- •Твердотільна електроніка
- •Передмова
- •1 Елементи фізики напівпровідників та електронно-діркових переходів
- •1.1 Загальні відомості про напівпровідники
- •1.1.1 Власна електропровідність напівпровідників
- •1.1.2 Електронна провідність напівпровідників
- •1.1.3 Діркова провідність напівпровідників
- •1.1.4 Рекомбінація носіїв заряду та тривалість їх життя
- •1.1.5 Види струмів у напівпровідниках
- •1.2 Електронно - дірковий перехід та фізичні процеси в ньому
- •Пряме включення переходу
- •Зворотне включення переходу
- •1.2.4 Теоретична вольт-амперна характеристика
- •1.2.5 Параметри переходу
- •Товщина переходу
- •Ємності переходу
- •1.2.6 Реальна вах переходу
- •Пряма гілка вах
- •Зворотна гілка вах
- •1.3 Різновиди електричних переходів та контактів
- •1.3.1 Гетеропереходи
- •1.3.4 Контакти металу з напівпровідниками
- •1.3.5 Омічні контакти
- •2 Напівпровідникові діоди
- •2.1 Класифікація та система позначень діодів
- •2.2 Випрямні діоди
- •Параметри випрямних діодів
- •2.3 Напівпровідникові стабілітрони
- •2.4 Універсальні діоди
- •2.5 Імпульсні діоди та перехідні процеси в них
- •2.6 Тунельні та обернені діоди
- •2.7 Варикапи
- •2.8 Діоди Шотткі
- •3 Біполярні транзистори
- •3.1 Будова та принцип дії біполярних транзисторів
- •3.1.1 Загальні відомості про біполярні транзистори
- •Класифікація транзисторів
- •Система позначень бт
- •Будова сплавних транзисторів
- •3.1.2 Способи вмикання й режими роботи біполярних транзисторів
- •3.1.3 Принцип дії біполярного транзистора в активному режимі
- •3.1.4 Вплив конструкції та режиму роботи транзистора на h21б
- •3.1.5 Схема вмикання транзистора зі спільним емітером та спільним колектором
- •3.1.6 Модель Еберса-Молла
- •3.2 Статичні характеристики і параметри біполярних транзисторів
- •3.2.1 Статичні характеристики біполярного транзистора у схемі зі спільною базою
- •Вхідні характеристики
- •Вихідні характеристики
- •Характеристики прямої передачі
- •Характеристики зворотного зв’язку
- •3.2.2 Статичні характеристики біполярного транзистора у схемі зі спільним емітером
- •Вхідні характеристики
- •Вихідні характеристики
- •Характеристики прямої передачі
- •Характеристики зворотного зв’язку
- •3.2.3 Статичні характеристики біполярного транзистора у схемі зі спільним коллектором
- •3.2.4 Вплив температури на статичні характеристики транзисторів
- •3.2.5 Граничні режими транзистора
- •Пробої транзистора
- •Максимально допустима потужність, що розсіюється колектором
- •3.2.6 Диференціальні параметри біполярного транзистора
- •Зв'язок між h-параметрами для різних схем увімкнення бт
- •3.2.7 Фізичні параметри та еквівалентні схеми біполярних транзисторів
- •3.3 Робота біполярного транзистора у динамічному режимі
- •3.3.1 Принцип дії підсилювального каскаду на біполярному транзисторі
- •3.3.2 Способи забезпечення режиму спокою транзисторного каскаду
- •Емітерному колі
- •Оцінка транзисторних каскадів з точки зору температурної нестабільності
- •3.3.3 Динамічні характеристики біполярного транзистора та їх використання
- •Вихідна навантажувальна характеристика
- •Вхідна навантажувальна характеристика
- •Параметри режиму підсилення та їх розрахунок за динамічними характеристиками транзисторного каскаду
- •3.3.4 Частотні властивості біполярних транзисторів
- •Вплив ємностей переходів і розподіленого опору бази на частотні властивості транзистора
- •3.3.5 Робота біполярного транзистора у ключовому режимі
- •3.4 Деякі різновиди біполярних транзисторів
- •3.4.1 Одноперехідний транзистор
- •3.4.2 Високочастотні малопотужні транзистори
- •3.4.3 Потужні транзистори
- •4 Польові транзистори
- •4.1 Польові транзистори з керувальним переходом
- •Статичні вхідні характеристики
- •Статичні прохідні (стокозатворні) характеристики
- •Статичні вихідні (стокові) характеристики
- •Диференціальні параметри польових транзисторів
- •4.2 Польові транзистори з ізольованим затвором (мдн - транзистори)
- •4.2.1 Ефект поля
- •4.3 Залежність характеристик і параметрів польових транзисторів від температури
- •4.4 Динамічний режим роботи польових транзисторів
- •4.4.1 Каскад на польовому транзисторі: розрахунок у статиці та динаміці
- •4.4.2 Частотні властивості польових транзисторів
- •4.5 Потужні польові транзистори
- •Потужні мдн – транзистори
- •Транзистори зі статичною індукцією
- •4.6 Польові прилади із зарядовим зв’язком
- •5 Тиристори
- •5.1 Будова, принцип дії та режими роботи тиристора
- •5.1.1 Загальні відомості
- •5.1.2 Диністорний режим
- •5.1.3 Триністорний режим
- •5.1.4 Симістори
- •5.2 Способи комутації тиристорів
- •5.2.1 Увімкнення тиристорів
- •Увімкнення за допомогою струму керування
- •Увімкнення тиристора за допомогою імпульсу анодної напруги
- •5.2.2 Вимкнення тиристорів
- •Вимкнення за допомогою подачі напруги на керувальний електрод (за допомогою струму керування)
- •5.3 Біполярні транзистори з ізольованим затвором
- •6 Оптоелектронні напівпровідникові прилади
- •6.1 Загальні відомості
- •6.2 Випромінювальні діоди
- •6.3 Напівпровідникові фотоприймачі
- •6.3.1 Фоторезистори
- •6.3.2 Фотодіоди
- •6.3.3 Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням
- •6.4 Оптрони та їх застосування
- •7 Основи мікроелектроніки
- •7.1 Основні поняття і визначення
- •Історична довідка
- •7.2 Гібридні інтегральні схеми
- •7.3 Напівпровідникові інтегральні схеми
- •7.3.1 Технологія
- •Планарно-дифузійна технологія виготовлення біполярних напівпровідникових інтегральних схем
- •7.3.2 Технологія виготовлення інтегральних
- •Ізоляція
- •7.3.3 Біполярні транзистори
- •Багатоемітерні транзистори
- •Супербета - транзистори
- •Біполярні транзистори з бар'єром Шотткі
- •7.3.4 Мон (мдн)- транзистори
- •7.3.6 Резистори
- •7.3.7 Конденсатори
- •7.4 Інтегральні схеми з інжекційним живленням
- •Позначення основних величин
- •Список літератури
- •1.1.4 Рекомбінація носіїв заряду та тривалість їх життя 11
- •1.2.4 Теоретична вольт-амперна характеристика p-nпереходу 28
- •1.2.5 Параметри переходу 30
- •3 Біполярні транзистори 69
- •3.1 Будова та принцип дії біполярних транзисторів 69
- •3.1.1 Загальні відомості про біполярні транзистори 69
- •6 Оптоелектронні напівпровідникові
- •Твердотільна електронікА
3.1.3 Принцип дії біполярного транзистора в активному режимі
Принцип дії БТ розглянемо на прикладі схеми зі спільною базою (ССБ), яку показано на рисунку 3.4.
Рисунок 3.4 – Струми в БТ, що працює в активному режимі
На рисунку суцільними стрілками показано діркові струми, або ж умовно прийняті (від “+” до “-”) напрями електронних струмів у - областях, пунктирними стрілками – електронні струми в базі.
При полярності напруги , що показано на рисунку 3.4, дірки з емітера інжектують у базу, а електрони – з бази в емітер, оскільки ЕП увімкнено в прямому напрямі. Через ЕП протікають емітерні струми: дірковийта електронний. Отже, в зовнішньому колі протікає емітерний струм
. (3.1)
Співвідношення між складовими струму оцінюється коефіцієнтом інжекції
. (3.2)
Внаслідок інжекції концентрація дірок у базі біля ЕП підвищується до величини , яку можна визначити за формулою (1.19):
, (3.3)
де - концентрація дірок у базі в стані рівноваги.
