книги / Физические основы электроники

При дальнейшем увеличении прямого напряжения умень­ шается перекрытие зон и снижается число электронов, пере­ шедших из зоны проводимости «-области в валентную зону р- области. Прямой ток убывает (h < / т а х)> на вольт-амперной характеристике появляется падающий участок (участок отри­ цательного дифференциального сопротивления). При напря­ жении U1 min перекрытие зон исчезает, запрещенная зона ста­ новится «сквозной» и туннельный ток прекращается. Это соответствует минимальному току туннельного диода.

При этом начинает сказываться диффузия носителей че­ рез р—«-переход (инжекционные процессы), так как высота потенциального барьера резко снижается. Дальнейшее увели­ чение прямого напряжения уменьшает высоту потенциально­ го барьера, и в результате инжекции возрастает диффузион­ ный прямой ток, величина которого экспоненциально зависит от приложенного напряжения (участок 2— 3 на рис. 3.9).

Если к диоду приложить обратное напряжение, то тун­ нельный поток электронов из валентной зоны p -области в зону проводимости «-области увеличивается. Обратный тун­ нельный ток резко возрастает с увеличением обратного на­ пряжения, и обратное сопротивление туннельного диода име­ ет небольшую величину.

Основными параметрами туннельных диодов являются: пиковый ток /„„х и ток впадины /min и соответствующее им напряжение пика U, mах и впадины И,тт\ напряжение раствора t/np (прямое напряжение на второй восходящей ветви при то­ ке, равном пиковому); максимальное напряжение переклю­ чения, снимаемое с диода AU (напряжение скачка) и отрица-

Рис. 3.11 Эмиттер Коллектор Эмиттер Коллектор

В зависимости от типа проводимости крайних слоев раз­ личают триоды р—и—р- и п—р—я-типов с взаимно противо­ положными рабочими полярностями. Условные обозначения обоих типов транзисторов показаны на рис. 3.11. Здесь же даны рабочие полярности напряжения и направления токов. Такие транзисторы часто называют биполярными.

Втранзисторе среднюю область называют базой, а край­ ние — эмиттером и коллектором. Отделяющие базу переходы называют эмитгерным и коллекторным.

Взависимости от механизма прохождения носителей за­ ряда в области базы (от эмиттера к коллектору) транзисторы разделяют на бездрейфовые и дрейфовые. В первых перенос не­ основных носителей заряда через базовую область осуществ­ ляется главным образом посредством диффузии. Такие тран­ зисторы обычно получают методом сплавления. В дрейфовых транзисторах в области базы путем специального распреде­ ления примесей создается внутреннее электрическое поле, и перенос неосновных носителей заряда через базу осуществля­ ется в основном посредством дрейфа. Такие транзисторы

обычно получают методом диффузии примесей.

Основные процессы в плоскостном бездрейфовом транзи­ сторе. Физика работы транзистора поясняется схемой и диа­ граммами, представленными на рис. 3.12, а—д.

Положение энергетических зон при отсутствии внешних напряжений на переходах показано на рис. 3.12, б. В равно­ весном состоянии результирующие токи через оба перехода равны нулю. При подключении к эмиттеру положительного относительно базы напряжения U3 (прямое смещение), а к кол­ лектору отрицательного UK(обратное смещение) расположе­ ние энергетических зон меняется (рис. 3.12, в). Высота потен-

циалыщго барьера эмитгерного перехода снижается (рис. 3.12, г). Число дырок, переходящих через эмиттерный переход слева направо, и число электронов, переходящих справа нале­ во, увеличивается. Условия же движения неосновных носите­ лей через коллекторный переход практически не изменяются. Ток через эмиттерный переход возрастает. В эмиттере и базе появляются неравновесные концентрации неосновных носи­ телей заряда.

Равновесная концентрация дырок в эмиттере на несколь­ ко порядков выше равновесной концентрации электронов в базе (р, « рб), поэтому поток дырок из эмиттера в базу во много раз превышает поток электронов из базы в эмиттер

(Ьр » /э„). Можно считать, что весь ток через эмиттерный переход образуется только дырками, инжектированными из эмиттера в базу.

Если толщина базы со значительно больше диффузионной длины неосновных носителей заряда— дырок в ней (и » Ь Ря),

то вблизи коллекторного перехода концентрация дырок прак­ тически не отличается от равновесной и ток эмитгерного пе­ рехода, вызванный изменением напряжения между эмиттером и базой, не изменяет условий прохождения тока через коллек­ торный переход.

К коллекторному переходу приложено обратное напряже­ ние Um. При |—1/кп| > фг через коллекторный переход будет протекать лишь обратный ток, образованный неосновными носителями заряда. Величина обратного тока определяется свойствами полупроводника и температурой. При рк < р6 об­ ратный ток коллекторного перехода состоит в основном из дырок, переходящих из базы в коллектор.

Если толщина базы меньше диффузионной длины дырок в ней (со < Lpn), то инжектированные в базу дырки будут до­

ходить до коллекторного перехода, почти не рекомбинируя с электронами. Так как потенциальный барьер коллекторного перехода нс препятствует передвижению через него неоснов­ ных носителей, то перешедшие из эмиттера в базу и дошедшие

переходу поверхности транзистора, и рассеивается на неодно­ родностях кристаллической решетки. Поэтому не все инжек­ тированные в базу дырки доходят до коллекторного перехода. Влияние рекомбинации в базе на величину тока через коллек­ торный переход учитывает коэффициент переноса дырок р, который показывает, какая часть инжектированных эмитте­ ром дырок достигает коллекторного перехода:

число дырок, дошедших до коллекторного перехода ,(3.7) число инжектированных в базу дырок

\2

1 СО

(3.8)

2 1 ч ,

Этот коэффициент тем ближе к единице, чем меньше тол­ щина базы по сравненшо с диффузионной длиной дырок. По­ этому толщину базы реального транзистора делают по воз­ можности меньше.

