Принции действия, основные параметры

При прямом смещении на эмиттере происходит снижение по­тенциального барьера и дырки из области эмиттера диффундируют в область базы (происходит инжекция в базу неосновных носителей за- Ряда), а электроны из области базы в область эмиттера. Так как Удельное сопротивление базы больше, чем эмиттера (концентрация ^пР»месей соответственно меньше), то дырочный поток преобладает ^НаД электронным.

Для количественной оценки электронных и дырочных состав- ^Л5"ощих полного тока используется коэффициент инжекции у, пока­зывающий отношение тока носителей заряда, инжектированных в ба­зу к полному току через р-п- переход:

у=-гЧ-^=:Г'^{где 7}з^=/»^+/» hp + к» к

Дырочная составляющая тока I._ip создается потоком дырок, пе­реходящих в базу. Большинство дырок затем достигает коллектор и вызывает коллекторный ток транзистора I_k. Электронная состав­ляющая /_зп обусловлена движением электронов из базы в эмиттер. Она замыкается по входной цепи через источник напряжения Е_э и не используется полезно: для создания тока в коллекторной цепи.

Таким образом, функция эмиттера сводится к инжекции носите­лей (дырок) в базу. С точки зрения качества эмиттерного перехода необходимо, чтобы /_зп «1_зр. Это достигается превышение в сотни и

тысячи раз концентрации основных носителей заряда в эмиттере по сравнению с концентрацией основных носителей в базе: р_р0»»_(|0.

Обычно у= 0,97... 0.995.

На рис. 7.3 показано распределение потоков носителей заряда в транзисторе.

Процессы в базе определяются поведением дырок, пришедших через эмиттерный переход. Вследствие разности концентраций раз­вивается диффузионное движение дырок в сторону коллектора (т.е. в направлении меньшей концентрации). Дырки, дошедшие до коллек­тора, попадают в электрическое поле обратно смещенного коллек­торного р-я-перехода и экстрагируются (перебрасываются) в область коллектора (процесс экстракции дырок).

База всегда электрически нейтральна, т.е. количество дырок, находящихся в базе, равно количеству электронов. Электроны, ком­пенсирующие избыточный объемный заряд дырок и обеспечивающие электронейтральность, поступают по цепи базы (от источника напря­жения) одновременно с дырками, входящими в слой базы сразу после подключения Е_э и U_Kii, точнее за время диэлектрической р^е"

лаксации т_Е = 10^-12 с. Диэлектрической релаксацией называется рас

сасывание зарядов под действием собственного поля.

В установившемся режиме концентрации электронов и дыр°^к примерно равны. Наличие дырок и электронов в базе приводит к то*

В результате рекомбинации количество дырок, дошедших до коллектора, не будет равно количеству дырок, инжектированных из эмиттера, и, следовательно, дырочная составляющая тока коллектора будет меньше дырочной составляющей тока эмиттера: /_кр < I.

Таким образом, в транзисторной структуре с двумя взаимодей­ствующими переходами происходят четыре основных физических процесса:

- инжекция носителей заряда из эмиттера в базу (и из базы в эмиттер);

- диффузия носителей через базу;

- рекомбинация электронов и дырок в базе;

- экстракция носителей заряда из базы в коллектор.

Для определения количества дырок, перешедших из эмиттера в коллектор, вводится коэффициент переноса дырок в базе к, кото­рый равен отношению дырочной составляющей тока коллектора к Дырочной составляющей тока эмиттера:

к = (к* 0,95-0,995) (7.2)

1 _Эр

_му. что в процессе диффузии некоторая часть дырок рекомбинируют _с электронами.

р п р

Uk6

Рис. 7.3. Движение носителей заряда в транзисторной структуре в активном режиме

Процесс рекомбинации дырок и электронов в базе создает не­достаток электронов, требующихся для компенсации дырок, постоян-

но поступающих в базу из эмиттера. Необходимые электроны посту, пают по цепи базы, создавая базовый ток транзистора: 1_6р. След_0ва,

тельно. разность между дырочными составляющими эмиттерного _и коллекторного токов, представляет собой ток базы, обусловленный рекомбинацией в ней дырок:

I*_p=lkp+^Iep (7.3)

Коллекторный ток, обусловленный дырочной составляющей / связан с током эмиттера коэффициентом передачи тока а:

о ₍₇₄₎

Умножив числитель и знаменательна получаем:

^1кр ^1эр а = —— х —- = ух к

h - lyn + I<ip ^ко

По первому закону Кирхгофа: /, = 1_б + /_л., тогда 7.4. Эффект модуляции толщины базы В установившемся режиме концентрация дырок в базе распре­делена линейно как и в р-н-переходе при W_h «Ь_пф (см. 6.25, «)■ Л" нейному распределению дырок соответствует практически линейна распределение компенсирующих их электронов в базе.