Розглянемо розподіл концентрації неосновних носіїв (дірок) у базі в цьому режимі. Протяжність бази позначимо координатою х, тоді границя ЕП відповідає випадку , а границя КП –. Приконцентрація дірок визначається за формулою (3.3). Концентрацію дірок у базі біля КП () визначають за виразом
. (3.4)
Розподіл неосновних носіїв у базі транзистора в установленому режимі визначають за допомогою рівняння неперервності:
, (3.5)
розв’язок якого за граничних умов (3.3) та (3.4) при має вигляд
. (3.6)
З формули (3.6) випливає, що градієнт концентрації неосновних носіїв у базі є величиною сталою відносно координати х, тобто розподіл концентрації дірок у базі має лінійний характер (рис. 3.5).
Рисунок 3.5 – Розподіл концентрації дірок у базі БТ в активному режимі
З цього рисунка та формул (3.3) і (3.6) бачимо, що градієнт концентрації дірок змінюється при зміні напруги . Під дією цього градієнта дірки дифундують через базу від емітера до колектора. Частина дірок, не досягши КП, рекомбінує в області бази з електронами. На місце електронів, що рекомбінували, від джереланадходять нові електрони, створюючи рекомбінаційну складову струму бази.
Дірки, що досягли КП, створюють колекторний дірковий струм , причому внаслідок рекомбінації в базі. Процес перенесення неосновних носіїв через базу під дією градієнта концентрації характеризується коефіцієнтом перенесення:
, (3.7)
який оцінює міру зменшення колекторного діркового струму стосовно емітерного струму.
Дірки, досягши КП, який увімкнено у зворотному напрямі, потрапляють у його прискорювальне поле і перекидаються (екстрагуються) в - область колектора. Екстракція дірок може супроводжуватись ударною іонізацією атомів НП і, як наслідок, лавинним множенням носіїв (при великій зворотній напрузі ). Дірки, що потрапили в колектор внаслідок екстракції (при малих) або ударної іонізації, порушують електричну нейтральність- області, і це викликає приплив електронів від джерела, тобто протікання в зовнішньому колі колектора струму. Процес помноження носіїв у КП оцінюється коефіцієнтом помноження колекторного струму
. (3.8)
Важливо запам’ятати, що за нормальної роботи БТ , і струмназивається керованим колектором струмом. Ця назва зумовлена тим, що чим більше дірок інжектуються емітером у базу, тим їх більша кількість екстрагує до колектора. Отже, струмпропорційний до емітерного струму:
, (3.9)
де - статичний коефіцієнт передачі струму емітера. Оскільки, то.
З формули (3.9) випливає найважливіша властивість БТ: керування вихідним струмом можливе при зміні струму вхідного. У формулі (3.9) вважається, що , тому що електронний струммалий внаслідок слабкої легованості бази.
При деяких напругах на КП , коли в переході виникає явище пробою, коефіцієнт М зростає () і струмбуде некерованим.
Через ввімкнений у зворотному напрямі КП протікає дрейфовий струм неосновних носіїв, який називається зворотним струмом колектора . Цей струм проходить від “+” джерелачерез базу, КП, колектор до “-”. Оскільки напрям цього струму збігається з напрямом керованого колекторного струму, то можна записати для повного колекторного струму БТ у схемі зі спільною базою в активному режимі
, (3.10)
де - некерована складова колекторного струму в ССБ.
З рисунка 3.4 випливає, що загальний струм бази дорівнює
. (3.11)
Струм емітера для транзистора можна знайти, враховуючи, що він має складові та. Додавши і віднявши величину, одержимо
. (3.12)
Враховуючи формули (3.10) та (3.11), з (3.12) нарешті одержимо вираз першого закону Кірхгофа для струмів електродів БТ у довільній схемі ввімкнення:
. (3.13)
З рівнянь (3.13) та (3.10) випливає
. (3.14)
Порівнюючи формули (3.11) та (3.14), можна зробити висновок, що рекомбінаційна складова струму бази
. (3.15)
В активному режимі , тобто напрям базового струму визначається рекомбінаційною складовою.