Энергетические диаграммы биполярных транзисторов

(смотри рисунок на следующей странице).

1. В равновесном состоянии электронам из эмиттера перейти в базу мешает барьер qj_э – т.е. контактная разность потенциалов эмиттерного перехода (ЭП).

2. При включении биполярного транзистора в активный (усилительный) режим на эмиттерный переход подают прямое смещение, а на коллекторный переход (КП) - обратное

(-U_эб и + U_кб), барьер в эмиттерном переходе уменьшается до q(j_э – U_эб), а в коллекторном переходе барьер увеличивается до q(j_к + U_кб).

3. При снижении энергетического барьера в эмиттерном переходе появляется инжекция основных носителей из эмиттера в базу (электрон- 1), причём для усиления инжекции эмиттер делают с большей степенью легирования полупроводника чем степень легирования базы т.е. N_{д э} >> N_{a б} - в результате получают несимметричный эмиттерный переход.

4. Электроны -(2, в базе) двигаются к коллекторному переходу в процессе диффузии, реком-бинация носителей в базе при этом мала, т.к. физическая толщина базы – W_б меньше диффу-зионной длины пробега электрона L_дифф.

W_б - физическая толщина базы – расстояние между обеднёнными областями двух переходов,

W_{б о} – технологическая толщина базы – расстояние между металлургическими границами переходов.

5. Электроны – (3) сильным электрическим полем коллекторного перехода переносятся в область коллектора. Наличие в коллекторном переходе электронов (3) уменьшает его сопротивление.

Приведенная выше простейшая модель работы биполярного транзистора учитывает только движение электронов – т.е. основных носителей в транзисторе с n-p-n структурой. В реаль-ности процессы в биполярном транзисторе сложнее.

Рассмотрим, какие токи текут через биполярный транзистор, находящийся в активном режиме и каково соотношение между этими токами. Используем одномерную модель бипо-лярного транзистора.

Ток эмиттера: I_э = I_{э p} + I_{э n} +I_{э рек}I_{э p} - эмиттерный ток основных носителей (дырки) –

полезный или информационный ток,

I_{э n} - эмиттерный ток неосновных носителей (е^-) -

паразитный ток,

I_{э рек} - ток рекомбинации носителей в эмиттерном

переходе – паразитный ток.

Ток коллектора: I_к = I_{к p} + I_{к б о} (+ I_{к п}), I_{к p} - коллекторный ток основных носителей

пришедших из эмиттера – полезный ток,

I_{к б о} - обратный ток коллекторного перехода,

включающий в себя токи тепловой - и термо-

генерации – это паразитный ток,

(+ I_{к п}) - электронный ток пробоя коллекторного пере-

хода – обозначен пунктиром (паразитный),

Ток базы: I_б = I_{э n}+I_{э рек}+I_{б рек} –I_{к б о} (-I_{к п} ), I_{б рек} -основной ток - ток рекомбинации эмиттерных

дырок с электронами базы - этот ток -

паразитный.

В хорошем биполярном транзисторе должны быть минимизированы паразитные токи:

{ I_{э p}» I_{к p} } >> { I_{э n}; I_{э рек}; I_{б рек} ; I_{к б о} }

В расчётах обычно принимают: I_э» I_{э p} – полезный эмиттерный ток; I_к» I_{к p} – полезный кол-лекторный ток; I_э» I_к; I_к >> I_б.

Коэффициенты передачи тока БП.

Основные коэффициенты: α – статический коэффициент передачи эмиттерного тока,

β – статический коэффициент передачи тока базы.

