1. Полупроводниковые диоды, принцип действия, характеристики полупроводниковый диод

• Название: 1. Полупроводниковые диоды, принцип действия, характеристики полупроводниковый диод
• Анкор: EiMST.doc
• Дата: 01.03.2018
• Размер: 1.54 Mb.
• Имя файла: EiMST.doc
• Тип: Документы; #16057
• страница: 2 из 3

Коэффициент инжекции:

Рассмотрим более подробно выражение для коэффициента переноса, для этого проанализируем компоненты эмиттерного тока как показано на диаграмме.

Диаграмма:



Для анализа коэффициента инжекции γ заменим приращение токов dJ_э, dJ_к на их значения J_э, J_к. Выразим эмиттерный ток J_э как сумму электронной Jэn и дырочной J_эp компонент J_э = J_эp + J_эn. Воспользуемся ранее полученными выражениями для компонент тока J_эp и J_эn:



Получаем для коэффициента инжекции



Из полученного соотношения следует, что для эффективной работы биполярного транзистора p-n-p типа ток эмиттера J_э должен быть в основном дырочным (J_эp). По этой причине эмиттер биполярного транзистора должен быть легирован существенно сильнее по отношению к уровню легирования базы (N_АЭ>>N_ДБ).

Коэффициент переноса:

Коэффициент передачи эмиттерного тока α характеризует изменение коллекторного тока I_к при вызвавшем его изменении эмиттерного тока I_э.

Ток коллектора обусловлен дырками, дошедшими от эмиттерного перехода до коллекторного. Поэтому важна доля дырок, дошедших до коллекторного перехода и нерекомбинировавших в базе и доля дырочного тока в эмиттерном токе.

   (5.9)

Зависимость коэффициента инжекции γ от параметров биполярного транзистора была получена ранее. Рассмотрим зависимость коэффициента переноса κ от параметров биполярного транзистора.

Из уравнения непрерывности

   (5.10)

следует, что в стационарном режиме

   (5.11)

Решение дифференциального уравнения (5.11) в общем виде будет иметь следующий вид:

   (5.12)

Запишем граничные условия для (4.11) исходя из того, что задан эмиттерный ток J_эр = γ · J_э и коллекторное напряжение U_к.

   (5.13)

   (5.14)

Найдем коэффициенты А₁ и А₂.

Продифференцировав уравнение в решении (5.12) по x получаем



с учетом граничных условий (5.13) имеем

(5.15а)

с учетом граничных условий (1.15а) имеем

   (5.15б)

Решая совместно уравнения (4.15), находим коэффициенты A₁ и A₂. Затем подставляем A₁ и A₂ в уравнение (4.12) и получаем следующее выражение для распределения концентрации инжектированных дырок р_n(х) по базе биполярного транзистора

   (5.16)

Последний сомножитель в квадратных скобках уравнения (5.16) всегда меньше единицы.

Наконец, разложив гиперболический синус sh(x) и гиперболический косинус ch(х) в ряд при условии x < W << L_р, получаем закон распределения дырок р_n(х) по базе биполярного транзистора в первом приближении

   (5.17)

Выражение (5.17) показывает, что в первом приближении распределение дырок р_n(х) по толщине базы линейно. Этот вывод понятен и по физическим соображениям. Поскольку ток в базовой области диффузионный и примерно постоянен по ширине базы (так как рекомбинация мала), поэтому постоянен градиент концентрации дырок dp/dx ≈ const.

Так как коэффициент переноса



то



Для того, чтобы точно определить коллекторный ток J_к, продифференцируем уравнение (5.16) для концентрации дырок р(х) и рассчитаем это выражение при х = W. Тогда

   (5.18)

Умножив (5.18) на qDS, получаем с учетом того, что гиперболический  стремится к единице,

   (5.19)

Следовательно, коэффициент переноса κ имеет вид:

   (5.20)

Уравнение (5.20) является очень важным соотношением для биполярных транзисторов и по этой причине называется фундаментальным уравнением теории транзисторов.

Разлагая гиперболический косинус ch(x) в ряд при условии, что x < W, и используя первый член в этом разложении, получаем:

   (5.21)

Полагая значение W = 0,2L, получаем:



Таким образом, значение коэффициента переноса κ будет составлять величину, близкую к единице (отличие не более 2%) при условии, что ширина базы биполярного транзистора W по крайней мере в 5 раз меньше, чем диффузионная длина.

Поскольку коэффициент передачи α определяется произведением коэффициентов инжекции γ и переноса κ как α = γ·κ, то у сплавных транзисторов, где ширина базы составляет W = 10÷20 мкм, в коэффициенте передачи α главную роль играет коэффициент переноса κ. У диффузионных транзисторов ширина базы равняется W = (1÷2) мкм и главную роль в коэффициенте передачи α играет коэффициент инжекции γ.

