ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 15712
Скачиваний: 29
126
смещены
в
прямом
направлении
.
При
этом
,
по
существу
,
имеют
-
ся
двусторонняя
инжекция
и
двустороннее
«
собирание
»
неоснов
-
ных
носителей
.
Если
функция
инжекции
превалирует
на
обоих
переходах
,
транзистор
превращается
в
двойной
диод
.
Однако
ча
-
ще
на
одном
из
переходов
(
обычно
коллекторном
)
превалирует
функция
«
собирания
»,
и
тогда
ток
через
него
протекает
в
направ
-
лении
,
не
соответствующем
полярности
смещения
.
Такой
режим
называется
режимом
насыщения
.
переход
переход
p
p
n
Б
К
Э
w
Рис. 4.3 — Реальная структура
биполярного транзистора
Из
всего
сказанного
следует
,
что
плоскостной
транзистор
является
системой
двух
взаимодействующих
р
-n
переходов
и
что
непременным
условием
такого
взаимодействия
является
доста
-
точно
малая
толщина
базы
(
w
L
<< ,
где
L —
диффузионная
дли
-
на
неосновных
носителей
).
Основные
свойства
транзистора
определяются
процессами
в
базе
,
и
им
в
дальнейшем
будет
уделено
главное
внимание
.
Харак
-
тер
движения
инжектированных
носителей
в
базе
в
общем
случае
заключается
в
сочетании
диффузии
и
дрейфа
.
Электрическое
по
-
ле
,
в
котором
происходит
дрейф
,
может
быть
результатом
высо
-
кого
уровня
инжекции
,
а
также
результатом
неоднородности
слоя
.
Последний
случай
имеет
особенно
большое
значение
,
так
как
собственное
поле
неоднородного
полупроводника
обуслов
-
ливает
дрейфовый
механизм
движения
носителей
независимо
от
уровня
инжекции
.
Транзисторы
без
собственного
поля
базы
на
-
зываются
диффузионными
или
бездрейфовыми
,
а
с
собственным
полем
—
дрейфовыми
.
Оба
названия
отражают
главный
меха
-
127
низм
перемещения
носителей
,
хотя
,
как
правило
,
диффузия
и
дрейф
сочетаются
.
Более
простыми
для
анализа
являются
без
-
дрейфовые
транзисторы
,
которым
ниже
уделено
основное
внима
-
ние
.
Особенности
дрейфовых
транзисторов
будут
рассмотрены
в
отдельном
параграфе
.
Выше
подразумевалось
,
что
оба
напряже
-
ния
(
э
U
и
Б
U )
отсчитываются
от
базы
,
принятой
за
основной
элек
-
трод
,
который
является
общим
для
входного
и
выходного
напряже
-
ний
транзистора
.
Такое
включение
транзистора
(
рис
. 4.4,
а
),
позво
-
ляющее
строго
и
наглядно
изучить
его
физические
свойства
и
па
-
раметры
,
называют
включением
«
с
общей
базой
».
Это
включение
будет
в
дальнейшем
обозначаться
буквами
ОБ
.
Однако
схема
ОБ
является
не
только
не
единственно
возможной
,
но
даже
не
наибо
-
лее
распространенной
на
практике
.
Это
объясняется
рядом
об
-
стоятельств
(
например
,
отсутствием
усиления
тока
),
которые
бу
-
дут
ясны
из
последующих
параграфов
.
I
Э
I
К
I
б
Э
К
Б
Вход
Выход
а
I
Э
I
К
I
б
Э
К
Б
Вход
Выход
б
I
Э
I
К
I
б
Э
К
Б
Вход
Выход
в
Рис. 4.4 — Схемы включения транзистора:
а — с общей базой; б — с общим эмиттером;
в — с общим коллектором
128
Основное
применение
в
схемах
находит
другое
включение
транзистора
,
которое
по
вполне
понятным
причинам
называют
включением
«
с
общим
эмиттером
» (
рис
. 4.4,
б
),
и
схема
включе
-
ния
«
с
общим
коллектором
».
Мы
будем
обозначать
их
буквами
ОЭ
и
ОК
.