Коэффициенты инжекции и переноса транзистора трудно измерить. Они рассчитываются теоретически. На практике поль­ зуются коэффициентом передачи тока эмиттера (его называ­ ют коэффициентом усиления по току в схеме с общей базой):

Так как у и р меньше 1, то и коэффициент передачи тока эмиттера а также не превышает единицы. У современных транзисторов а = 0,95 + 0,99.

Модуляция толщины базы. Толщина р —л-перехода зави­ сит от величины приложенного к нему напряжения:

I2ее0(А% -~й)

(3.11)

V

Так как к эмиттерному переходу приложено прямое на­ пряжение, то толщина этого перехода мала и ее изменения при изменениях Um также малы.

К коллекторному переходу приложено обратное напряже­ ние С/кп и толщина перехода сравнительно велика. В связи с тем,

что коллекторный переход практически сосредоточен в обла­ сти базы, изменение толщины коллекторного перехода при изменениях напряжения на коллекторе приводит к изменению толщины базы. С ростом величины Ош коллекторный переход расширяется, а толщина базы становится меньше, и наоборот.

Изменение толщины базы транзистора в результате изме­ нения толщины слоев пространственного заряда электричес­ ких переходов при изменении напряжения на них называется модуляцией толщины базы или эффектом Эрли. Изменение тол­ щины базы влияет на условия работы эмиттерного перехода.

Дифференциальные сопротивления переходов и емкость транзистора. Эмиттерный и коллекторный переходы транзис­ тора можно охарактеризовать дифференциальными сопроти­ влениями Гэ и гк. Дифференциальное сопротивление эмиттер­ ного перехода (эмиттера) г> равно отношению приращения на­ пряжения на эмитгерном переходе к приращению тока эмит­ тера при коротком замыкании в цепи коллектора (по пере­ менному току):

где /о, и /а — обратные токи эмиттерного и коллекторного переходов, получаем

Сопротивление г3мало и обратно пропорционально току эмиттера. Например, при h = 1 мА и комнатной температуре (Г = 300 К) сопротивление эмиттера равно примерно 26 Ом.

В формуле (3.14) фт— температурный потенциал

(3.15)

(при Т = 300 К ifr* 0,026 В), где к — постоянная Больцмана; q — элементарный заряд.

Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (коллектора) г* равно отношению приращения напряжения на коллекторном переходе к приращению тока коллектора в режиме холостого хода в цепи эмиттера (по переменному то­

Ток коллектора протекает через переход в обратном на­ правлении и слабо зависит от напряжения на коллекторном переходе. Поэтому дифференциальное сопротивление коллек­ тора имеет очень большую величину (обычно rK > 1 МОм). Величина гк зависит от геометрии, размеров и материала транзистора, от тока эмиттера и напряжения на коллекторе, но в основном определяется эффектом модуляции толщины базы и токами утечки.

Как эмиттерная, так и коллекторная область обладает определенным объемным сопротивлением. Однако эти сопро­ тивления малы по сравнению с сопротивлениями гэ и гк и их в расчетах обычной точности не учитывают. Объемное сопро­ тивление иногда учитывают в расчетах повышенной точнос­ ти. Как эмитгерному, так и коллекторному переходу присущи барьерная и диффузионная емкости.

Емкость эмиттерного перехода (барьерная) Сэп определя­ ется отношением приращения объемного заряда в эмиттерном переходе к приращению напряжения на нем при разомк­ нутой цепи коллектора. Емкость эмиттерного перехода шун­ тируется малым сопротивлением г3 и оказывает слабое влия­ ние на работу в диапазоне высоких частот. Величину барьер­

Диффузионная емкость эмиттерного перехода характери­ зует приращение заряда избыточных носителей в базе, выз­ ванное приращением напряжения на эмиттерном переходе

(при неизменном напряжении на коллекторном переходе), и определяется соотношением

(3.18)

*д ~2D„

Диффузионная емкость эмиттера значительно превосхо­ дит барьерную. При расчетах диффузионную емкость обычно не учитывают, а диффузионный характер распространения дырок в базе определяют по коэффициенту передачи тока эмиттера в зависимости от частоты.

Емкость коллекторного перехода (барьерная) Cm опреде­ ляется отношением приращения объемного заряда в коллек­ торном переходе к приращению напряжения на этом переходе при разомкнутой цепи эмиттера. Обычно барьерная емкость коллекторного перехода в несколько раз меньше барьерной емкости эмитгерного перехода. Однако емкость коллекторно­ го перехода шунтирует большое сопротивление гк и поэтому оказывает существенное влияние при работе на высоких час­ тотах.

Несмотря на то, что коллекторный переход закрыт, его иногда характеризуют диффузионной емкостью:

ОУ КП

Диффузионная емкость характеризует приращение заряда неосновных носителей в базе, вызываемое модуляцией тол­ щины базы коллекторным напряжением (при неизменном токе эмиттера). Диффузионная емкость коллекторного перехода значительно меньше диффузионной емкости эмитгерного пе­ рехода.

Для большинства транзисторов выполняется неравенство