3. зонные диаграммы биполярного транзистора
реклама
1 ЛЕКЦИЯ 8. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 1. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С УПРАВЛЯЕМЫМ p-n ПЕРЕХОДОМ Основными элементами устройств, применяемых для усиления мощности электрических сигналов, являются транзисторы. Они выпускаются в виде отдельных элементов или входят в состав интегральных микросхем. Транзисторы можно разделить на два класса – биполярные и униполярные (полевые). В биполярных транзисторах в работе прибора принимают участие как положительные, так и отрицательные носители заряда, отсюда и термин “биполярный”. Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя электрическими р-n - переходами и тремя выводами. Они состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности различных типов. В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы р-n-р - типа и n-р-n - типа (рис.1). Условное графическое обозначение транзисторов р-n-р и n-р-n -типов с указанием направления токов при работе в эмиттер база коллект эмиттер база коллект нормальном (активном) режиме ор ор приведено на рис.2. n n p р p n При подключении + напряжений к наружным слоям – + – биполярного транзистора 0 0 б) оказывается, что к одному а) переходу приложено прямое Рис.1. Структурная схема биполярного транзистора: напряжение, а к другому – а) p-n-p типа, б) n-p-n типа обратное. При этом переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют p-n-p n-p-n эмиттерным, соответствующий наружный слой – Iэ Iэ Iк Iк эмиттером (э), средний слой − базой (б). Второй переход, + + – – смещенный приложенным напряжением в обратном э к э к направлении, называют коллекторным, а соответствующий наружный слой – коллектором (к). Iб б б Однотипность слоев коллектора и эмиттера в ряде 0 0 а) б) случаев позволяет при включении менять их местами. Рис.2. Условное графическое Такое включение называется инверсным. При инверсном обозначение транзистора: включении параметры реального транзистора а) p-n-p типа, б) n-p-n типа существенно отличаются от параметров при нормальном включении. Первые биполярные транзисторы были изготовлены по сплавной технологии. Их типовая структура приведена на рис.3. n При подключении к электродам транзистора напряжений Uэб и Uбк (рис.4) In эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Электроны из внешней цепи через электрод эмиттера поступают в область э эмиттера, создавая тем самым ток эмиттера Iэ. В области эмиттера электроны являются основными носителями и проходя через понизившийся потенциальный In барьер инжектируются в область базы, где становятся неосновными носителями и w p диффундируют к коллекторному р-n - переходу. Вследствие малой толщины базы W p (рис.3) меньшая часть электронов (110%) рекомбинирует с дырками (нижний Ge б электрон на рис.4), создавая небольшой ток базы Iб. Большая часть электронов Рис.3. Структура (9099%) достигает коллекторного р-n - перехода, открытого для неосновных сплавного носителей, и попав в ускоряющее поле, экстрагируется (втягивается) в область транзистора 2 коллектора. В коллекторе электроны вновь становятся основными носителями и уходят во внешнюю цепь, создавая ток коллектора Iк. Из рис.4 видно, что ток эмиттера есть сумма базового и коллекторного токов: Iэ=Iб+Iк , (1) Ек* Коллектор n Екб Еэ* База Еэб p Эмиттер n Iк Rэ Rк Iэ=Iб+Iк Рекомбинация электрона и дырки Iб – Uэб + – Uбк + –электроны –положительно заряженные ионы –дырки –отрицательно заряженные ионы Рис.4. Схема движения носителей заряда в транзисторе Ток коллектора изменяется пропорционально изменению тока эмиттера Iк=Iэ , (2) где – коэффициент передачи эмиттерного тока. Для хороших транзисторов он близок, но немного меньше единицы. Изменение напряжения, приложенного к эмиттерному переходу, вызывает изменение количества инжектируемых в базу неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока эмиттера и коллектора. Следовательно, для изменения по определенному закону коллекторного тока необходимо к эмиттерному р-n - переходу приложить напряжение, изменяющее по этому закону ток эмиттера. 2. ТРИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА Iк Iэ Uвх Uвых Uвх + Еб Ек – Rк Iб – + Iк Iб + Еэ – а) Iб Rк Uвых + – Ек Iэ б) Iк + Uвх Iэ + Е б – – Rэ Uвых в) Ек Рис. 5. Включение транзистора по схеме: а) с общей базой, б) с общим эмиттером, в) с общим коллектором В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ) − рис.5,а; с общим эмиттером (ОЭ) − рис.5,б; с общим коллектором − (ОК) рис.5,в. Трем возможным схемам включения транзисторов соответствуют три основных типа усилительных каскадов: с ОБ, ОЭ и ОК. В схеме с ОБ входной сигнал подается на эмиттер транзистора, 3 выходной сигнал снимается с коллектора, а база является общей для входного и выходного сигналов. В схеме с ОЭ входной сигнал подается на базу транзистора, выходной снимается с коллектора, а эмиттер является общим для входного и выходного сигналов. В схеме с ОК входной сигнал подается на базу транзистора, выходной снимается с эмиттера, а коллектор, через источник питания соединен с общим проводом, т.е. является общим для входного и выходного сигналов. В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают необходимые значения напряжений и начальных токов. Входные сигналы переменного тока создаются источниками Uвх. Они изменяют ток эмиттера транзистора, а соответственно и ток коллектора. Приращения тока коллектора (рис.5,а,б) и тока эмиттера (рис.6,в) соответственно на резисторах Rк и Rэ создадут приращения напряжений, которые и являются выходными сигналами Uвых. Параметры схем обычно выбирают так, чтобы Uвых было бы во много раз больше вызвавшего его приращения Uвх (рис.5,а,б) или близко к нему (рис.5,в). Вид входных и выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора зависит от схемы включения. Для схемы включения с ОБ статические характеристики имеют вид, показанный на рис.6, для схемы с ОЭ – на рис.7. Статические характеристики для схемы с ОК аналогичны соответствующим характеристикам для схемы с ОЭ и, как правило, в справочной литературе не приводятся. В цепях, где транзистор включен по схеме с ОЭ или ОК, удобно пользоваться не коэффициентом передачи эмиттерного тока , а “коэффициентом передачи базового тока” (в справочной литературе он приведен в виде параметра h21э). Это обусловлено тем, что в схемах с ОЭ обычно задается изменение тока базы. Связь между коэффициентами и определяется формулой =(1). (3) Так как =0.90.995, то 1. У транзисторов, выпускаемых промышленностью, 10200. Существуют транзисторы с h21э1000. Uкб=0 Uкб=10В Iк,мА Iэ6=12мА 12 Iэ5=10мА 10 Iэ4=8мА 8 Iэ3=6мА −5 6 Iэ2=4мА 4 Iэ1=2мА I 1мкА кбо 0 2 Iэ0=0 0 0 5 2мкА 10 15 Uкб,В −0.6 Uэб, 0.5 а) б) В Рис.6. Статические характеристики маломощного биполярного кремниевого транзистора включенного по схеме с общей базой: а) входная, б) выходная Iэ,мА −1 0 Iб,мкА 100 Uкэ=0 Uкэ=10В Iк,мА 30 25 20 15 10 5 0 0.6 Uбэ,В а) Iб6=100мк Iб5=80мкА Амка Iб4=60мкА Iб3=40мкА 50 Iб2=20мкА Iб1=10мкА Iкэо0.1мА 0 Iб=0 15 Uкэ,В 2 10 5 б) Рис.7. Статические характеристики маломощного биполярного кремниевого транзистора включенного по схеме с общим эмиттером: а) входная, б) выходная 4 Для транзисторов падение напряжения на открытом эмиттерном переходе составляет доли вольта (для германиевых порядка 0.3 В, кремниевых 0.6 В, арсенид-галиевых 1.0 В). На закрытом коллекторном переходе падение напряжения существенно больше и составляет единицы – десятки вольт. 3. ЗОННЫЕ ДИАГРАММЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА 3.1. Зонная диаграмма бездрейфового биполярного транзистора в состоянии термодинамического равновесия В биполярных транзисторах существует два механизма переноса носителей заряда через базу: диффузии и электрического дрейфа. В активном режиме работы в базе любого транзистора имеется градиент концентрации неосновных носителей заряда, поэтому все транзисторы являются диффузионными. Встроенное в базу электрическое поле есть только у транзисторов с неравномерной концентрацией примесей в базе. Такие транзисторы называется дрейфовыми. Они, как правило, имеют большее быстродействие и лучшие частотные свойства за счет более быстрого пролета неосновных носителей через базу. эмиттер эмиттерный база, колекторный коллектор n+ - типа переход p - типа переход n - типа Eэ Eк Ψэ0=q э0Wc WF W Wv Nd~2·1017 [1/cм3] ψк0=q к0 dк dэ lб Na~1015 [1/cм3] Nd~1017 [1/cм3] Рис. 8. Зонная диаграмма бездрейфового транзистора n-p-n – типа в состоянии термодинамического равновесия Зонная диаграмма бездрейфового биполярного транзистора n-p-n - типа в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.8. Она представляет собой два невырожденных несимметричных