Коэффициент передачи тока эмиттера в схеме включения транзистора с общей базой (ОБ):

a = I_к / I_э = g×c×h. a - показывает долю эмиттерного тока в выходной цепи. Причём

α < 1 без пробоя коллекторного перехода и α > 1 при пробое коллекторного перехода.

g (гамма) = I_{э p}/ I_э = [ I_{э p} / (I_{э p} + I_{э n} + I_{э рек})] < 1. g -всегда меньше единицы – показывает

эффективность эмиттера.

c (каппа) = I_{к p} / I_{э p} = [I_{к p} / (I_{к p} + I_{б рек} )] < 1. c -всегда меньше единицы – это коэф-

фициент переноса базы и зависит от

физической толщины базы W_б ,

h (эта) = I_к / I_{к p} = { [I_{к p}+ I_{к б о}(+ I_{к п})] / I_{к p} } > 1 h -эффективность коллектора, всегда

больше единицы, причём без пробоя

коллекторного перехода h»1, а при

лавинном пробое перехода h>>1,

b (бета) = I_к / I_б = [α / (1- α)] >>1 b -коэффициент усиления (передачи)

тока базы.

График зависимости b от тока эмиттера I_э:

1-я область - велика степень рекомбинация носителей в эмиттерном переходе

2-я область - в базе много дырок, при этом уменьшается эффективность инжекции и g уменьшается (т.е. уменьшается эффективность эмиттера)

В схеме с общим эмиттером b зависит от тока эмиттера I_э

и напряжения коллектор-эмиттер U_кэ. Зависимость эта

обусловлена двумя эффектами: 1. При увеличении U_кэ

физическая толщина базы W_б уменьшается и уменьшается

ток I_{б рек}. Эффект влияния U_кэ на толщинубазы W_б –

называется эффектом Эрли. 2. Проявляется эффект ударной

ионизации в коллекторном переходе.

Методыдостижения значения a приближающегося к единице (a ®1):

1- путём уменьшения толщины базы W_б – при этом уменьшается I_{б рек}. Обычно делают толщину базы значительно меньше длины диффузионного пробега электрона

W_б =(0,1¸1мкм)<<L_дифф

2 - путём неоднородного легирования базы с целью

создания внутреннего поля базы - Е_б. При этом

снижается ток рекомбинации в базе I_{б рек}

Поле Е_б ускоряет электроны.(справа приведена энергетическая диаграмма n-p-n БТ с неоднородно легированной базой):

3 - путём увеличения концентрации примесей N_пр в базе и коллекторе – при этом уменьшается I_{к б о}, однако и растёт ёмкость коллекторного перехода С_кп уменьшая тем самым быстродействие биполярного транзистора!

Режимы работы биполярного транзистора.

Режимы работы БТ определяются полярностью напряжений поданных на эмиттерный (ЭП) и коллекторный (КП) переходы.

Активный режим (АР):

- ЭП под прямым смещением, КП под обратным,

- в ЭП инжекция, а в КП – экстракция носителей,

- R_{входное} – мало, R_{выходное} – велико,

- АР используется в усилительных схемах;

Режим насыщения (РН):

- ЭП под прямым смещением, КП также под прямым,

- идёт инжекция носителей в базу из Э и из К,

- R_вх – мало, R_вых – мало,

- РН используется в импульсных схемах и соответствует

замкнутому ключу - Кл

Режим отсечки (РО):

- ЭП и КП под обратным смещением,

- в ЭП и КП идёт только экстракция носителей,

- R_вх и R_вых – велики,

- РО используется в импульсных схемах и соответствует

разомкнутому ключу – Кл

Инверсный режим (ИР):

- ЭП под обратным, а КП под прямым смещениями,

- в ЭП идёт экстракция, а в КП инжекция носителей,

- R_вх – большое, R_вых – мало,

- ИР используется в цифровых интегральных схемах,

- у БТ эмиттер и коллектор отличаются как конструктивно, так и степенью легирования

(Э - n⁺, К - n) – поэтому АР и ИР не взаимозаменяемы - α и β в ИР много меньше чем в АР.

Схемы включения биполярного транзистора (БТ) n-p-n структуры.

