Лекция 13 микроэлектроника

6.4. Дифференциальные параметры биполярного транзистора

Рис. 6.36. Линеаризация входных и выходных ВАХ в схеме с ОЭ

Основными величинами, характеризующими параметры биполярного транзистора являются коэффициенты передачи тока эмиттера и базы, сопротивление эмиттерного () и коллекторного () переходов, а также коэффициент обратной связи эмиттер-коллектор ().

Дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера равен:

,

(6.45)

где – эффективность коллектора, – коэффициент инжекции или эффективность эмиттера:

(6.46)

– коэффициент переноса,

.

;α* - эффективность коллектора.

С увеличением постоянного тока эмиттера база транзистора заполняется носителями и эффективность эмиттера падает.

С ростом тока эмиттера величина коэффициента передачи α вначале растет в результате увеличения коэффициента переноса, а затем падает, что объясняется уменьшением коэффициента инжекции эмиттерного перехода γ.

Зависимость коэффициента передачи транзистора от напряжения на коллекторе определяется изменением ширины базы, а также лавинным умножением носителей в ОПЗ коллекторного перехода. Расширение ОПЗ происходит за счет уменьшения ширины базы, при этом коэффициенты γ и увеличиваются, поэтому с увеличением U_к значение α растет. При больших напряжениях электроны и дырки, пересекающие ОПЗ коллекторного перехода, могут вызывать ударную ионизацию, в результате ток коллектора увеличивается.

Коэффициент передачи транзистора с учетом лавинного умножения определяется соотношением , где - коэффициент лавинного умножения в КП, обусловленный ударной ионизацией, где U_пр – пробивное напряжение коллекторного перехода, n – коэффициент, величина которого для германия и кремния колеблется в пределах 3…5, в зависимости от типа проводимости и сопротивления материала (рис. 6.).

Коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером:

,

(6.47)

Зависимости коэффициента передачи тока базы от тока эмиттера и напряжения на коллекторном переходе представлены на рис. 6.24.

Рис. 6.24 Зависимости коэффициента передачи тока базы

Спад β в области малых токов эмиттера (область 1) обусловлен рекомбинацией носителей заряда в ОПЗ эмиттера, а спад в области больших токов (область 3) – уменьшением коэффициента инжекции.

Зависимость β от напряжения на коллекторном переходе обусловлено расширение ОПЗ в область базы (эффектом Эрли), при больших напряжениях дополнительное возрастание β связано с явлением лавинного размножения носителей в ОПЗ коллекторного перехода.

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода определяется по формуле:

.

(6.48)

Оценим значение этого сопротивления в режиме ОБ.

, , ,	(6.49)
.	(6.50)

Пусть I_э=1 мА, Т=300 К, φ_Т=0,026 В, R_э=26 Ом.

Сопротивление эмиттера с ростом тока эмиттера уменьшается по гиперболическому закону. Зависимость от напряжения на коллекторе U_К определяется изменением ширины базы W: с увеличением U_К ширина базы уменьшается. Следовательно, ток эмиттера растет и сопротивление эмиттера падает.

Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода определяется по формуле:

.

(6.51)

обусловлено несколькими причинами: изменением коэффициента переноса, связанное с модуляцией ширины базы W при изменении напряжения коллектора; сопротивление утечки по поверхности и током термической генерации в ОПЗ коллектора.

Дифференциальное сопротивление коллектора в схеме с ОЭ r_кОЭ^*=r_кОБ/(1+β) сопротивление коллектора падает за счет умножения носителей в ОПЗ коллекторного перехода, оно в десятки раз меньше, чем r_кОБ

Коэффициентом обратной связи:

.

(6.54)

Удобство физических параметров заключается в том, что они позволяют наглядно представить влияние конструктивно технологических параметров транзистора на его эксплуатационные характеристики. Так, например, уменьшение степени легирования базы или ее толщины должны приводить к росту r_б и, соответственно, к увеличению обратной связи в транзисторе.

К недостаткам физических параметров следует отнести то, что их нельзя непосредственно измерить и значения для них получают пересчетом из других параметров.

6.4.1 Температурная зависимость параметров биполярных транзисторов

Изменение характеристик транзисторов аналогична изменению характеристик диодов: с ростом температуры увеличивается тепловой потенциал (), следовательно, возрастают токи эмиттера и коллектора.

Параметры полупроводниковых приборов, связанные с удельным сопротивлением, концентрацией, подвижностью и временем жизни носителей меняются при изменении температуры. Это ограничивает температурный диапазон приборов.

Сопротивление базы определяется электропроводностью исходного материала:

(6.55)

где и - проводимость, обусловленная ионизацией атомов основного материала и примеси соответственно, зависимости от температур подвижности и концентраций носителей приводят к тому, что в диапазоне от -60 до + 60 ^оС сопротивление базы транзисторов сначала возрастает, а затем падает.

Дифференциальное сопротивление эмиттера pnp-транзистора определяется соотношением:

.

(6.56)

то есть линейно растет с увеличением температуры. При величинах тока эмиттера, сравнимых с величиной (обратным током эмиттерного перехода при коротком замыкании цепи база-коллектор) зависимость от температуры падает, поскольку ток с ростом температуры увеличивается, что определяется увеличением концентрации неосновных носителей.

Сопротивление коллектора в диапазоне от -50 до + 50 ^оС растет, так как для этого диапазона характерно увеличение подвижности носителей (по механизму рассеяния на ионах примеси).

Коэффициент передачи α с ростом температуры увеличивается, что в первую очередь связано с увеличением диффузионной длины дырок.

Температурная зависимость коэффициента передачи β связана в первую очередь с возрастанием времени жизни неосновных носителей заряда в базе транзистора с ростом температуры. Для большинства биполярных транзисторов коэффициент β увеличивается по степенному закону .

6.5 Работа транзистора в импульсном режиме

Биполярные транзисторы, включенные по схеме с ОЭ, широко используются в качестве ключевого элемента переключающих электронных схем (рис. 6.26) и для усиления импульсных сигналов (рис. 6.27).

При работе в качестве ключа основное назначение транзистора состоит в замыкании и размыкании цепи нагрузки с помощью управляющих входных сигналов. При усилении импульсных сигналов транзистор может работать в режиме малого и большого сигнала.

По аналогии с механическим ключом (контактом) качество транзисторного ключа определяется минимальным падением напряжения на нем в замкнутом состоянии, минимальным током в разомкнутом состоянии, а также скоростью перехода из одного состояния в другое.

Рис. 6.26 Схема использования транзистора в качестве ключа	Рис. 6.27 Области работы транзистора: а - в схеме с ОБ; б - в схеме с ОЭ; I – отсечки; II – активная; III – насыщения; IV – лавинное умножение.

Нагрузка R_н включена в коллекторную цепь, а управляющие импульсы поступают на вход транзистора через сопротивление R_б. В зависимости от сочетания величин и полярности приложенных напряжений рабочая точка транзистора, работающего в ключевом режиме, может находиться в четырех областях: области отсечки I, активной области II, области насыщения III и области лавинного умножения IV. В области I оба перехода заперты (режим отсечки). В области II реализуется режим усиления: эмиттерный переход инжектирует неосновные носители в базу (прямое смещение), а коллекторный переход заперт (обратное смещение). В области III оба перехода оказываются прямо смещенными и инжектируют носители тока в базу. Область IV является областью лавинного умножения.

Если провести на характеристиках линию нагрузки R_н и если U_Б=0 (I_Б=0), то в коллекторе протекает начальный ток I_кэ0 и рабочая точка находится в точке А. Из-за малой величины I_кэ0 можно считать, что коллектор находится под полным напряжением Е_К. Такое состояние ключа называется разомкнутым.

Если увеличить U_Б (I_Б), то рабочая точка перемещается от А по линии R_н в направлении точки К. При некотором значении I_Б рабочая точка совпадает с точкой М. Тогда ток коллектора будет определяться величинами Е_К. и R_н, так как падением напряжения на транзисторе можно пренебречь:. На коллекторе транзистора остается небольшое напряжение, называемое напряжением насыщения. О таком состоянии ключа принято говорить, что транзистор открыт и насыщен, а ключ замкнут.

Схема простейшего усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ, приведена на рис. 6.28.

Рис. 6.28. Усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме ОЭ

Переменное напряжение е_Г воздействует на сквозной поток электронов, движущихся из эмиттера в коллектор. В результате этого воздействия коллекторный ток приобретает переменную составляющую i_К, которая благодаря очень высокой эффективности управления может быть значительной даже при очень маленькой величине е_Г. При протекании тока коллектора через нагрузочный резистор на нем выделяется напряжение, также имеющее переменную составляющую u_вых=i_КR_н. Это выходное переменное напряжение при достаточно большом сопротивлении R_н может значительно превосходить величину входного переменного напряжения u_вх: , где - эквивалентное сопротивление, определяемое параллельным включением выходного сопротивления транзистора и R_К.