Коэффициент передачи тока:

Входные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером представляют собой зависимость тока базы от напряжения  при ;

Ток коллектора равен: Iк= Iкбо + h21БIэ

Исключив ток эмиттера, получим:

Iк= Iкбо / (1+ h21Б) – h21Б / (1+ h21Б)*IБ (5.4)

Первый член называется обратным током коллектор – эмиттер при токе базы =0, т. е. разомкнутой базе.Этот ток обозначают Iкэо. Таким образом:

Iкэо = Iкбо / (1+ h21Б) (5.5)

Так как коофичент h21Б отрицателен, а по абсолютной величине очень близок к единице и может достигать 0,980 - 0,995, ток Iкэо в 50-200 раз больше тока Iкбо.

Множитель при втором члене в уравнении (5.4) является коофицинтом передачи тока в схеме с ОЭ в режиме больших сигналов:

h21Э =- h21Б /(1+ h21Б) (5.6)

Выразим коофицент h21Б через токи Iк, Iэ, и IкБо:

h21Б =-( Iк – IкБо )/ Iэ (5.7)

Подставив это выражение в уравнение (5.6), получим:

h21Э =( Iк – IкБо)/( IБ + IкБо) (5.8)

Когда ток коллектора Iк велик по сравнению с током IкБо,

h21Э H Iк / IБ (5.9)

В реальном транзисторе добавляются токи утечки и термотоки пе­реходов, поэтому обратный ток базы закрытого транзистора

 (5.10)

Входные характеристики транзистора показаны на рис. 5-5. При обратном напряжении базы и коллектора, т. е. в закры­том транзисторе, согласно выражению (5.10), ток базы  является в основном собственным током коллекторного перехода . Поэтому при уменьшении обратного напряжения базы до нуля ток базы сохра­няет свою величину: .

При подаче прямого напряжения на базу открывается эмиттерный переход и в цепи базы появляется рекомбинационная составляющая тока . Ток базы в этом режиме в соответствии с выражением ; при увеличении прямого напряжения он уменьшается вначале до нуля, а затем изменяет направление и возра­стает почти экспоненциально.



Когда на коллектор подано большое обратное напряжение, оно ока­зывает незначительное влияние на неимоверно входные характеристики транзи­стора. Как видно из рис. 5-5, при увеличении обратного напряжения коллектора входная характеристика лишь слегка смещается вниз, что объясняется увеличением тока поверхностной проводимости коллек­торного перехода и термотока.

При напряжении коллектора, истинно равном нулю, ток во, в самом деле, входной цепи значительно возрастает по сравнению с весьма рабочим режимом ,потому что действительно прямой ток базы в, в действительности, данном случае проходит через два па­раллельно включенных перехода- коллекторный и эмиттерный. В сильно целом уравнение (5.12) достаточно точно описывает неимоверно входные харак­теристики транзистора в схеме с очень общим эмиттером, но для кремниевых транзисторов лучшее совпадение получается, если

.

7. Биполярные транзисторы, ВАХ транзистора включенного по схеме с общей базой:



Входные ВАХ транзистора с общей базой:



Входные характеристики здесь в значительной степени определяются характеристикой открытого эмиттерного p - n-перехода, поэтому они аналогичны ВАХ диода, смещенного в прямом направлении. Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения u_КБ обусловлен так называемым эффектом Эрли (эффектом модуляции толщины базы), заключающимся в том, что при увеличении обратного напряжения u_КБ коллекторный переход расширяется, причем в основном за счет базы. При этом толщина базы как бы уменьшается, уменьшается ее сопротивление, что приводит к уменьшению падения напряжения u_БЭ при неизменном входном токе.

Выходные ВАХ транзистора с общей базой:



Из рисунка видно, что ток коллектора становится равным нулю только при u_КБ < 0, то есть только тогда, когда коллекторный переход смещен в прямом направлении. При этом начинается инжекция электронов из коллектора в базу. Эта инжекция компенсирует переход из базы в коллектор электронов эмиттера. Данный режим называют режимом насыщения. Линии в области u_КБ < 0, называются линиями насыщения. Ток коллектора становится равным нулю при u_КБ < -0,75 В. При u_КБ >0 и токе эмиттера, равном нулю, транзистор находится в режиме отсечки, который характеризуется очень малым выходным током, равным обратному току коллектора I_К0, то есть график ВАХ, соответствующий i_Э = 0, практически сливается с осью напряжений.

8. Биполярные транзисторы, ВАХ транзистора включенного по схеме с общим эмиттером:



Входные ВАХ транзистора с общим эмиттером:



Выходные ВАХ транзистора с общим эмиттером:




Проанализируем, почему малые изменения тока базы I_б вызывают значительные изменения коллекторного тока I_к. Значение коэффициента β, существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.