В усилительных каскадах (режим малого сигнала) и в ключевых каскадах (режим большого сигнала) используются схемы включения БТ с общим эмиттером и общей базой. Схема с общим коллектором используется в каскаде называемым эмиттерным повторителем, применяемого с целью согласования входных и выходных сопротивлений каскадов. Область применения схемы с ОК – сравнительно узкая. Основными являются схемы с ОЭ и ОБ, чаще с всего применяются схемы с общим эмиттером.

ВАХ БТ в схеме включения с ОЭ.

Входные ВАХ: I_б = f(U_бэ)|_{Uкэ = const}

Это выражение читается так: ток базы (I_б) есть функция напряжения между базой и эмиттером при условии, что напряжение между коллектором и эмиттером есть константа.

- при U_кэ = 0 – транзистор находится в режиме

насыщения (РН), При этом режиме происходит

инжекция носителей из эмиттерного и коллек-

торного переходов в базу, ток базы большой –

так как идёт ток инжекции двух видов;

- при U_бэ = 0 ток базы I_б = - I_{к б о} при этом

инжекции в ЭП нет,

- при U_кэ > 0 биполярный транзистор находится

в активном режиме (АР), ширина базы сужается

(сказывается эффект Эрли, см. стр.3), ток базы при

этом уменьшается т.к. уменьшается ток I_{б рек} .

Выходные ВАХ: I_к = f(U_кэ)|_{I б = const}

- при токе базы равном нулю I_б = 0, обратный

ток коллектор-эмиттер I_{к э о} примерно равен

произведению β навеличинуобратного тока

коллектор-база I_{к б о} т. е. I_{к э о}» β×I_{к б о} ,

постольку поскольку, из-за положительной

обратной связи в БТ, напряжение U_кэ частично

приоткрывает эмиттерный переход;

- по этой же причине уменьшается сопротив-

ление коллектор-эмиттер и появляется наклон

характеристик;

- напряжение U_{кэ нас}, при заданном I_к, – называ-

ется напряжением насыщения биполярного

транзистора - это табличный параметр;

- при напряжении U_кэ большем, чем U_бэ – тран-

зистор переходит в АР (активный режим).

ВАХ БТ в схеме включения с ОБ.

Входные ВАХ: I_э = f(U_эб)|_{Uкб = const}

- при U_кб = 0 входная ВАХ БТ будет

практически соответствовать ВАХ эмиттер-

ного перехода (т.е. при некотором U_{эб 1} ток

транзистора будет равен току I_{э о});

- при U_кб > 0 БТ переходит в АР (активный

режим); при U_{эб 1} ток эмиттера увеличивает-

ся до величины I_{э АР}, т.к. количество носите-

лей инжектированных через эмиттерный пе-

реход не изменилось, но скорость их ухода

из базы – увеличилась за счёт уменьшения

ширины базы W_б (сказывается эффект Эрли);

- при U_кб < 0 БТ переходит в РН (режим насы-

щения), при некотором напряжении (- U_{эб 2}) ток

эмиттера становится равным нулю I_э = 0, т.к.

ток инжекции из эмиттера компенсируется

током инжекции из коллектора;

- при | U_эб | < | U_{эб 2}| БТ переходит в ИР.

Выходные ВАХ: I_к = f(U_кб)|_{I э = const}

- при I_э = 0 нет инжекции через ЭП и через КП

течёт ток I_{к б о};

- при U_кб = 0 ток коллектора I_к = α I_э» I_о ;

- при увеличении напряжения U_кб характерис-

тики идут с небольшим подъёмом из-за эффек-

та Эрли (уменьшается ширина базы W_б, умень-

шается ток рекомбинации носителей в базе

I_{б рек}, увеличивается ток коллектора I_кп);

- при отрицательном напряжении (- U_кб) БТ

переходит в РН (режим насыщения), при этом ток

I_к уменьшается и меняет знак при переходе в

ИР (инверсный режим).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: