Імпульсні діоди з мікросплавним переходом

Діоди з мікросплавним переходом займають проміжне положення між площинними і точковими. Переходи імпульсних діодів отримують шляхом вплавлення на малу глибину тонкого мм алюмінієвого провідника в монокристалічну пластинку кремнію n -типу. Такі діоди мають діаметр переходу в (3÷5) разів більший ніж точкові і мають відповідно більші допустимі струми і кращі зворотні характеристики. Вплавлення відбувається при нижчій ніж при виготовленні сплавних n-p переходів температурі. Для зменшення часу відновлення зворотного опору до рівня нс застосовується термогартування, що дозволяє в разів зменшити час життя незрівноважених носіїв заряду, а також легування напівпровідника золотом. Крім того при легуванні золотом в декілька разів зменшується зворотний струм.

Хороші імпульсні властивості ( нс, декілька пФ) мають імпульсні діоди, які отримують шляхом мікровплавлення в германієву пластину n- типу тонкого золотого провідника (діоди із золотою зв’язкою). Вплавлення здійснюється шляхом подання коротких імпульсів струму. При охолодженні утворюється рекресталізований шар германію р - типу і n-р перехід з властивостями сплавного переходу малої площі. Для зменшення опору рекристалізованого шару в золото додають галій.

 

Імпульсні планарно-епітаксіальні діоди

Планарно-епітаксіальна технологія полягає в дифузії домішок через отвір в захисному шарі, який нанесений на поверхню напівпровідника. Структура планарно-епітаксіального імпульсного діода наведена на рис.3.20. Вихідним матеріалом є пластина кремнію n⁺ -типу з дуже високою питомою електропровідністю, яку легують золотом. На одній з граней пластини нарощують тонкий шар кремнію того ж n -типу провідності тієї ж структури товщиною декілька мікрон, але з більшим питомим опором,, що дозволяє отримати більш високе значення зворотної напруги. Потім шар нанесеного кремнію окисляють і на поверхні отримують плівку окису SiO₂ товщиною (0,5÷1,0) мкм. Після цього методом фотолітографії і травлення в окремих місцях окисної плівки отримують отвори діаметром (50÷200) мкм і переходять до високотемпературної дифузії де дифузантом є бор або алюміній. Атоми домішок проникають через отвори і утворюють шар кремнію р -типу і n - р -перехід. Такий дифузійний перехід, який формується шляхом дифузії через отвір в захисному шарі, який нанесений на поверхню напівпровідника, називається планарним. До підкладу і до області р -типу під’єднують контакти, а окисну плівку покривають шаром низькотемпературного скла. Такі діоди мають велику ділянку прямої ділянки вольт-амперної характеристики з експоненціальною залежністю струму від напруги. Планарні імпульсні діоди мають такі електричні параметри:

 

 

 

Рис.3.20. Структура планарно- епітаксіального імпульсного діода

Діоди Шоткі

 

Це імпульсні діоди в яких використовується випрямляючі властивості на переході метал-напівпровідник. Якщо в місці контакту робота виходу електронів з напівпровідника менша від роботи виходу електронів в металі , то електрони з напівпровідника n -типу будуть переходити з напівпровідника в метал (Рис.3.21) і в приграничній області утвориться зона збіднена основними носіями заряду і тому вона буде мати великий електричний опір. Такий перехід має випрямляючі властивості.

В таких діодах відсутній процес інжекції при прямому ввімкненні і як наслідок відсутній процес нагромадження і розсмоктування зарядів. Інерційність діодів Шоткі зумовлена тільки впливом бар’єрної ємності. Основні електричні параметри діодів Шоткі:

ГГц. При малих струмах в широкому діапазоні струмів (10^-12 ÷ 10^-4) А в діодах Шоткі зберігається експоненціальна залежність між прямим струмом і прямою напругою.В якості металу застосовують: молібден, ніхром, золото і платину.

 

 

Рис.3.21. Діоди Шоткі: а) структура; б) позиційне позначення

Стабілітрони. Як було показано вольт-амперна характеристика напівпровідникових діодів в області електричного пробою має ділянку, яка може бути використана для стабілізації напруги. Така ділянка у кремнієвих площинних діодів відповідає змінам зворотного струму в широких межах. При цьому до настання пробою зворотний струм дуже малий, а в режимі пробою, тобто в режимі стабілізації, він стає такого ж порядку, як і прямий струм. У цей час випускаються виключно кремнієві стабілітрони різних типів. Їх також називають опорними діодами, оскільки стабільне напруги в ряді випадків, що отримується від них використовується як еталонне. На рис.3.22 зображена типова вольт-амперна характеристика стабілітрона при зворотному струмі, з якої видно, що в режимі стабілізації напруги змінюється незначно. Характеристика для прямого струму стабілітрона така ж, як у звичайних діодів.

Кремнієві стабілітрони можуть бути виготовлені на малі напруги (одиниці вольт), а саме такі потрібні для живлення багатьох транзисторних пристроїв.

Розглянемо основні параметри кремнієвих стабілітронів. Напруги стабілізації U_ст може бути приблизно від 5 до 200 В, зміна струму стабілітрона від I_min до I_мах складає десятки і навіть сотні міліампер. Максимальна допустима потужність Р_доп, що розсівається в стабілітроні, від сотень міліват до одиниць ват. Диференціальний опір R_д в режимі стабілізації може бути від десятих часток ома для низьковольтних потужних стабілітронів до 200 Ом для стабілітронів на більш високі напруги. Низьковольтні стабілітрони невеликої потужності мають опір R_д від одиниць до десятків ом. Чим менший R_д, тим краща стабілізація напруги. При ідеальній стабілізації було б R_д = 0. Оскільки R_д є опором для змінному струму, то його не треба плутати зі статичним опором, тобто опором постійному струму R ₀. Опір R ₀ завжди у багато разів більше R_д. Вплив температури оцінюється температурним коефіцієнтом напруги стабілізації ТКН, який характеризує зміну напруги U_ст при зміні температури на один градус,

ТКН = ΔU_СТ / (U_СТΔT).

