ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.04.2024
Просмотров: 46
Скачиваний: 0
и электронов в p-слой, поэтому ток проводи мости состоит из неосновных носителей, а ток диффузии — из основных, тепловой энергии которых достаточно для преодоления потен циального барьера перехода.
Токи проводимости и диффузии противопо ложны по направлению и, как следует из усло вия нейтральности, —IS— ID. Зависимость этих токов от напряжения на переходе различна. Небольшого смещения (десятых долей воль та) достаточно для того, чтобы образовавшее ся поле втянуло все электроны и дырки непо средственно у перехода. В дальнейшем при увеличении поля в переходе линейно возра стает скорость переброса носителей через пе реход. Но само количество носителей, прохо дящих через переход за секунду, возрасти не может, так как концентрация носителей и тепловая скорость — скорость диффузии Dp или Dn, с которой они поступают к переходу, для постоянной температуры постоянны (табл. 1). В германии ток проводимости достигает насыщения и остается неизменным вплоть до пробивного напряжения на переходе.
Ток проводимости
= ( !)
где q — заряд электрона.
Время «жизни» дырок хР (или электронов тп) определяется количеством носителей про тивоположного знака и рекомбинационных центров (нарушений в кристаллической решет ке— дислокаций и примесей),
11
Зависимость тока диффузии от напряже^ ния носит экспоненциальный характер:
gU
Id = h e kT.
Полный ток / через переход составит
qU |
|
/ = ls (ekT — 1). |
(2) |
Таблица 1
Основные параметры германия и кремния
(Т=300° К)
Параметр
Ширина запрещенной зоны
ДЕ, э в ................................
Удельное сопротивление соб
ственного полупроводника
о м - с м ............................
Подвижность носителей ц,
см2
в ■сек ................................
Германий |
К р ем н и й |
|||
элек |
дыроч |
элек |
дыроч |
|
трон |
ный |
трон |
ный |
|
ный |
ный |
|||
|
|
|||
0 ,6 7 |
0 ,6 7 |
1 ,0 6 |
1 ,0 6 |
|
47* |
|
230 |
_ |
|
|
|
|||
3 8 0 0 |
1820 |
1300 |
500 |
Коэффициент диффузии |
не |
|
|
|
основных носителей |
Dp |
|
|
|
см2 |
44 |
9 2 |
12 |
35 |
(ИЛИ Dn), — .................... |
* На практике для германия (^=20—40 ом • см, а для крем ния <1000 ом • см.
При обратном смещении на переходе ток диффузии резко убывает. Таким образом, об ратный ток — это ток проводимости, т. е. ток насыщения, а прямой ток в основном опреде ляется током диффузии (инжекции).
12
Однако на практике обратный ток коллек тора /ко может быть намного больше расчет ного тока Is (1) за счет тока утечки по по верхности кристалла /у или тока генерации /G, обусловленного генерацией носителей в области перехода. В полученных на кремнии переходах /G играет существенную роль. Из-за генерации в переходе рост тока с напряжением до пробоя у кремниевых приборов более заме тен, чем у германиевых.
Утечка тока вызывается в основном несо вершенством поверхности: наличием инверси онных слоев (слоев с противоположным по отношению к объему кристалла типом прово димости), дислокаций и обычных загрязнений.
В триоде переходы расположены настоль ко близко, что поле одного перехода может притянуть носители от границы другого поля. Это тоже вносит изменение в обратный ток запертого — коллекторного перехода даже если Us— 0.
Принцип распределения токов во всех при нятых схемах включения ПТ одинаков и мо жет быть рассмотрен на примере схемы с общей базой (рис. 1). Эмиттерная и коллек
торная |
цепи имеют общий |
участок — базовый |
вывод. |
Направление токов /э и / к таково, что |
|
в базе течет ток h — h —/к. |
|
|
Сопротивление закрытого перехода при |
||
мерно |
в 1000—10 000 раз |
больше сопротивле |
ния объема базы между коллекторным пере ходом и базовым выводо'м. Поэтому все об ратное напряжение фактически падает на переходе. Падение напряжения на переходе и в объеме базы можно сравнивать тогда, ко-
13
гдз через триод протекает значительный ток, снижающий сопротивление перехода, или ког да сопротивление базы велико (сотни ом).
