ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 8839
Скачиваний: 20
171
У мощных транзисторов эта зависимость весьма существен-
на: коэффициент
β
в рабочем диапазоне токов может уменьшить-
ся в несколько раз.
В связи с этим характеристики коллекторного семейства за-
метно сближаются в области больших токов, особенно в схеме
ОЭ (рис. 4.27).
I
б
=300 мА
I
K
I
б
=500 мА
I
Э
=10 А
6
10
2
6
10
2
U
K
U
K
0 20 40 60
0 20 40 60
I
K
А
А
I
Э
=6 А
Рис. 4.27 — Коллекторные характеристики мощного транзистора:
а — в схеме ОБ; б — в схеме ОЭ
Результатом такой неоднородности характеристик являются,
конечно, нелинейные искажения при усилении сигналов. Одной
из главных проблем при конструировании и эксплуатации мощ-
ных транзисторов является обеспечение теплоотвода. Эта про-
блема решается путем непосредственного контакта коллектора
с корпусом транзистора и применением внешних радиаторов.
В заключение отметим одно явление, которое характерно
для мощных транзисторов в связи с большим диаметром эмит-
терного перехода и малой длиной «пассивного» участка базы
(между ее внешним выводом и эмиттером) (рис. 4.28). Это явле-
ние выражается в неодинаковой плотности тока на разных участ-
ках эмиттера, плотность тока максимальна на периферии эмит-
терного перехода и минимальна в центре перехода. Причиной
такой неравномерности является протекание базового тока в ра-
диальном направлении — от центра к внешнему кольцевому
электроду. В результате потенциал базы вдоль радиуса уменьша-
ется, а напряжение эмиттер — база соответственно растет. У ма-
ломощных транзисторов неравномерность инжекции обычно
172
несущественна, так как значительная часть падения напряжения
приходится на «пассивный» участок базы, который у этих тран-
зисторов значительно больше диаметра эмиттера по конструк-
тивным соображениям.
Б
Э
К
Б
I
Б
I
К
I
Э
Рис. 4.28 — Структура мощного сплавного
транзистора; пунктирными стрелками
показано протекание базового тока,
обусловливающее неравномерную
инжекцию
4.11
Дрейфовые
транзисторы
В неоднородной базе имеется собственное электрическое поле
независимо от уровня инжекции. Поэтому механизм движения ин-
жектированных носителей у транзисторов с такой базой преимуще-
ственно дрейфовый, откуда следует их общее название — дрейфо-
вые транзисторы.
Поскольку, однако, неоднородность базы достигается путем
диффузии примесного материала, можно встретиться с термина-
ми «триод с диффузионной базой» или даже просто «диффузион-
ный транзистор», которые отражают технологию изготовления,
а не механизм движения инжектированных носителей.
Особенности дрейфовых транзисторов
На рис. 4.29 изображены две структуры дрейфового транзи-
стора, различие между которыми обусловлено технологическими
особенностями.
173
Сравнивая структуры дрейфового и бездрейфового транзи-
сторов (см. рис. 4.3), видим, что они заметно различаются.
А именно, дрейфовый транзистор значительно более несиммет-
ричен: коллекторный слой много толще двух других слоев, вели-
ка разница в площадях эмиттера и коллектора, по существу от-
сутствует пассивная область базы. Все эти особенности обуслов-
лены тем, что в случае дрейфовых транзисторов исходная пла-
стина полупроводника служит основой для создания слоев базы
и эмиттера, а сама она в дальнейшем играет роль коллектора, то-
гда как в случае бездрейфовых (сплавных) транзисторов исход-
ная пластина служит основой для создания слоев эмиттера и кол-
лектора, а сама она в дальнейшем играет роль базы. Резкая асим-
метрия дрейфовых транзисторов делает их практически необра-
тимыми приборами.
Кроме того, она осложняет анализ тех случаев, когда суще-
ственна неодномерность транзистора. Однако при анализе нор-
мального усилительного режима использование одномерной моде-
ли вполне оправдано, поскольку движение инжектированных носи-
телей в активной области базы происходит почти строго по оси х.
Как уже отмечалось, база дрейфовых транзисторов получа-
ется путем диффузии примесей в глубь исходной пластины (на
рис. 4.29 вдоль оси х). Согласно законам диффузии распределе-
ние примесных атомов в слое базы должно выражаться дополни-
тельной функцией ошибок.