p-n - гомоперехода (все области имеют одинаковую ширину запрещенной зоны W, одинаковую энергию сродства к электрону Рс и одинаковую диэлектрическую проницаемость ε). Области эмиттера, базы и коллектора различаются типом и концентрацией примесей. Типичные значения концентрации примесей составляют: в эмиттере донорных Nd~2·1017 [1/см3], в базе акцепторных Na~1015[1/см3] и коллекторе Nd~1017 [1/см3]. Толщина р-n - перехода определяется по 1 , где φ – контактная разность потенциалов. С q N a N d учетом существенной разницы концентрации примесей полагают, что практически вся обедненная носителями заряда область эмиттерного и коллекторного переходов располагается в низколегированной базе. формуле d d p d n 2 0 1 5 В состоянии термодинамического равновесия в эмиттерном и коллекторном переходах выполняется принцип детального равновесия: электронный и дырочный токи равны нулю и общий ток через каждый переход равен нулю. 3.2. Зонная диаграмма бездрейфового биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой Зонная диаграмма бездрейфового биполярного транзистора n-p-n - типа, включенного по схеме с ОБ в активном режиме, представлена на рис.9. Источник питания Uэ включен, эмиттерный база, колекторный коллектор эмиттер переход переход n+ - типа открыт p - типа n - типа закрыт Eэ Eк Eэ* Eк* Ψэ=q(к0−Uэ) Inэ Inк Wc WF Uэ Wv ψк=q(к0+Uк) − + dэ* dк* Ipэ Uк + − Ipк Рис. 9. Зонная диаграмма бездрейфового транзистора n-p-n - типа включенного по схеме с ОБ в активном режиме <−> к эмиттеру, <+> к земле; при этом в эмиттерном переходе возникает дополнительное электрическое поле Eэ*, которое частично компенсирует поле Eэ. Кроме того, энергия электронов в области эмиттера возрастает, уровень Ферми поднимается, потенциальный 2( U Э ) 0 1 1 э0 барьер уменьшается Ψэ=q(э0−Uэ), толщина перехода d Э* q N N d a уменьшается и эмиттерный переход открывается. Прямосмещенный эмиттерный переход открыт для основных носителей – электронов эмиттера n - типа и закрыт для неосновных − дырок. Происходит инжекция электронов в базу р - типа, где они являются неосновными носителями. В базе электроны диффундируют к коллектору и частично рекомбинируют с дырками. Дырки в базе являются основными носителями, и их существенно (на один или несколько порядков) больше, чем инжектированных электронов. Источник питания Uк подключен <+> к коллектору, <−> к земле; при этом в коллекторном переходе возникает дополнительное электрическое поле Eк*, которое складывается с полем Eк. Кроме того, энергия электронов в области коллектора уменьшается, уровень Ферми опускается, потенциальный барьер увеличивается 2(к0 U к )0 1 1 увеличивается и q Na Nd коллекторный переход закрывается. Обратносмещенный коллекторный переход закрыт для основных носителей (дырок в базе р - типа) и открыт для неосновных носителей – электронов. Электроны, прошедшие через базу, попадают в коллекторном переходе в ψк=q(к0+Uк), толщина перехода d К* 6 ускоряющее электрическое поле и инжектируются в коллектор n - типа, где они являются основными носителями. В коллекторной области возникает избыточный заряд, который через короткое время Максвелловской релаксации τМ=εε0ρ, где ρ – удельное сопротивление коллектора, рассасывается путем ухода электронов во внешнюю цепь. 3.3. Распределение носителей в базе транзистора в активном режиме Распределение носителей в базе транзистора в активном режиме приведено на рис.10. Если толщина базы lб больше средней длины диффузии электронов в базе Ln, то это база, p - типа эмиттер n+ - типа np(0 ) коллектор n - типа np(x)=np(0)exp(–x/Ln) np(x)=np(0)[1–exp–(lб –x)/Ln] np(x)=const 0 Ln эмиттер база, n+ - типа p - типа np(0 np(x) ) 0 lб Ln lб а) x коллектор n - типа Ln x б) Рис. 10. Распределение носителей заряда в базе бездрейфового транзистора n-p-n - типа в активном режиме. База: а) “толстая”, б) “тонкая” транзистор с “толстой” базой (рис.10,а). Электроны np(0) из эмиттера через прямосмещенный эмиттерный переход попадают в базу. В базе электроны рекомбинируют с дырками и их концентрация уменьшается по закону np(x)=np(0)exp(– x/Ln). На расстоянии, большем Ln от эмиттерного перехода, концентрация электронов становится равновесной np и не изменяется. На расстоянии Ln от коллекторного перехода электроны за время жизни могут продиффундировать до коллекторного перехода и экстрагироваться