Преимущества
схемы
ОЭ
выяснятся
чуть
позже
;
однако
можно
сразу
отметить
,
что
она
дает
усиление
по
току
,
поскольку
ток
базы
,
являющийся
для
нее
входным
,
гораздо
меньше
токов
эмиттера
и
коллектора
,
это
позволяет
большее
усиление
по
мощности
в
относительно
уз
-
кой
полосе
частот
.
Третий
вариант
включения
—
схема
«
с
общим
коллектором
» (
ОК
) —
показан
на
рис
. 4.4,
в
.
Несмотря
на
практические
недостатки
,
которые
в
большей
степени
неверны
,
схема
ОБ
является
основой
при
рассмотрении
физических
процессов
в
транзисторе
.
Поэтому
она
является
осно
-
вой
при
анализе
основных
процессов
в
биполярном
транзисторе
.
4.2
Основные
процессы
в
биполярном
транзисторе
На
рис
. 4.3
показан
разрез
бездрейфового
транзистора
со
сплавными
переходами
,
имеющего
дисковую
структуру
.
По
сравнению
с
другими
типами
транзисторов
сплавной
транзистор
наиболее
прост
и
удобен
для
анализа
.
База
этого
транзистора
од
-
нородна
,
поэтому
механизм
движения
носителей
—
диффузион
-
ный
.
Удельные
сопротивления
слоев
эмиттера
и
коллектора
практически
одинаковы
,
так
что
фактором
,
обусловливающим
асимметрию
транзистора
,
является
различие
площадей
S
э
и
К
S .
Асимметрия
транзистора
преследует
ту
цель
,
чтобы
дырки
,
ин
-
жектируемые
эмиттером
и
диффундирующие
под
некоторым
уг
-
лом
к
оси
транзистора
,
по
возможности
полнее
собирались
кол
-
лектором
.
База
сплавного
транзистора
отличается
от
базы
идеа
-
лизированной
структуры
(
см
.
рис
. 4.1)
наличием
трех
участков
,
которые
называют
активной
,
промежуточной
(
или
коллекторной
)
и
пассивной
областями
базы
.
Активной
областью
базы
является
цилиндрический
объем
с
высотой
w
и
площадью
,
равной
поверх
-
ности
эмиттера
Э
S .
Промежуточной
областью
базы
является
кольцевой
объем
с
площадью
основания
K
Э
S
S
−
и
высотой
,
рав
-
ной
расстоянию
от
коллектора
до
противоположной
поверхности
129
базовой
пластинки
.
Наконец
,
пассивной
областью
базы
является
ее
объем
,
расположенный
вне
коллектора
.
Для
первоначального
ознакомления
с
транзистором
можно
пренебречь
пассивной
и
промежуточной
областями
базы
и
счи
-
тать
транзистор
симметричным
,
имеющим
одинаковую
площадь
Э
К
S
S
=
во
всех
сечениях
(
см
.
рис
. 4.1).
Обычно
соблюдается
со
-
отношение
w
S
<<
т
.
е
.
размеры
транзистора
в
направлениях
,
перпендикулярных
главной
оси
,
много
больше
толщины
базы
.
В
таком
транзисторе
краевые
эффекты
не
очень
существенны
,
и
его
можно
считать
одномерным
,
т
.
е
.
можно
предположить
движение
носителей
только
вдоль
главной
оси
,
без
отклонения
в
стороны
.
Такая
одномерная
модель
будет
всегда
подразумеваться
,
если
не
сделано
специальных
оговорок
Инжекция и собирание неосновных носителей
.
На
рис
. 4.5,
а
показана
энергетическая
диаграмма
транзистора
в
рав
-
новесном
состоянии
.
Диаграмма
показывает
,
что
эмиттер
и
кол
-
лектор
представляют
собой
низкоомные
слои
(
уровень
Ферми
лежит
вблизи
уровней
акцепторов
),
а
база
—
сравнительно
высо
-
коомный
слой
(
уровень
Ферми
расположен
вблизи
середины
за
-
прещенной
зоны
).
Легко
видеть
,
что
электроны
базы
и
дырки
эмиттера
и
коллектора
находятся
в
«
потенциальных
ямах
»,
из
ко
-
торых
они
могут
перейти
в
смежный
слой
только
благодаря
дос
-
таточно
большой
тепловой
энергии
.