Температурний коефіцієнт напруги може бути від 10^-5 до 10^-3. Значення U_ст і знак ТКН залежать від питомого опору основного напівпровідника. Стабілітрони на напругу до 7 В виготовляються з кремнію з малим питомим опором, тобто з великою концентрацією домішок. У цих стабілітронах n - р -перехід має малу товщину, в ньому діє поле з високою напруженістю і пробій відбувається головним чином за рахунок тунельний ефекту. При цьому ТКН виходить від’ємний.

Якщо же застосований кремній з меншою концентрацією домішок, то n-р -перехід буде більшої товщини. Його пробій виникає при більш високих напругах і має лавинний механізм. Для таких стабілітронів характерний додатний знак ТКН.

Найпростіша схема застосування стабілітрона показана на рис. 3.23. Навантаження ввімкнене паралельно стабілітрону. Тому в режимі стабілізації, коли напруга на стабілітроні майже стала, така ж напруга буде і на навантаженні. Всі зміни напруги джерела Е при його нестабільності майже повністю поглинаються обмежувальним резистором R_обм.

Найчастіше стабілітрон працює в такому режимі, коли напруга джерела нестабільна, а опір навантаження R_Н сталий. Для встановлення і підтримки правильного режиму стабілізації в цьому випадку опір R_oбм повинен мати певне значення. Звичайно R_обм розраховують для середньої точки (Т) характеристики стабілітрона. Якщо напруги Е змінюється від E_min до Е_мах, то можна R_oбм знайти за наступним виразом

 

R_oбм = (Е_ср - U_cт) / (I_cp + I_н), (3.10)

 

де Е_ср = 0,5 (E_min + E_max) – середнє значення напруги джерела; I_ср = 0,5 (I_min + I_mах) середній струм стабілітрона; I_н = U_cт / R_н струм навантаження.

Якщо напруга Е буде змінюватися в ту або іншу сторону, то буде змінюватися струм стабілітрона, але напруга на ньому, а отже, і на навантаженні буде майже сталою.

Оскільки всі зміни напруги джерела повинні поглинатися обмежуючим резистором, то найбільша зміна цієї напруги, буде рівна E_max - E_min, повинна відповідати найбільшій можливій зміні струму, при якій ще зберігається стабілізація, тобто I_max - I_min. Звідси випливає, що якщо значення E змінюється на ΔЕ, то стабілізація буде здійснюватися тільки при дотриманні умови

ΔЕ < (I_max-I_min) R_обм. (3.11)

Стабілізація в більш широкому діапазоні зміни ΔЕ можлива при збільшенні R_обм. Але з формули (3.18) виходить, що більше значення R_oбм отримуємо при меншому значені I_н, тобто при більшому R_н. Підвищення Е_ср також дає збільшення І_н і коли необхідно отримати стабільну напруги більш низьку, ніж ту, яку забезпечує стабілітрон. Тоді послідовно з навантаженням вмикають додатковий резистор, опір якого легко розрахувати згідно із законом Ома (рис.3.21).

Другий можливий режим стабілізації застосовується в тому випадку, коли Е = const, а R_н змінюється в межах від R_нmin до R_н.mах. Для такого режиму R_o,v можна визначити за середніми значеннями струмів за формулою

 

R_обм = (Е - U_ст)/(I_ср + I_н.ср), (3.12)

 

де I_н.ср = 0,5 (І_н.min + I_н.mах). Причому І_н.min =U_ст / R_{н max} і I_н.тах = U_ст / R_н.min.·

 

Роботу схеми в даному режимі можна пояснити так. Оскільки R_обм сталий і спад напруги на ньому, складає Е - U_cт, буде сталим, то і струм в R_обм, рівний I_ср + I_н.ср, також повинен бути сталим. Але це буде можливе тільки в тому випадку, якщо струм стабілітрона I_ст і струм I_н змінюються на одне і теж значення, але в протилежні сторони. Наприклад, якщо I_н збільшується, то струм I_ст на стільки ж зменшується, а їх сума залишається незмінною.

Для отримання більш високих значень стабільних напруг застосовується послідовне з'єднання стабілітронів, розрахованих на однакові струми (рис.3.24). Внаслідок розкиду характеристик і параметрів у окремих зразків стабілітронів даного типу їх паралельне з'єднання з метою отримання великих значень струмів не рекомендується. Воно допускається тільки при умові, що сумарна потужність, що розсівається на всіх стабілітронах, не перевищує граничної потужності одного стабілітрона.

БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ

4.1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

У числі напівпровідникових приладів, тобто приладів, що служить для перетворення електричних величин, важливе місце займають транзистори. Вони являють собою напівпровідникові прилади, придатні для підсилення потужності і мають три або більше виходи. У транзисторах може бути різне число переходів між областями з різною електропровідністю. Найбільш поширені транзистори з двома n‑р - переходами, звані біполярний, оскільки їх робота основана на використанні носіїв заряду обох знаків. Перші транзистори були точковими, але вони працювали недостатньо стійко. У цей час виготовляються і застосовуються виключно площинні транзистори.