Увеличение базового тока в два раза (должны прорекомбинировать две дырки) вызовет в два раза большую инжекцию через эмиттерный переход (должно инжектироваться 200 дырок) и соответственно экстракцию через коллекторный (экстрагируется 198 дырок). Таким образом, малое изменение базового тока, например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА.

9. Особенности применения полевых и биполярных транзисторов. Схема Дарлингтона:

Особенности применения полевых транзисторов:

Есть область, для которой полевые транзисторы подходят практически идеально. Это силовые устройства, где необходимо замыкать и размыкать силовые цепи постоянного тока. Это импульсные источники питания, регуляторы мощности потребителей постоянного тока, автоматика.

Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление постоянному току, что является неоспоримым преимуществом при относительно редком переключении. Расход энергии на управление полевиком в этом случае минимален. Если переключаться надо часто, то в дело вступают емкости затвор - исток и затвор - сток. На их зарядку нужно тратить энергию. Так что по мере роста частоты переключений расход энергии растет, и у полевого транзистора появляются конкуренты, например, биполярные. Но есть еще одно ключевое преимущество - отрицательный температурный коэффициент при большом токе нагрузки. Этот эффект проявляется в том, что по мере нагрева при большом токе стока сопротивление полевого транзистора нарастает. С одной стороны это позволяет соединять полевые транзисторы параллельно без всяких проблем. Токи в них быстро выравниваются самостоятельно, без всякого нашего участия. С другой стороны цельный мощный полевой транзистор можно представить, как соединенные параллельно маломощные (такие полосочки токопроводящего канала полевика). Сила тока в этих полосочках при прогреве выравнивается, так что полевой транзистор проводит ток по всему сечению канала равномерно. Это обуславливает способность полевых транзисторов работать при больших токах. Например, биполярный транзистор имеет положительный температурный коэффициент. Если в какой-то части кристалла появляется большая проводимость, чем вокруг, то это место прогревается сильнее, туда устремляется все больший ток. Итак до прогорания.

Полевые транзисторы с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включении транзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядов статического электричества. Необходимую пайку производить на заземленном металлическом листе, заземлить жало паяльника, а так же руки монтажника при помощи специального металлического браслета. Не следует применять одежду из синтетических тканей. Целесообразно подсоединять полевой транзистор к схеме, предварительно закоротив его выводы.

Особенности применения биполярных транзисторов:

Основная области применения Биполярных транзисторов, как дискретных, так и в составе ИС,— генерирование, усиление или преобразование электрических сигналов. К оснновным параметрам Биполярных транзисторов относят коэффициент передачи по току (от нескольких единиц до нескольких сотен), граничную частоту (от сотен кГц до 8—10 ГГц), отдаваемую мощность (от мВт до сотен Вт), коэффициент шума (в малошумящих Б. т. 1,5—2,0 дБ), время переключения (от сотен пс для транзисторов-элементов СБИС до десятков мкс), а также предельные параметры эксплуатации: максимально допустимые значения напряжений коллектор — база (коллектор — эмиттер) и эмиттер — база, тока коллектора, допустимой мощности рассеяния. Максимально допустимые значения токов в Биполярных транзисторах лежат в пределах от десятков мкА до сотен А, напряжений коллектора — от нескольких В (в ИС) до нескольких кВ, допустимая мощность рассеяния — от единиц мкВт (в составе ИС) до 1 кВт и более.

В Биполярном транзисторе режим работы определяется полярностью напряжений, прикладываемых к эмиттерному и коллекторному переходам. Если к выводам коллектора и базы или коллектора и эмиттера прикладывают напряжение такой полярности, что коллекторный переход смещается в обратном направлении, то при прямом смещении на эмиттерном переходе Биполярного транзистора находится в активном режиме, или режиме усиления, а при обратном смещении — в режиме отсечки. При прямом смещении на обоих переходах Биполярного транзистора находится в режиме насыщения. В активном режиме из эмиттерной области Биполярного транзистора в базовую область инжектируются неосновные носители заряда, которые, частично рекомбинируя, переносятся к коллекторному переходу и через коллекторную область попадают в коллекторный вывод, образуя ток коллектора. Базовый ток во много раз меньше эмиттерного (и коллекторного токов и равен их разности. Напряжением, прикладываемым к эмиттерному переходу, регулируют количество неосновных носителей заряда, инжектируемых в базовую область, т. е. протекающий через Биполярный транзистор ток. При прямом смещении эмиттерного перехода токи через транзистор также могут сохранять малые значения, пока приложенное напряжение не превышает порогового значения (для кремниевых транзисторов около 0,6 В; для германиевых — около 0,3 В).