Наоборот
,
дырки
базы
и
электроны
эмиттера
и
коллектора
находятся
на
«
потенциальных
гребнях
»,
с
которых
они
могут
свободно
переходить
в
смежный
слой
.
В
равновесном
состоянии
на
обоих
переходах
имеется
ди
-
намическое
равновесие
между
потоками
дырок
(
а
также
между
потоками
электронов
),
протекающих
в
ту
и
другую
стороны
.
Пусть
на
эмиттерном
переходе
задано
нормальное
для
него
по
-
ложительное
смещение
,
а
коллекторный
переход
по
-
прежнему
замкнут
(
рис
. 4.5,
б
).
Тогда
потенциальный
барьер
эмиттера
по
-
низится
и
начнется
инжекция
дырок
в
базу
и
электронов
в
эмит
-
тер
.
При
большой
разнице
в
удельных
сопротивлениях
слоев
электронная
составляющая
тока
,
как
известно
,
не
играет
большой
роли
,
и
ею
пока
можно
пренебречь
.
Инжектированные
дырки
,
пройдя
базу
,
доходят
до
коллекторного
перехода
и
свободно
про
-
ходят
в
коллектор
.
Значит
,
в
выходной
цепи
будет
протекать
ток
,
130
близкий
к
току
эмиттера
,
поскольку
рекомбинация
в
тонкой
базе
невелика
.
Небольшая
разность
между
эмиттерным
и
коллектор
-
ным
токами
связана
с
током
базы
,
который
обусловлен
электро
-
нами
,
поступающим
из
внешней
цепи
.
Электроны
внешней
цепи
компенсируют
убыль
электронов
в
базе
в
результате
их
рекомби
-
нации
с
дырками
.
Поскольку
напряжение
K
U
равно
нулю
,
полез
-
ная
мощность
не
выделяется
и
усиление
отсутствует
.
Если
в
вы
-
ходную
цепь
включить
резистор
нагрузки
(
рис
. 4.5,
в
),
то
падение
напряжения
на
этом
сопротивлении
создаст
положительное
сме
-
щение
коллектора
.
При
этом
,
наряду
с
собиранием
дырок
,
до
-
шедших
от
эмиттера
,
будет
происходить
инжекция
дырок
самим
коллектором
.
В
результате
коллекторный
ток
станет
заметно
меньше
тока
эмиттера
и
мощность
в
нагрузке
будет
очень
неве
-
лика
.
В
нормальном
усилительном
режиме
на
коллекторный
пе
-
реход
задается
достаточно
большое
отрицательное
смещение
,
в
результате
чего
потенциальный
барьер
у
коллектора
соответст
-
венно
увеличивается
(
рис
. 4.5,
г
).
Теперь
можно
включать
в
вы
-
ходную
цепь
резистор
со
значительным
сопротивлением
без
опа
-
сения
вызвать
инжекцию
через
коллекторный
переход
.
При
этом
«
собирательные
функции
»
коллекторного
перехода
никак
не
ухудшатся
.
При
этом
можно
получить
значительную
выходную
мощ
-
ность
,
а
главное
—
усиление
мощности
,
так
как
токи
Э
I
и
K
I
почти
одинаковы
,
а
сопротивление
нагрузки
превышает
сопро
-
тивление
эмиттерного
перехода
.
Чтобы
коллекторный
переход
не
сместился
в
прямом
на
-
правлении
,
должно
выполняться
условие
.
0.
K
K
K
E
I R
−
+
<
Пусть
теперь
коллекторный
переход
смещен
в
обратном
на
-
правлении
,
а
эмиттер
«
оборван
» (
рис
. 4.5,
г
).
Высокий
потенциальный
барьер
коллектора
практически
исключает
уход
дырок
из
коллектора
.
Следовательно
,
ток
через
коллекторный
переход
будет
обусловлен
неуравновешенным
по
-
током
дырок
из
базы
в
коллектор
.
Токи
0
k
I
и
0
Б
I
в
этом
случае
невелики
и
,
конечно
,
равны
друг
другу
.
Экстракция
дырок
из
ба
-
зы
через
коллекторный
переход
создает
отрицательный
градиент
концентрации
их
вдоль
всей
базы
.
В
результате
тот
поток
дырок