Побудова площинного біполярний транзистора показана схематично на рис.4.1. Він являє собою пластину германію, або кремнію, або іншого напівпровідника, в якій створені три області з різною електропровідністю. Для прикладу взятий транзистор типу n‑р‑n, що має середню область з дірковою, а дві крайні області з електронною електропровідністю. Широко застосовуються також транзистори з електропровідністю типу р‑n‑р, в яких діркову електропровідність мають дві крайні області, а середня має електронну електропровідність.

Середня область транзистора називається базою, одна крайня область ‑ емітером, інша ‑ колектором. Таким чином, в транзисторі є два n-p -переходи: емітерний - між емітером і базою і колекторний між базою і колектором. Віддаль між ними повинна бути дуже малою, не більшою за одиниці мікрометрів, тобто область бази повинна бути дуже тонкою. Це є необхідною умовою роботи транзистора. Крім того, концентрація домішок в базі завжди значно менше, ніж в колекторі і емітері. Від бази, емітера і колектора зроблені виводи.

Для величин, що відносяться до бази, емітера і колектора, застосовують як індекси букви “ б ”, “ е ” і “ к ”. Струми в провідниках бази, емітера і колектора означають відповідно І_б, І_е, І_к. Напругу між електродами позначають подвійними індексами, наприклад напруга між базою і емітером U_{б-е ,} між колектором і базою U_к-б. При умовному графічному позначенні транзисторів р‑n‑р і n‑р‑n провідності стрілка показує умовний (від плюса до мінуса) напрямок струму в провіднику емітера при прямій напрузі на емітерному переході.

В залежності від напруга на його переходах транзистор може працювати в трьох основних режимах. При роботі в активному режимі на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному ‑ зворотна. Режим відсічки, або закриття, досягається подачею зворотної напруги на обидва переходи. Якщо ж на обох переходах напруга пряма, то транзистор працює в режимі насичення. Активний режим є основним. Він використовується в більшості підсилювачів і генераторів. Тому ми детально розглянемо роботу транзистора в активному режимі. Режими відсічки і насичення характерні для імпульсної роботи транзистора і також будуть розглянуті окремо.

У схемах з транзисторами звичайно розглядають два кола. Вхідне, або керуюче, коло служить для керування роботою транзистора. У вихідному, або керованому, колі виходять підсилені коливання. Джерело коливань, які підсилюються вмикаються у вхідне коло, а у вихідне вмикається навантаження. Для величин, що відносяться до вхідного і вихідного ланцюга, застосовують відповідно індекси “ вх ” і “ вих ” або 1 і 2.

4.2. ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ

Розглянемо, як працює біполярний транзистор, для прикладу з електропровідністю типу n‑р‑n, в режимі без навантаження, коли ввімкненні тільки джерела постійного живлення, напруги Е 1 і Е 2 (рис.4.2. а). Полярність їх така, що на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному зворотна. Тому опір емітерного переходу малий і для отримання нормального струму в цьому переході досить напруги E 1 в десяті долі вольта. Опір колекторного переходу великий, і напруга Е 2 звичайно складає одиниці або десятки вольт. З схеми на рис.4.2.а) видно, що напруга між електродами транзистора пов'язана простою залежністю

U_к-е = U_к-б + U_б-е.

При роботі транзистора в активному режимі звичайно завжди U_б-е << U_к-б і, отже, U_к-е = U_к-б.

Вольт-амперна характеристика емітерного переходу являє собою характеристику напівпровідникового діода при прямому струмі (рис.3.2). А вольт-амперна характеристика колекторного переходу подібна до характеристики діода при зворотній напрузі.

Принцип роботи транзистора полягає в тому, що пряма напруга емітерного переходу, тобто ділянки база емітер (U_б-е)_, істотно впливає на струми емітера і колектора: чим більша ця напруга, тим більший струми емітера і колектора. При цьому зміна струму колектора лише трохи менше за зміну струму емітера. Таким чином, напруга U_б-е, тобто вхідна напруга, керує струмом колектора. Підсилення електричних коливань за допомогою транзистора основане саме на цьому явищі. Фізичні процеси в транзисторі відбуваються таким чином. При збільшенні прямої вхідної напруги U_{б-e ,} знижується потенціальний бар'єр на емітерному переході і відповідно зростає струм I_е через цей перехід. Електрони цього струму інжектуються з емітера в базу і завдяки дифузії проникають через базу в колекторний перехід, збільшуючи струм колектора. Оскільки колекторний перехід працює при зворотній напрузі, то в цьому переході виникають об'ємні заряди, які показані на малюнку кружками із знаками “ + ” і “ ‑ ”. Між ними виникає електричне поле. Воно сприяє просуванню (екстракції) через колекторний перехід електронів, що прийшли сюди з емітера, тобто втягують електрони в область колекторного переходу.

Якщо товщина бази досить мала і концентрація дірок в ній невелика, то більшість електронів, пройшовши через базу, не встигає рекомбінувати з дірками бази і досягає колекторного переходу. Лише невелика частина електронів рекомбінує в базі з дірками. Внаслідок рекомбінації виникає струм бази. Дійсно, в сталому режимі число дірок в базі повинне бути незмінним. Внаслідок рекомбінації кожну секунду певна кількість дірок зникає, але стільки ж нових дірок виникає за рахунок того, що з бази йде в напрямі до плюса джерела Е таке ж число електронів. Інакше кажучи, в базі не може нагромаджуватися багато електронів. Якщо деяка кількість інжектованих в базу з емітера електронів не доходить до колектора, а залишається в базі, рекомбінуючи з дірками, то точно така ж кількість електронів повинно вийти з бази у вигляді струму І_б. Оскільки струм колектора виходить меншим струму емітера, то згідно з першим законом Кірхгофа завжди існує наступне співвідношення між струмами в транзисторі:

І_е = І_к + І_б

Струм бази є небажаним і навіть шкідливим явищем. Бажано, щоб він був як можна менший. Звичайно І_б складає малу частку (відсотки) струму емітера, тобто І₆ << І_е а отже, струм колектора лише трохи менший струму емітера і можна вважати . Саме для того, щоб струм І_б був як можна менший, базу роблять дуже тонкою і зменшують в ній концентрацію домішок, яка визначає концентрацію дірок. Тоді менше число електронів буде рекомбінувати в базі з дірками.

