Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное
Учреждение высшего профессионального образования
Национальный исследовательский университет
«Высшая школа экономики»
Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»
| Кафедра электроники и наноэлектроники |
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Учебно-методическое пособие
Для самостоятельной работы студентов по дисциплинам
«Физические основы электроники»
«Твердотельная электроника»
«Физические основы микро- и наноэлектроники»
Москва 2014
Составитель профессор, докт. техн. наук А.П. Лысенко
УДК 621.382 (083)
Физические процессы в биполярном транзисторе: Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов по дисциплинам «Физические основы электроники», «Твердотельная электроника», «Физические основы микро- и наноэлектроники»/Моск. ин-т электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»;
Сост.: А.П. Лысенко. М., 2014.– 91 с.
Рассматриваются вопросы физики биполярных транзисторов.
Хотя список учебной и научной литературы, в которой разбираются вопросы теории транзисторов, весьма велик, многолетний опыт преподавания этого раздела твердотельной электроники показывает, что универсального учебника нет. Сделана попытка изложить достаточно сложные физические процессы в максимально упрощенном варианте.
Приведены расчетные формулы и диаграммы, необходимые студентам для выполнения курсовых работ по перечисленным выше дисциплинам.
Рассчитано на студентов, знакомых с физикой полупроводников (или с физикой твердого тела).
Ил. 37. Библиогр. 4 назв.
ISBN 978-5-94506-311-2
Содержание
| Определение и конструкция | ||
| 1.1. | Схемы включения | |
| 1.2 | Режимы работы | |
| 1.3 | Варианты конструкций транзисторных структур | |
| Усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме с ОБ | ||
| 2.1 | Время пролета активной базы транзистора | |
| 2.1.1 | Распределение неосновных носителей заряда по координате в активной базе транзистора при произвольном распределении примеси | |
| 2.1.2 | Расчет времени пролета неосновных носителей заряда через активную базу | |
| 2.2 | Анализ коэффициента передачи тока эмиттера | |
| 2.2.1 | Коэффициент инжекции (эффективность эмиттера) в области средних токов | |
| 2.2.2 | Коэффициент переноса | |
| 2.3 | Усиление сигнала по мощности | |
| Работа транзисторов в схеме с общим эмиттером (ОЭ) | ||
| Статический коэффициент передачи тока базы транзитора и его зависимость от режима и температуры | ||
| 4.1 | Основные теоретические положения | |
| 4.2 | Рекомбинационные потери в активной базе | |
| 4.3 | Рекомбинационные потери в пассивной базе | |
| 4.4 | Рекомбинационные потери в эмиттере | |
| 4.4.1 | Рекомбинационные потери в толстом эмиттере | |
| 4.4.2 | Рекомбинационные потери в тонком эмиттере | |
| 4.5 | Рекомбинационные потери в слое объемного заряда эмиттерного перехода | |
| 4.6 | Рекомбинационные потери на поверхности | |
| Статические характеристики транзистора | ||
| 5.1 | Статические характеристики транзистора в схеме с ОБ | |
| 5.1.1 | Выходные статические характеристики транзистора в схеме с ОБ | |
| 5.1.2 | Входные статические характеристики транзистора в схеме с ОБ | |
| 5.2 | Статические характеристики транзистора в схеме с ОЭ | |
| Зависимость коэффициента передачи тока базы от режима и температуры | ||
| Дифференциальные параметры транзистора (h-параметры) | ||
| Дифференциальный коэффициент передачи тока базы транзистора | ||
| Дифференциальный коэффициент передачи тока базы на высокой частоте | ||
| Эффекты в биполярных транзисторах при больших плотностях тока | ||
| 10.1 | Эффект Кирка | |
| 10.2 | Эффект оттеснения эмиттерного тока к краю эмиттерного перехода | |
| Параметры транзисторов, работающих в ключевом режиме | ||
| Обратный ток коллектора | ||
| Библиографический список |
Определение и конструкция
Биполярные транзисторы являются основными полупроводниковыми приборами современной твердотельной электроники. В настоящее время они занимают первое место по выпуску и использованию в аппаратуре. Выпускаются транзисторы на диапазон рабочих токов от единиц микроампер до сотен ампер, по напряжению - от единиц вольт до киловольт, по частоте - от постоянного тока до 12 ГГц.
Биполярный транзистор – прибор, состоящий из двух взаимодействующих p-n -переходов. Существует три большие области использования транзисторов, в связи с чем их можно разделить на три группы: усилительные - для усиления электрического сигнала по мощности; переключательные - для работы в ключевых схемах; генераторные - для генерации электрической мощности. В зависимости от назначения транзисторы работают в соответствующих режимах и характеризуются специальными параметрами и конструктивными особенностями.
Транзисторную структуру можно создать чередованием слоев полупроводника двумя способами: р-п-р и п-р-п. Условные обозначения этих приборов в схемах приведены на рис.1.
Рис.1. Условные обозначения биполярных транзисторов
Схемы включения
Транзистор является своеобразным преобразователем мощности. Он преобразует малую мощность входного сигнала в большую мощность выходного сигнала. Резервуаром, из которого берется большая мощность, является источник напряжения, включенный в выходную цепь. Эта выходная мощность выделяется в нагрузке.