Э
Б
Э
К
Б
n
К
х
p
w
p
n
p
w
p
а
б
Рис. 4.29 — Упрощенные структуры дрейфовых транзисторов:
а — выводы электродов в разных плоскостях (меза технология и
сплавно-диффузионная технология); б — выводы электродов в одной
плоскости (планарная технология). Пунктиром показаны линии тока
от эмиттера к коллектору
174
( )
(0)
,
б
б
N
x
N
x
N
cerf
L
⎛
⎞
≈
⎜
⎟
⎝
⎠
где х — расстояние, отсчитываемое от эмиттера в глубь базы;
L
N
— средняя длина диффузии примеси. Поскольку функция
ошибки близка к спадающей экспоненте, можно записать при-
ближенное выражение:
( )
(0)
.
б
б
N
x
N
x
N
e
L
−
≈
(4.62)
Это выражение широко используется при анализе дрейфо-
вых транзисторов.
Диффузионная технология позволяет получить очень тон-
кую базу, что само по себе (даже без учета распределения приме-
сей) приводит к ряду важных следствий. А именно при прочих рав-
ных условиях существенно уменьшается время диффузии и увели-
чивается коэффициент передачи
β
, поскольку оба эти параметра
зависят от квадрата толщины базы. Толщина базы у дрейфовых
транзисторов в 5—10 раз меньше, чем у сплавных. Поэтому вре-
мя диффузии и постоянная времени
α
τ оказываются меньше
в десятки раз; соответственно увеличивается граничная частота
f
α
. Коэффициент передачи
β
по тем же соображениям должен
был бы доходить до 1000 и больше. На самом деле он значитель-
но меньше и обычно не превышает 100—500. Это объясняется
тем, что величины
α
и
β
зависят не только от толщины базы,
но также от времени жизни и коэффициента инжекции.
В связи с повышенной концентрацией примесей вблизи
эмиттера время жизни в базе дрейфового транзистора значитель-
но меньше, чем у сплавного. Коэффициент инжекции более за-
метно отличается от единицы. Тем не менее у специальных типов
дрейфовых транзисторов удается получить значения
β
до 5000
и более, уменьшая толщину базы до долей микрона. Однако та-
кие значения
β
получаются за счет резкого уменьшения рабочих
напряжений: напряжение смыкания составляет у этих транзисто-
ров единицы вольт.
Частотные свойства дрейфовых транзисторов могут ограни-
чиваться не временем пролета, а постоянной времени
γ
τ
. Для то-
го чтобы уменьшить влияние емкости Сэ, часто используют
175
дрейфовые транзисторы при большем токе эмиттера, например
4—5 мА вместо 1 мА. Тогда сопротивление r
Э
уменьшается и по-
стоянная времени r
Э
c
Э
оказывается
достаточно малой.
Конечно, величины барьерных емкостей Ск и Сэ зависят
не только от соотношения удельных сопротивлений слоев, но
и от площадей переходов. Технология изготовления дрейфовых
транзисторов обеспечивает гораздо меньшие площади, чем
сплавная технология, и это способствует уменьшению барьерных
емкостей.
Вопросы
для
самопроверки
1.
Назначение переходов в биполярном транзисторе.
2.
Режимы работы биполярных транзисторов.
3.
Схемы включения биполярных транзисторов.
4.
Физические основы работы биполярных транзисторов.
5.
Распределение носителей в базе транзистора.
6.
К чему приводит модуляция толщины базы?
7.
Начертите эквивалентную схему идеализированного би-
полярного транзистора.
8.
Выведите уравнения Эберса-Молла.
9.
Запишите уравнения идеализированных статических ха-
рактеристик.
10.
Начертите статические характеристики реального тран-
зистора для схемы с общей базой.
11.
Нарисуйте эквивалентную схему транзистора при малом
сигнале при включении с ОБ для постоянных составляющих.
12.
Нарисуйте эквивалентную схему транзистора при малом
сигнале для переменных составляющих при включении с ОБ.
13.
Запишите статические параметры транзистора.
14.
Зависимость барьерной емкости коллекторного перехода
от напряжения на переходе.
15.
Почему частотные свойства коэффициента инжекции
улучшаются с увеличением тока эмиттера?
16.
От каких параметров зависит коэффициент передачи то-
ка эмиттера
α
?
17.
Что означает постоянная времени базы?
18.
Зависимость параметров транзистора от температуры.