Якби база мала значну товщину і концентрація дірок в ній була велика, то значна частина електронів емітерного струму, дифундуючи через базу, рекомбінувала б з дірками і не дійшла б до колекторного переходу. Струм колектора майже не збільшувався б за рахунок електронів емітера, а спостерігалося б лише збільшення струму бази.

Коли до емітерного переходу напруга не прикладене, то практично можна вважати, що в цьому переході немає струму. У цьому випадку область колекторного переходу має великий опір постійному струму, оскільки основні носії зарядів віддаляються від цього переходу і по обидві сторони від границі створюються області, збіднені цими носіями. Через колекторний перехід протікає лише дуже невеликий зворотний струм, викликаний переміщенням назустріч один одному неосновних носіїв, тобто електронів з р -області і дірок з n -області.

Але якщо під дією вхідної напруги виник значний струм емітера, то в область бази зі сторони емітера виникає інжекція електронів, які для даної області є неосновними носіями. Не устигаючи рекомбінувати з дірками при дифузії через базу, вони доходять до колекторного переходу. Чим більше струм емітера, тим більше електронів приходить до колекторного переходу і тим менше стає його опір. Відповідно збільшується струм колектора. Інакше кажучи, із збільшенням струму емітера в базі зростає концентрація неосновних носіїв, які інжектуються з емітера, а чим більше цих носіїв, тим більший струм колекторного переходу, тобто струм колектора.

За прийнятою термінологією, емітером потрібно називати область транзистора, призначенням якої є інжекція носіїв заряду в базу. Колектором називають область, призначенням якої є екстракція носіїв заряду з бази. А базою є область, в яку емітер інжектує неосновні для цієї області носії заряду.

Потрібно зазначити, що емітер і колектор можна поміняти місцями (так званий інверсний режим). Але в транзисторах, як правило, колекторний перехід виготовляють зі значно більшою площею, ніж емітерний, оскільки потужність, що розсіюється на колекторному переході, набагато більша, ніж потужність, яка розсіюється на емітерному переході. Тому якщо використати емітер як колектор, то транзистор буде працювати, але його можна застосовувати тільки при значно меншій потужності, що недоцільно. Якщо площі переходів зроблені однаковими (транзистори в цьому випадку називають симетричними), то будь-яка з крайніх областей може з однаковим успіхом працювати в якості емітера або колектора.

Оскільки в транзисторі струм емітера завжди рівний сумі струмів колектора і бази, то приріст струму емітера також завжди дорівнює сумі приростів колекторного і базового струму:

Важливою властивістю транзистора є приблизно лінійна залежність між його струмами, тобто всі три струми транзистора змінюються майже пропорційно один одному.

Ми розглянули фізичні явища в транзисторі типу n-р-n. Подібні ж процеси відбуваються в транзисторі типу р-n-р, але в ньому міняються ролями електрони і дірки, а також змінюється полярність напруг і напрямки струмів (рис. 4.2.б). В транзисторі типу р-n-р з емітера в базу відбувається інжекція не електронів, а дірок, які є для бази неосновними носіями. Із збільшенням струму емітера більше таких дірок проникає через базу до колекторному переходу. Це спричиняє зменшення його опору і зростання струму колектора.

Роботу транзистора можна наочно представити за допомогою потенціальної діаграми, яка наведена на рис.4.3 для транзистора з електропровідністю типу n-р-n. Цю діаграму зручно використати для створення механічної моделі транзистора. Потенціал емітера прийнятий за нульовою. У емітерному переході є невеликий потенціальний бар'єр. Чим більша напруга U_б-е, тим нижчий цей бар'єр. Колекторний перехід має значну різницю потенціалів, яка прискорює електрони. У механічній моделі кульки, аналогічні електронам, за рахунок своїх власних швидкостей підіймаються на бар'єр, аналогічний емітерному переходу, проходять через область бази, а потім прискорено скочуються з гірки, аналогічної колекторному переходу.

Крім розглянутих основних фізичних процесів в транзисторах доводиться враховувати ще ряд явищ.

Істотно впливає на роботу транзисторів опір бази r_б, тобто опір, який база складає для струму бази І_{б 0} (нуль в індексі тут означає, що дана величина відноситься до постійного струму.) Цей струм протікає до виводу в напрямку, перпендикулярному напрямку емітер-колектор. Оскільки база дуже тонка, то в напрямку від емітера до колектору, тобто для струму І_к, її опір дуже малий і не береться до уваги. А в напрямку до висновку бази опір бази r_б (його називають поперечним) досягає сотень ом, оскільки в цьому напрямі база аналогічна дуже тонкому провіднику. Напруга на емітерному переході завжди менше, ніж напруга U_б-е між виводами бази і емітера, оскільки частина напруга, що підводиться втрачається на опорі бази. З урахуванням опору r_б0 можна зобразити еквівалентну схему транзистора для постійного струму так, як це зроблене на рис.4.4. На цій схемі r_{е 0} опір емітера, в який входять опір емітерного переходу і емітерної області. Значення r_{е 0} в малопотужних транзисторів досягає десятків ом. Це випливає з того, що напруга на емітерному переході не перевищує десятих часток вольта, а струм емітера в таких транзисторах складає одиниці міліампер. У більш потужних транзисторів I_{е 0} більший, а r_{е 0} відповідно менший. Опір r_{е 0} визначається формулою (в омах)

r_{е 0} ≈ 25 / І_{е 0},

де струм І_{е 0} підставляється в міліамперах.