Транзистор может быть включен (см. рис.2) по схемам с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). При этом один из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепи. Общей считается точка с одинаковым (нулевым) потенциалом по переменному току. В случае схемы с (ОК) потенциал коллектора по переменному току равен потенциалу земли, т.к. источник питания ЕК (если он идеальный) обладает нулевым сопротивлением по переменному току.
Входная цепь – цепь источника сигнала, выходная – цепь нагрузки, в которой выделяется усиленная мощность.
Рис.2. Схемы включения транзистора: а)-схема с общей базой, b- схема с общим эмиттером, с) – схема с общим коллектором
Физические процессы в транзисторе нельзя рассматривать в отрыве от конкретной схемы включения
Режимы работы
Различают следующие режимы работы транзистора:
· активный (или усилительный) режим имеет место, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный - закрыт;
· режим отсечки – когда оба перехода закрыты;
· режим насыщения – когда оба перехода открыты;
· инверсный режим – когда эмиттерный переход закрыт, а коллекторный – открыт.
В активном режиме транзистор работает как линейный усилитель малого переменного сигнала.
Если же транзистор используется как электронный ключ, запертому состоянию ключа соответствует режим отсечки, а открытому состоянию – режим насыщения.
Варианты конструкций транзисторных структур
На рис.3 приведены два варианта конструкции р-п-р -транзистора. Вариант, изображенный на рис.3,а – один из ранних вариантов германиевых транзисторов, выполненный по технологии создания сплавных переходов. Вариант, изображенный на рис.3,b – один из современных вариантов кремниевых транзисторов, выполненный по планарной технологии. У дискретных транзисторов вывод коллектора обычно выполняется с нижней стороны пластины. У интегральных транзисторов – все выводы сверху.
Рис.3. Схематическая конструкция биполярного транзистора:а)бездрейфовый транзистор, b)дрейфовый транзистор в интегральном варианте (АБ-активная база, ПБ- пассивная база)
Тем не менее, принципиальная структура всех разновидностей транзисторов остается одной и той же, и они характеризуются одним и тем же набором основных параметров.
Взаимодействие эмиттерного и коллекторного p-n -переходов осуществляется через базу, толщина которой (W А-толщина активной базы) должна быть много меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда (дырок в рассматриваемом примере). Часть базы, находящаяся непосредственно под эмиттером (см. рис.3,b), называется активной базой (АБ), остальная часть – пассивной базой (ПБ).
Усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме с ОБ
Вариант усилительного каскада, собранного по схеме с ОБ, приведен на рис.4.
Рис.4. а) Усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме с ОБ; b) анализ схемы по постоянному току
Транзистор может усиливать по мощности электрические сигналы постоянного и переменного тока. Поскольку эмиттерный переход обладает односторонней проводимостью, то нельзя просто подать на вход переменный сигнал. Даже при прямом смещении на р-п -переходе надо подать напряжение больше определенного порогового значения V порог, чтобы появилась заметная проводимость (см. рис.5). Для кремниевых переходов пороговое напряжение составляет 0,5-0,6 В, для германиевых – 0,2-0,3 В.
Рис.5. Вольтамперная характеристика р-п - перехода
Процессы усиления переменного сигнала будут зависеть от режима транзистора по постоянному току. Выбор соответствующего режима (рабочей точки) будет рассмотрен в разделе 6.
Для начала проследим, как происходит усиление мощности на постоянном токе. Для этого на рис. 4,b будем полагать величину переменного сигнала V вх~ = 0. А меняться будет только величина смещения Е Э во входной цепи (это и будет входное напряжение). Входным током при этом является ток эмиттера J Э. Выходным напряжением является напряжение на нагрузке V Н, а выходным током – ток коллектора J К. Поскольку коллекторный переход находится в запертом состоянии, то в отсутствие тока эмиттера (входная цепь разомкнута) выходной ток будет обычный обратный ток р-п -перехода. Этот ток обозначается J KБ0 и состоит из трех составляющих:
J KБ0= J ns+ J ps+ J ген. в ОЗ,
где J ns – электронная составляющая тока насыщения коллекторного перехода, J ps – дырочная составляющая тока насыщения коллекторного перехода, J ген. в ОЗ – ток генерации в объемном заряде коллекторного перехода.
Из этих трех составляющих основное значение имеет J ps ~ p n, где p n –концентрация неосновных носителей заряда в базе транзистора. А так как концентрация неосновных носителей заряда в базе транзистора может меняться на порядки при подаче на эмиттерный переход прямого смещения, то в той же степени будет меняться и ток коллектора. Так как на границе базы с объемным зарядом эмиттерного перехода концентрация дырок меняется по закону
, (1)
то в такой же степени в первом приближении будет меняться и ток коллектора. При этом надо иметь в виду, что сигнал на выходе появится не раньше, чем инжектированные эмиттером дырки дойдут до коллекторного перехода. Это время называется временем пролета активной базы t A и определяет быстродействие транзистора.
