Усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме с ОБ

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 Е_К (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.