Опір колектора r_{к 0} є практично опором колекторного переходу і складає одиниці і десятки кілоом. У нього входить також опір колекторної області, але він порівняно малий і ним можна нехтувати.

Схема на рис.4.4 є достатньо наближена, оскільки насправді емітер, база і колектор мають між собою контакт не в одній точці, а у безлічі точок по всій площі переходів. Проте ця схема може застосовуватися для розгляду багатьох практичних процесів в транзисторі.

При підвищенні напруги на колекторному переході в ньому відбувається лавинне розмноження носіїв заряду (головним чином в результаті ударної іонізації). Це явище і тунельний ефект здатні викликати електричний пробій, який при зростанні струму може перейти в тепловий пробій переходу. Електричний і тепловий пробої колекторного переходу в транзисторі відбуваються в основному так само, як і в напівпровідниковому діоді. Але в транзисторі при надмірному колекторному струмі може виникати тепловий пробій без попереднього електричного пробою, тобто без підвищення напруга на колекторному переході до пробивної. Це явище, яке пов'язане з перегрівом колекторного переходу в окремій його частині, отримало назву вторинного пробою.

Зміна напруги на колекторному і емітерному переходах супроводжується зміною товщини цих переходів. У результаті змінюється товщина бази. Таке явище називають модуляцією товщини бази. Це явище необхідно враховувати при підвищенні напруга колектор база, оскільки тоді товщина колекторного переходу зростає, а товщина бази зменшується. При дуже тонкій базі може статися ефект змикання (“прокол” бази) з'єднання колекторного переходу з емітерним. У цьому випадку область бази зникає і транзистор перестає нормально працювати.

При збільшенні інжекції носіїв з емітера в базу відбувається нагромадження неосновних носіїв заряду в базі, тобто збільшення концентрації і сумарного заряду цих носіїв. Навпаки, при зменшенні інжекції відбувається зменшення концентрації і сумарного заряду неосновних носіїв у базі. Цей процес називають розсмоктуванням неосновних носіїв заряду в базі.

У ряді випадків необхідно враховувати протікання по поверхні транзистора струмів витоку, що супроводжується рекомбінацією носіїв у поверхневому шарі областей транзистора.

Встановимо співвідношення між струмами в транзисторі. Струм емітера керується напругою на емітерному переході, але до колектора дійде трохи менший струм, який можна назвати керованим колекторним струмом І_к.кер. Частина носіїв, які виникають за рахунок їх інжекції з емітера в базу рекомбінує, тому

І_к.кер =αІ_е,

де α - коефіцієнт передачі струму емітера, що є основним параметром транзистора; при типових значеннях струмів емітера він може приймати значення від 0,950 до 0,998.

По мірі послаблення рекомбінація інжектованих носіїв в базі, значення α прямує до 1. Через колекторний перехід завжди проходить дуже невеликий (не більше за одиниці мікроампер) некерований зворотний струм І_к0 (рис. 4.5), який називають також ще початковим струмом колектора. Він некерований тому, що не проходить через емітерний перехід. Таким чином, повний колекторний струм

І_к = αІ_е + І_{к 0}

У багатьох випадках І_к0 << І_е і можна вважати, що Якщо треба виміряти І_к0, це роблять при обірваному виводі емітера. Дійсно, з формули (4.6), випливає що при І_е = О струм І_к =І_{к 0}.

Перетворюємо вираз (4.6) так щоб отримати залежність струму І_к від струму бази І_б. Замінимо І_е сумою струмів І_к +І_б

І_к = α (І_к + І_б) +І_к0·

Вирішимо це рівняння відносно І_к. Тоді отримаємо

позначимо

, а

і напишемо остаточний вираз

І_к =βІ_б + І _(к-е)0·

Тут β коефіцієнт передачі струму бази і становить декілька десятків. Наприклад, якщо α = 0,95, то

,

а якщо α = 0,99, що означає, що α збільшився на 0,04

,

тобто β збільшився в понад п'ять разів.

Таким чином, незначні зміни α приводять до великих змін β. Коефіцієнт α, так само як і β, відноситься до важливих параметрів транзистора. Якщо відомий α, те можна визначити β за формулою

.

Потрібно відзначити, що коефіцієнт α не є сталим. Він залежить від режиму роботи транзистора, зокрема від струму емітера. При малих і великих струмах α зменшується, а при деякому середньому значенні струму досягає максимуму. У межах робочих значень струму емітера α змінюється порівняно мало.

Коефіцієнт β змінюється в залежності від режиму роботи транзистора набагато більше, ніж коефіцієнт α. При деякому середньому значенні струму емітера коефіцієнт α максимальний, а при менших і великих струмах він знижується, причому іноді в декілька разів.

Струм І_{ке 0} називають початковим наскрізним струмом, оскільки він протікає через весь транзистор (через три його області і через обидва n-р -переходи) в тому випадку, якщо І_б = 0, тобто обірваний вивід бази. Дійсно, з рівняння (4.7) при І_б = 0 отримуємо І_к = І_{ке 0}. Наскрізний струм складає десятки або сотні мікроампер і значно перевершує початковий струм колектора І_к0). Струм I _(к-е)0 = І_{к 0} / (1- α) і, знаючи, що α /(1 - α) = β, неважко знайти
І _(к-е)0 = (β + 1) І_{к 0},а оскільки β >> 1, то

Порівняно велике значення струму І_{ке 0} пояснюється тим, що деяка частина напруга u_к прикладена до емітерного переходу, як пряма напруга. Внаслідок цього зростає струм емітера, а він в цьому випадку і є наскрізним струмом.