Обычно в базе электрическое поле, выз ванное внешним источником, отсутствует. Если переход резкий, то база однородна по сопротивлению и внутренние электрические поля в ней также отсутствуют. На этом про странстве базы, играющем главную роль в электрической связи входа и выхода, носите ли тока могут перемещаться только под дей ствием сил диффузии. Поэтому транзисторы с однородной базой носят название диффу зионных Ч
Дырки, поступившие через эмиттерный пе реход в базу, создают в ней положительный не равновесный заряд. При компенсации заряда электроны из базового вывода поступают в ба зу, где частично рекомбинируют с дырками. Ес ли время жизни дырок в базе тр не очень мало,
а ширина базы w невелика |
(ш<СЬр, где |
Lp — У DpTp — диффузионная |
длина смеще |
ния дырок), то большая часть дырок дости гает коллектора, увлекая за собой электроны. Так как дырки — неосновные носители в базе, то все они, проходя через переход в коллек торную область, вливаются в ток проводи мости— обратный ток коллектора / к. Элек троны же через объемное сопротивление базы уходят на базовый вывод. На этом участке
1 В литературе ПТ часто определяют не по физиче скому принципу действия, а по технологическому приз наку, называя диффузионными триоды, полученные диф фузионной технологией. Такие триоды по принципу дей ствия — дрейфовые,
14
течет ток проводимости коллекторной цепи. Количество электронов, поступивших в базу из внешней цени, всегда соответствует раз ности токов, образованных встречными «кол лекторными» электронами и электронами, компенсирующими заряд инжектированных дырок.
Рис. 2. Типичные выходные харак
теристики плоскостного триода |
в |
|||
схеме с общей базой (германиевый |
||||
|
сплавной триод |
016): |
|
|
/ —/ э=10 |
ма; 2 — /д= 20 |
ма; 3 — / а=* |
||
=30 |
ма; |
4 — 7Э=40 ма; |
5 — / э= 50 |
ма. |
Втянутые |
коллектором |
дырки |
усиливают |
|
обратный ток коллектора на величину |
||||
|
|
Д/к = «Д/э, |
|
|
где Д/а — приращение тока |
эмиттера (в дан |
ном случае от нуля) при £/K=const; а — коэффициент передачи тока эмитте
ра, коэффициент усиления по току.
Ток эмиттера распределяется между кол лекторным и базовым выводами; на базовый вывод уходит часть эмиттерного тока Д/э (1—а).
15
Следовательно, изменение тока в выходной цепи транзистора вызывается эмиттерным то ком (рис, 2). При и к= 0 и ІэфО ток коллек тора не равен нулю, так как подошедшие к переходу дырки втянутся полем перехода, соз-
h |
4 |
h |
h |
Рис. 3. Схемы включения триода.
а - с общим эмиттером: |
ß = (дТд) ü3“ const; |
б —с общим коллектором; RBX—большое, |
/вх= /б, /Вых"Ѵ |
ßK= (д Т б )^ “ С0П8‘- |
|
данным только контактной разностью потен циалов областей базы и коллектора.
Соотношение токов /э—/б + /к при любом включении триода неизменно. Однако ток вхо да, ток выхода и усиление, определяемое коэф фициентом передачи тока, в схемах с общей базой (см. рис. 1), общим эмиттером и общим коллектором (рис. 3) различны. В схеме с общим эмиттером на входе фактически вклю чены те же сопротивления, что и в схеме с
16
общей базой: сопротивление базы Гб и сопро тивление эмиттерного перехода гэ. Но в этом случае через источник сигнала на входе про
ходит не весь |
ток эмиттера, а только часть |
его — базовый |
ток, что позволяет применить |
источник с более высоким внутренним сопро тивлением. В схемах с общим эмиттером и об щим коллектором усиление по току определя
ется |
коэффициентами |
передачи тока базы |
В = |
-г—— и коллектора Вк = —----. Практи- |
|
|
1—а |
1—а |
чески значения этих коэффициентов бывают порядка нескольких десятков, хотя в некото рых случаях они достигают 100—200.
Коэффициент передачи тока
Коэффициент а определяет собой ту часть эмиттерного тока, которая поступает в кол лектор. В р-п-р триоде существенную роль играет только дырочная составляющая эмит терного тока ІЭр, так как электронная Іэп не участвует в усилении.
Величина дырочного тока коллектора зави сит от того, насколько І9Р больше / эп. Дыроч ная составляющая — ток диффузии дырок че рез р-п переход в базовую область — опреде ляется концентрацией дырок по обе стороны перехода, т. е. соотношением проводимостей эмиттерной и базовой областей, а также ши риной базы и диффузионной длиной смещения
электронов L„. |
Отношение Д / э р |
= У |
назы- |
|
ДДп |
|
9 |
вается эффективностью эмиттера:
где р6 — удельное сопротивление базы.
Поток дырок, движущихся от эмиттера к коллектору, уменьшается за счет рекомбина ции дырок с электронами. Рекомбинация мо жет происходить в объеме базы или на по верхности полупроводника. Объемная реком бинация тем меньше, чем меньше ширина базы и чем больше диффузионная длина ды рок. Скорость поверхностной рекомбинации зависит от чистоты поверхности, а также от размеров и формы ПТ. У большинства трио дов площадь коллектора больше, чем у эмит тера. Это обеспечивает более полный захват дырок коллекторным переходом и уменьшает поверхностную рекомбинацию. Для многих плоскостных триодов ас~0,99—0,995.
Процесс движения и рекомбинации элек тронов в базе характеризуется эффектив ностью переноса
При расчете коэффициента а учитывается увеличение количества носителей в коллек торной области. Так как ток коллектора со стоит не только из дырок, но и из электронов, то отношение полного тока коллектора Д/к к его дырочной составляющей АІѴѴ— эффектив ность коллектора а* больше единицы. Оче видно, значение электронной составляющей
18
Alкп будет тем больше, чем выше концентра ция электронов в коллекторе. Эффективность коллектора определяется как
где |
и |ір — подвижность неосновных |
носи |
|
телей, соответственно |
электронов и дырок. |
||
|
Нужно отметить, |
что при комнатных |
тем |
пературах значение второго члена уравнения бывает значительно меньше единицы1.
Таким образом, коэффициент передачи по току в схеме с общей базой можно предста вить в виде
a —yßa*.
Или, учитывая, что обычно а *=d,
a = vß.
Рассмотренные нами закономерности не объясняют зависимости коэффициента переда чи от плотности тока эмиттера. При неболь шой величине / э плотность дырок, эмиттируемых в базу, невелика. Постепенно она умень шается от эмиттера к коллектору, так что полем положительных зарядов можно прене бречь. При большой плотности тока эмиттера (несколько ампер на квадратный сантиметр) концентрация неравновесных носителей в базе настолько возрастает, что ее молено сравни вать с концентрацией равновесных носителей.
1 Количество носителей в коллекторной области мо жет возрастать под действием ударной ионизации в ус коряющем поле коллекторного перехода.
2* |
19 |
ß этом случае полем токов пренебречь нельзя. Такой режим работы транзистора называется высоким уровнем инжекции. Электрическое
поле повышает скорость носителей и умень шает вероятность
падают, т. е. поле, втягивающее носи
тели, становится меньше. Появление большого количества носителей в базе снижает ее со противление и эффективность эмиттера у (3). Таким образом, рост /э может и способство вать и препятствовать усилению. Поэтому за висимость а = f (/») носит сложный характер. Соотношение коэффициентов В и а таково,
что |
изменение а на |
1 °/о вызывает |
изменение |
||
В на |
100%. Практический интерес представ |
||||
ляет |
|
зависимость |
коэффициента |
В от Iк |
|
(рис. |
4) |
. Ток коллектора является выходным; |
|||
от него |
зависит величина снимаемого сигнала. |
20