ускоряющим электрическим полем коллекторного перехода. В этой области их концентрация изменяется от np до нуля по закону np(x)=np(0)[1–exp–(lб–x)/Ln]. Таким образом, в транзисторе с “толстой” базой электроны, инжектированные из эмиттера, не достигают коллекторного перехода, а полностью рекомбинируют в базе, коллекторный ток не зависит от эмиттерного и транзистор эквивалентен двум встречновключенным диодам. Если уменьшать толщину базы транзистора, сдвигая металлургические границы эмиттерного и коллекторного переходов, то при lб < Ln, (обычно lб ≈ 0.2 Ln) получится транзистор с тонкой базой (рис.10,б). Распределение концентрации электронов в тонкой базе происходит в результате сопряжения двух экспонент. Такое распределение в первом приближении описывается прямой линией. С учетом небольшой рекомбинации электронов в базе эта линия немного прогибается, как показано пунктирной линией на 7 рис.10,б. В этом случае большая часть электронов, эмитированных из эмиттера, достигает коллектора, поэтому, изменяя ток эмиттера, можно управлять током коллектора. 3.4. Дрейфовый транзистор Для повышения быстродействия транзистора необходимо уменьшить время пролета носителей через базу tпр. Для этого в дополнение к диффузии носителей в базе необходимо использовать второй механизм переноса – дрейф носителей под действием электрического поля Eвстр. На рис.11,а показано распределение концентрации донорных Nd Nd−Na а) x эмиттер эмиттерный база, колекторный коллектор n - типа переход n+ - типа переход p - типа б) Eэ Eвстр Eк Wc WF W Wv в) dк dэ lб Рис. 11. Зонная диаграмма дрейфового транзистора n-p-n - типа в состоянии термодинамического равновесия: а) распределение концентрации примесей; б) распределение неподвижных ионов примесей и подвижных основных носителей заряда; в) зонная диаграмма в состоянии термодинамического равновесия и акцепторных примесей Na. База транзистора легирована неравномерно, концентрация Na уменьшается от эмиттера к коллектору. На рис.11,б схематично показано распределение отрицательно заряженных ионов акцепторной примеси в базе. Со стороны коллекторного перехода их меньше, чем со стороны эмиттерного перехода, поэтому в базе возникает встроенное электрическое поле Eвстр (рис.11,б). Уровень дна зоны проводимости Wc в базе имеет наклон. 8 Зонная диаграмма дрейфового транзистора n-p-n - типа, включенного по схеме с ОБ в активном режиме, приведена на рис.12. Электроны в базе диффундируют к коллектору за эмиттер эмиттерный база, колекторный коллектор переход n+ - типа переход p - типа n - типа открыт закрыт Eэ Eвст Eк Eэ* Eк* р Inэ Inк Wc WF Uэ Wv − + dэ* dк Uк * Ipэ + − Ipк Рис. 12. Зонная диаграмма дрейфового транзистора n-p-n - типа включенного по схеме с ОБ в активном режиме счет градиента концентрации, а также дрейфуют навстречу Eвстр, скатываясь вниз по наклону зоны проводимости. При этом время пролета электронов через базу сокращается в четыре - пять раз по сравнению с tпр электроннов в бездрейфовом транзисторе. 3.5. Зонная диаграмма бездрейфового биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером На рис.13 приведена зонная диаграмма бездрейфового транзистора n-p-n - типа, включенного по схеме с ОЭ в активном режиме. В этой схеме эмиттер заземлен. Напряжение Uб смещает эмиттерный переход в прямом, а напряжение Uк смещает коллекторный переход в обратном направлении. Электроны из эмиттера через эмиттерный эмиттер база, колекторный коллектор переход + n - типа p - типа переход n - типа открыт закрыт Eэ Eк * E Ψэ=q(к0−Uб) э Eк* Inэ Inк Wc WF ψк=q(к0+Uк) рекомбинация Wv Iб dэ * Uб Ipэ + − dк* Uк + − Ipк Рис. 13. Зонная диаграмма бездрейфового транзистора n-p-n - типа включенного по схеме с ОЭ в активном режиме 9 понизившийся потенциальный барьер Ψэ0=q(к0−Uб) поступают в базу. Диффундируя через “тонкую” базу, меньшая часть электронов рекомбинирует с дырками, создавая небольшой базовый ток Iб. Большая часть электронов достигает коллекторного перехода и через обратносмещенный коллекторный переход, открытый для неосновных носителей, уходит в коллектор, создавая электронный ток коллектора Inк. Схема включения транзистора с ОЭ позволяет с помощью небольших базовых токов управлять большими коллекторными токами. Коэффициент усиления по мощности транзистора в схеме с ОЭ (при правильно выбранной нагрузке) существенно больше, чем в схеме с ОБ.