При значному підвищенні напруга U_к-е струм I_{ке 0} різко зростає і відбувається електричний пробій. Необхідно зазначити, що, якщо U_к-е не дуже мала, то при обриві кола бази іноді в транзисторі може спостерігатися швидке, лавиноподібне збільшення колектора струму, що приводить до перегріву і виходу транзистора з ладу (при умові, що в колі колектора відсутній резистора, який обмежує зростання струму). У цьому випадку відбувається наступний процес: частина напруга U_к-е, діюча на емітерному переході, збільшує струм I_е і практично рівний йому струм I_к, на колекторний перехід надходить більше носіїв, його опір і напруга на ньому зменшуються, і за рахунок цього зростає напруга на емітерному переході, що приводить до ще більшого зростання струму і т. д. Щоб цього не сталося, при експлуатації транзисторів забороняється розривати коло бази, якщо не вимкнено живлення кола колектора. Треба також спочатку ввімкнути живлення кола бази, а потім живлення кола колектора, але не навпаки.

ХАРАКТЕРИСТИКИ І ПАРАМЕТРИ БІПОЛЯРНИЙ ТРАНЗИСТОРІВ

5.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ

Залежність між струмами і напругами в транзисторах виражається статичними характеристиками транзисторів, знятими при постійному струмі і відсутності навантаження у вихідному колі. Характеристики необхідні для розгляду властивостей транзисторів і для практичних розрахунків транзисторних схем.

У транзисторах взаємно пов'язані завжди чотири величини: I ₁, I ₂, U ₁, U ₂ вхідні і вихідні струми і напруги. Одним сімейством характеристик цю залежність показати не можна. Необхідно два сімейства. Найбільш зручно розглядати сімейство вхідних характеристик
I ₁ = f (U ₁) разом з сімейством вихідних характеристик I ₂= f (U ₂).

Для кожної з трьох схем ввімкнення транзистора існує своє сімейство характеристик. Користуючись характеристиками, треба звертати увагу на те, до якої схеми вони відносяться. Ми розглянемо основні характеристики для найбільш поширених схем із спільним емітером та із загальною базою. Ці характеристики наводяться в довідниках.

Оскільки напруги і струми транзисторів типу p-n-p і n-p-n мають різні знаки, то іноді характеристики будують з урахуванням цього, тобто від’ємні значення напруги і струму відкладаються на осях ліворуч і вниз. Однак зручніше їх відкладати праворуч і вгору в будь-якому випадку. Саме так будуються характеристики, що приводяться далі. А полярність напруги на транзисторі і напрямки струмів у його колах завжди визначаються відповідно типу електропровідності транзистора незалежно від того, як зображені його характеристики.

Вхідні і вихідні характеристики транзистора аналогічні характеристикам напівпровідникового діода. Дійсно, вхідні характеристики відносяться до емітерного переходу, який працює при прямій напрузі. Тому вони аналогічні характеристиці для прямого струму діода. Вихідні характеристики подібні характеристиці для зворотного струму діода, оскільки вони відображають властивості колекторного переходу, працюючого при зворотній напрузі.

Розглянемо передусім характеристики транзистора, ввімкненні його в схемі з спільним емітером (СЕ).

На рис.5.1 зображені вхідні характеристики I_б = f (U_б-е) при постійних вихідних напругах
(U_к-е = const). Характеристика при U_к-е = 0 йде з початку координат, оскільки, якщо всі напруги рівні нулю, немає ніякого струму.

З схеми рис.5.1.б) видно, що при U_к-е = 0, тобто коли колектор і емітер закорочені, то до обох переходів прикладена пряма напруга U_б-е = E ₁. Струм бази при цьому є сумою прямих струмів емітерного і колекторного переходів, але виходить невеликим, оскільки пряма напруга емітерного переходу складає всього лише десяті долі вольта (сотні мілівольт), а поперечний опір бази r_б0 складає сотні Ом.

У транзисторах невеликої потужності струм бази складає десятки або сотні мікроампер. Характеристика, що розглядається подібна звичайній характеристиці для прямого струму напівпровідникового діода. При U_к-е > 0 характеристика зсувається праворуч, струм бази зменшується і при малих U_бе стає від’ємним. Це пояснює рис.5.1.в) на якому показана схема заміщення транзистора з СЕ при U_б-е = 0, тобто при відсутності джерела E ₁ В цьому випадку джерело Е ₂ крім початкового струму емітера i створює ще в колі бази струм i_б.зв зворотного в порівнянні із звичайним струмом бази напрямком. Обидва ці струми, додаючись, утворять початковий струм колектора I_к.п. = I_е + I_б.зв. Потрібно зазначити, що струм r_б.зв створює на опорі бази r_{б 0} невелике падіння напруги, яке є прямим для емітерного переходу і дещо збільшує початковий струм емітера I_еп. Якщо тепер ввімкнути джерело E ₁ і поступово збільшувати його напругу то воно буде діяти в колі бази назустріч джерелу Е ₂. Струм I_б.зв зменшується і при деякому значенні U_б0 (коли дія джерел Е ₁ і E ₂ в колі бази урівноважиться) стане рівним нулю. При подальшому збільшенні U_б-е буде зростати додатний струм бази, що складає, як звичайно, частина струму емітера.

