЭ2 (рис.7) переход коллектор – база имеет нулевое смещение (в этой точке напряжение коллектор – база равно падению напряжения на объемном сопротивлении базы и суммарное напряжение на переходе равно нулю, поэтому неуправляемый ток коллекторного перехода отсутствует и общий ток коллектора определяется первым слагаемым выражения (9)). При дальнейшем увеличении прямого напряжения на коллекторном переходе его ток инжекции быстро возрастает, противодействуя току коллектора экстракции, и общий ток уменьшается до нуля (точка D на рис.7). Чем больше ток эмиттера, тем выше и левее смещается выходная характеристика (зависимости 3, 4, рис.7).

Рис. 9. Влияние температуры на выходные характеристики биполярного


транзистора в схеме включения с общей базой при IЭ1 =0:
T1= +20 ºC; --------- T2= +50 ºC

Увеличение напряжения на коллекторе выше некоторого допустимого значения приводит к резкому увеличению тока коллектора вследствие лавинного размножения носителей заряда в коллекторном переходе из-за разогрева коллекторного перехода за счет рассеивающейся на нем мощности . Область характеристик при и (область IV, рис.7) является нерабочей, так как в этой области происходит выход из строя транзистора. Область характеристик при токе называется режимом отсечки (область III). В этой области коллекторный и эмиттерный переходы обратно смещены. Область характеристик при положительном напряжении на коллекторе (область II) называется режимом насыщения. В этой области коллекторный и эмиттерный переходы прямо смещены. Область I называется режимом активного усиления – эмиттерный переход – прямосмещенный, а коллекторный – обратносмещенный. В этой области транзистор работает в усилительном режиме. На рис.7 пунктирной линией, выходящей из начала координат под некоторым углом, отмечается граница активного режима работы транзистора и режима насыщения.

При работе в импульсном режиме транзистор находится в основном в режиме насыщения или режиме отсечки.

Влияние температуры на выходные характеристики биполярного транзистора в схеме включения с общей базой можно пояснить следующим образом. При IЭ1 =0 (разрыв цепи эмиттера) исходная характеристика соответствует обратной ветви вольтамперной характеристики электронно-дырочного перехода:



. (11)

Данная зависимость представлена на рис. 9 сплошной линией при температуре T1=+20ºC.

При увеличении температуры возрастет ток IК0. Ток IК0, так же как и обратный ток электронно-дырочного перехода /5/, растет по экспоненциальному закону. На практике он примерно удваивается при изменении температуры на каждые 10ºC (пунктирная линия на рис.9 ).

Температурная зависимость выходных характеристик при токах эмиттера больше нуля (IЭ >0) показана на рис. 10. При увеличении температуры возрастает ток коллектора в соответствии с соотношением (9) из-за увеличения тока IК0 и коэффициента передачи по току α.



Рис. 10. Влияние температуры на выходные характеристики биполярного


транзистора в схеме включения с общей базой при IЭ >0:
T1= +20 ºC; --------- T2= +50 ºC

На рис.10 выходные характеристики приведены только для активного режима работы, поскольку этот режим наиболее часто используется в практических применениях. Из приведенных зависимостей следует, что с ростом температуры увеличение IК0 и α приводит к росту тока коллектора и все зависимости поднимаются вверх (пунктирные линии выходных характеристик, рис. 10)

Поскольку ток мал, а с ростом температуры растет незначительно, то изменение температуры в широких пределах приводит к незначительному изменению характеристик, поэтому выходные характеристики транзистора в схеме включения с ОБ можно считать термостабильными. Слабая зависимость выходных характеристик биполярного транзистора в схеме включения с общей базой в активном режиме работы от напряжения коллектор – база отражает их линейность.


с. 1 с. 2 с. 3 с. 4

скачать файл