/э h_p

Коэффициент передачи тока а тем ближе к I. чем меньше отли­чаются от 1 коэффициенты у и к.

Наличие коллекторного перехода, включенного в обратном на­правлении, приводит к появлению дополнительной неуправляемой составляющей тока коллектора, обусловленная протеканием обратно­го (теплового) тока /_{А 0}. Поэтому результирующий ток через коллек­торный переход равен:

h + <⁷-⁶> Ток базы равен (см. рис. 7.3) алгебраической сумме элек­тронной составляющей тока эмиттера /,„, рекомбинационной состав­ляющей 1_Лр, и обратного тока коллектора 1_К0:

(7.7)

(7.5)

(7.8)

Ширина электронно-дырочного перехода зависит от напряже­ния приложенного к этому переходу (см. 6.18): / = /₀ ——.

V ^дФо

Так как эмиттерный переход смещен в прямом направлении, его ширина мала и изменение этой ширины при изменении U₃ не имеет существенного значения. Коллекторный переход смещен в обратном направлении и имеет большую ширину. Поэтому изменение ширины перехода при изменении напряжения U_к играет важную роль для ра­боты р-л-р-структуры.

Поскольку коллекторный переход в основном сосредоточен в базе, (как более высокоомной области), то приращения его ширины вызывают практически равные им приращения толщины базы W. В результате получается зависимость: W - f(Uкоторую называют модуляцией толщины базы или эффектом Эрли.

Эффект модуляции толщины базы оказывает влияние на работу р-л-р-структуры следующим образом:

1) Изменение толщины базы влияет на ту долю инжектирован­ных носителей заряда (дырок), которая доходит до коллектора, избе­жав рекомбинации. Чем меньше толщина базы, тем больше эта доля, т.е. при неизменном токе эмиттера /, модуляция толщины базы при­водит к изменениям тока коллектора I_к.

Следовательно: коэффициент передачи эмиттерного тока а яв­ляется функцией коллекторного напряжения: а = f(U_K)\ коллек­торный переход имеет конечное дифференциальное сопротивление

^ГКпиф •

2) Заряд избыточных носителей пропорционален площади под ли­нией их распределения Ар„(х). Очевидно, заряд дырок пропорциона­лен толщине базы и току эмиттера /_э, определяющему наклон линии

(5.6): j_рдф — —(] ■ Df,| ~ j.

Модуляция толщины базы сопровождается изменением заряда ^дырок в базе, т.е. имеет место зависимость заряда в базе от коллек­торного напряжения:Q = f(U_kli), следовательно, коллекторный пере­вод обладает диффузионной емкостью дополнительно к обычной верной.

3) Модуляция толщины базы меняет время диффузии дырок чер^ базу, тем самым напряжение на коллекторе влияет на частотны_е свойства транзисторной структуры.

э б к

4) Увеличение по модулю напряжения t/_A- ведёт к уменьшению толщины базы на величину dW_Ki (рис. 7.4). Это приводит к увеличе­нию градиента концентрации дырок в базе: gradLP = ■ Поскольку движение дырок в базе (ток) носит диффузионный характер, то со­гласно уравнению диффузии I₃=J_pM -S = -q-S-Dy^j^j.

Следовательно, при изменении напряжения на коллекторе U_K происходит изменение тока эмиттера /_?, что, в свою очередь ведет к изменению напряжения на эмиттере U₃.

Другими словами: в транзисторной структуре с двумя взаимо­действующими переходами существует внутренняя обратная связь по напряжению.

5) Пробой перехода может происходить не только в результате лавинной ионизации, но и в результате сужения базы ввиду модуля­ции её толщины. Если коллекторный переход расширится настолько, что ширина базы сделается равной нулю, то переходы транзистора сомкнутся, и ток будет беспрепятственно проходить из эмиттера в коллектор, т.е. наступит пробой. Такой эффект называют эффектом смыкания.

---

Дата добавления: 2015-11-26