Зменшення струму бази при підвищенні U_к-е відбувається ще і внаслідок явища модуляції товщини бази. Чим вище U_к-е, тим більша напруга на колекторному переході U_к.б. Товщина цього переходу збільшується, а товщина бази зменшується, і тоді в базі рекомбінує менше носіїв, які рухаються від емітера до колектору. Отже, дещо зростає струм I_к і зменшується струм r_б. Однак зміна U_к-е (наприклад, з 1 до 10 В, як показано на рис.5.1. а) мало впливає на струм бази. Вхідні характеристики при різних значеннях u_к-е розташовані дуже близько одна до одної. У довідниках звичайно наводиться лише одна вхідна характеристика для значення, що рекомендується при U_к-е. Іноді дається і характеристика при U_к-е = 0.

Сімейство вихідних характеристик I = f (U_к-е) показане на рис.5.2.а). Як правило, ці характеристики наводяться при різних сталих значеннях струму бази. Це пояснюється тим, що внаслідок порівняно малого вхідного опору транзистора джерело вхідної змінної напруги, що має часто великий внутрішній опір, працює в режимі генератора струму. Таким чином, звичайно буває заданий вхідний струм транзистора і зручно вести розрахунки за допомогою сімейства вихідних характеристик, які зв'язують вихідний струм і напругу з вхідним струмом.

Перша характеристика при I_б =0 виходить з початку координат і дуже нагадує звичайну характеристику для зворотного струму напівпровідникового діода. Умова I_б = 0 відповідає розімкненому колу бази. При цьому через весь транзистор від емітера до колектора проходить відомий нам крізний струм I _(к-е)0 (рис. 5.2. б).

Якщо, I_б > 0, то вихідна характеристика розташована вище, ніж при I_б = 0, і тим вище, чим більший струм I_{б .} Збільшення струму бази означає, що за рахунок підвищення напруги U_6е відповідно збільшився струм емітера, частиною якого є струм I_{б .} Отже, пропорційно зростає і струм колектора. Завдяки лінійній залежності між струмами пологі ділянки сусідніх вихідних характеристик розташовані приблизно на однакових відстанях одна від одної. Однак в деяких транзисторах ця лінійність дещо порушується.

Вихідні характеристики показують, що при збільшенні U_ке, від нуля до невеликих значень (десяті долі вольта) струм колектора різко зростає, а при подальшому збільшенні U_ке характеристики йдуть з невеликим підйомом, що означає порівняно малий вплив напруги U_ке на струм колектора. Дійсно, щоб збільшити I_{к ,} треба збільшити струм емітера, але при підвищенні U _ке відбувається наступне. Внаслідок зменшення товщини бази меншає струм бази, а оскільки характеристики знімаються при умові I_б = const, то для підтримки колишнього значення струму бази доводиться збільшувати напругу U_бе. За рахунок цього дещо зростає I_е а отже, і струм колектора. При збільшенні напруги U_ке збільшується і та його частина, яка прикладена у вигляді прямої напруга до емітерного переходу. Внаслідок цього також зростають струми I_е і I_к.

Характеристики на рис.5.2.а) показують, що чим більший струми I_к, тим раніше, тобто при менших значеннях U_ке наступає електричний пробій. Область пробою, як правило, неробоча область транзистора, за винятком деяких спеціальних типів.

Іноді застосовуються вихідні характеристики I_к = f (U_ке), зняті при різних постійних напругах u_б.-е. Ці характеристики зручні в тому випадку, якщо на вході задана напруга, тобто якщо джерело коливань, що підсилюються має малий внутрішній опір (у багато разів менший вхідного опору транзистора) і, отже, працює в режимі генератора напруга. Сімейство таких характеристик показане на рис.5.3. Їх особливість в тому, що відстань між сусідніми характеристиками різна. При малих U_бе характеристики розташовані ближче одна до одної. Це наслідок нелінійної залежності між струмом I_к і напругою U_бе. Як ми знаємо, струм I_к приблизно пропорційний струму I_{б ,} але струм I_б залежить нелінійно від U_бе що добре видно з вхідної характеристики на (рис.5.1.а). Якщо U_бе = 0, то в колі колектора протікає невеликий початковий струм I_{кп ,} про що вже згадувалося раніше. Значне підвищення U_ке викликає електричний пробій.

Хоч для розрахунку схем з транзисторами досить мати вхідні і вихідні характеристики, іноді користуються ще характеристиками керування залежністю I_к = f (I_б) при U_ке = const (рис.5.4. а) або I_к = f (U_бе) при U_ке = const (рис.5.4.б). Ці характеристики наочно показують, що між струмами I_к і I_б існує залежність, яка близька до лінійної, а залежність I_к від вхідного напруга нелінійна.

Зміна напруга U_ке мало впливає на I_{к ,} і характеристики управління для різних U_ке розташовані дуже близько один до одного. У довідниках наводиться звичайно лише одна крива для деякого середнього значення U_ке. При I_б = 0 протікає невеликий струм колектора, який є відомий нам як наскрізний струм I _(к-е)0, а при U_бе = 0 протікає невеликий початковий струм колектора I_кп.

Між струмами I_к і I_б існує встановлена раніше залежність

I_к =βI_б + I _(к-е)0

Якщо приблизно вважати, що β = const, то вираз (5.1) є рівняння прямої лінії, яка є характеристикою управління на рис.5.4.а). Насправді β не має сталого значення, то ця характеристика має деяку нелінійність.

Крім розглянутих характеристик існують ще характеристики зворотного зв'язку
U_бе = f (U_ке) при I_б = const, які показують зміну напруга на вході транзистора під впливом зміни вихідного напруги при сталому значенні вхідного струму.

У транзисторах завжди існує внутрішній зворотний зв'язок. Це пояснюється впливом поперечного опору бази, явищем модуляції товщини бази, а також тим, що вихідний і вхідний кола електрично з’єднані. Тому частина вихідного напруга завжди прикладена до входу транзистора. Характеристики зворотного зв'язку не застосовують для розрахунків, і ми не будемо їх розглядати. Останнім часом вони навіть не наводяться в довідниках.

Перейдемо до характеристик транзистора, ввімкненого в схемі з СБ.

Вхідні характеристики I_е = f (U_бе) при U_кб = const (рис.5.5) аналогічні характеристиці для прямого струму діода, оскільки струм емітера є саме таким струмом. При U_кб = 0 характеристика йде з початку координат, оскільки струм рівний нулю. А якщо U_кб >0, то характеристика проходить ненабагато вище, тобто виникає струм емітера, і при U_бе = 0 протікає невеликий початковий струм емітера I_еп,. Умова U_бе = 0 відповідає короткому замиканню емітера і бази. Характеристики для різних U_кб розташовані дуже близько одна до одної, і в довідниках звичайно наводиться тільки одна характеристика для деякого значення U_кб. Малий вплив напруга U_кб на струм емітера пояснюється тим, що поле, що створюється напругою U_к.б зосереджено в колекторному переході. Але все ж з збільшенням I_кб струм I_е, дещо зростає, що пояснюється впливом поперечного опору бази r_б0.

З схеми на рис. 5.1, у видно, що при Е ₁ = U_бе = 0 зворотний струм бази I_б.зв створює на опорі r_{б 0} деяку напругу, яка є прямою для емітерного переходу. Тому виникає струм I_еп, і тоді I_еп + I_б.зв = I_{к п}. Із збільшенням U_к.б дещо збільшується струм r_б.зв, отже, зростає напруга на r_{б 0} і струм I_еп. Якщо ж від джерела Е₁ подана така напруга U_бе, що струм I_б змінить свій напрям, то він буде, як звичайний, становити частину струму емітера (див. рис.5.1. б). У цьому випадку на опорі r_{б 0} струм I_б створює напругу, яка діє назустріч напрузі Е ₁ тобто зменшує U_бе. Із збільшенням u_кб зменшується товщина бази, а внаслідок цього зменшується струм I_б і напруга на опорі r_{б о}. У результаті зростає напруга U_бе і струм емітера.

На рис.5.6.а) показане сімейство вихідних характеристик I_к = f (U_кб) при U_е = const. Вони наведені для сталих значень струму І_{е ,} тому що вхідний опір транзистора малий і джерело коливань, що підсилюються звичайно працює як генератор струму, тобто в режимі, близькому до короткого замикання. При I_е = 0 характеристика проходить через початок координат, оскільки без струму I_е і при U_к.б = 0 не може бути і колекторного струму. Це є звичайна характеристика зворотного струму n-р -переходу. Умова I_е = 0 відповідає розімкненому колу емітера, а це означає, що ввімкнений тільки колекторний перехід, до якого прикладена зворотна напруга. У цьому випадку протікає відомий нам початковий струм колектора. При деякому значенні U_к.б починається електричний пробій колекторного переходу і струм колектора різко зростає.

Робочі ділянки вихідних характеристик для різних I_е є практично прямі лінії, що йдуть з дуже невеликим нахилом, що означає малий вплив напруга U_кб на струм колектора. Дійсно, для збільшення струму I_к треба збільшувати струм емітера, щоб з емітера в базу інжектувалося більше носіїв. Але якщо
I_е = const, то колекторний струм при зростанні U_кб збільшується головним чином тільки за рахунок зменшення товщини бази, внаслідок чого в базі знижується рекомбінація інжектованих носіїв з основними носіями бази. Отже, більше інжектованих носіїв досягає колектора, струм I_к збільшується, а струм бази зменшується.

Особливість вихідних характеристик в тому, що при U_кб = 0 і I_е > 0 струм колектора досить великий майже. такий же, як і при U_к.б > 0. Це пояснюється тим, що завдяки опору бази r_{б 0} в даному режимі на колекторному переході є деяка напруга. Вона являє собою напругу, створену на r_{б 0} струмом бази (рис.5.6.б). У багатьох транзисторів вихідні характеристики мають вигляд прямих ліній починаючи від U_к.б = 0. Залежність між струмами I_к і I_е, майже лінійна. Тому вихідні характеристики при однаковій зміні струму I_е розташовуються майже на одній і тій же відстані одна від одної. Чим більший струми, тим швидше і при менших значеннях U_к.б, відбувається перехід в режим електричного пробою.

На рис.5.6.а) штриховими лініями показано, що при зміні знаку напруга U_кб вже при невеликих її значеннях струм колектора різко зменшується, а потім змінює свій напрям і швидко зростає. Це пояснюється тим, що напруга U_кб іншого знаку в порівнянні із звичайним є для колекторного переходу прямою. При збільшенні її на десяті долі вольта спочатку компенсується та невелика напруга, яка (як було пояснено) виникла на колекторнім переході за рахунок спаду напругу від струму I_б на опорі бази. Потім напруга на колекторнім переході стає прямою і струм I_к різко зростає в зворотному напрямі.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Читайте также:

Високочастотні діоди
Високочастотні та імпульсні діоди
Електронні імпульсні НН
Напівпровідникові діоди
НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ
Напівпровідникові діоди
Польові транзистори з керувальним р-п-переходом
СВІТЛОВИПРОМІНЮЮЧІ ДІОДИ
Структура и принцип работы униполярного транзистора с управляющим р-п переходом

Воспользуйтесь поиском по сайту: