ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 237
Скачиваний: 1
Как видно из (7.44а), время задержки определяется только сум мой времен зарядки барьерных емкостей обоих р-п переходов. Для уменьшения времени t3 необходимо при конструировании переклю чающих транзисторов, как и обычных усилительных транзисторов, выбирать минимальные площади р-п переходов и тем самым умень шать значения емкостей С э и С к . В переключающих схемах величи ной 4 можно управлять, изменяя величину отпирающего импульса
базового тока |
/ б 1 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Для инженерных расчетов величины t3 в_(7.44а) можно поло |
||||||||||||||||||||||||
жить |
|
Фкэ = |
0,85 |
В, |
ф к |
о |
|
и'э р |
. п |
= 0,20 |
В, |
|
Ѵя |
р |
. п |
= |
0,6 |
В, |
||||||
k = 0,5; при |
этом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
Ф к э — р - п |
|
і - |
і Ik |
|
|
20 |
|
|
|
0,5. |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
Фкэ |
/ |
|
|
I j/ / oUT.85 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Тогда (7.44а) перепишем |
в следующем |
виде: |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
С8 (0)1,7 |
|
/ Q j 5 + |
£ |
|
« |
_ |
0 5 |
|
+ |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
hi |
У |
|
|
0,85 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
+ |
С к |
(Екд) |
0,6+ |
о , і / к н / ? н |
|
Сц ( ^ К Э + ^Эб) |
ß |
|
|
|
(7.446) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эб |
|
|
||||||||||||
Для |
ненасыщенного |
ключа |
/ к н |
в |
(7.446) |
необходимо |
заменить |
|||||||||||||||||
на |
Ікт. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Теперь вычислим время нарастания гф , |
|
|
в |
течение |
которого |
|||||||||||||||||||
коллекторный |
ток |
увеличивается |
от 0,1 Ікт |
|
до 0,9/ к т . |
Напряже |
||||||||||||||||||
ние на эмиттерном р-п |
переходе |
возрастает |
незначительно |
от |
||||||||||||||||||||
UsР-п |
до и;р.п |
= U'a р-п + 2,3 фг = Ѵ9 |
р-п + 0,6В (Г = 300 К), посколь |
|||||||||||||||||||||
ку / к |
~ |
ехр (сЛ> р-л/фг). Можно считать, что в момент |
t = t3 |
процесс |
||||||||||||||||||||
заряда |
барьерной |
емкости |
эмиттерного р-п |
перехода |
закончился. |
|||||||||||||||||||
В этом случае членом [Cg(U3p.n)]/tnp-dU3p.„(t)Jdt |
|
|
|
|
в (7.41) |
можно |
||||||||||||||||||
пренебречь. Тогда (7.41) принимает следующий вид: |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
dJnu(t) |
, |
Іпк(і) |
|
|
|
I бі |
|
Ск(икр-п) |
|
|
|
|
àUKp.n(t) |
(7.45) |
||||||||
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|
пр |
|
|
t.пр |
|
|
|
|
dt |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Проинтегрируем |
правую |
и левую части (7.45) по t |
в пределах |
от |
||||||||||||||||||||
ta до 4 + |
іф: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
0,8/, |
|
|
I |
U« (t) |
dt = |
'hi |
і |
іф |
— |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^ |
|
|
* |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^пр |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
- ( £ к э +У |
э р - Л - 0 . 9 / |
к т RH) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
'э р-л |
|
|
|
CR(UKp-n)dUKP.n. |
|
|
|
(7.46) |
|||||||||
|
|
|
|
'пр |
|
|
. |
1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
- Кэ+^э Ѵ гс - сі/™ RH) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
7 З а к . |
190 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
193 |
|
Интегралом в левой части последнего уравнения можно |
пре |
|||||||
небречь |
по сравнению |
с членсм |
/ б і / ф / / п р . |
Действительно, |
при |
|||
типичных |
значениях |
/ к |
т / / б і ^ 5 0 , |
tuv = 10 _ |
1 0 с, |
т п |
> 2 0 не. |
|
<8 +<Ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dt |
I il1 .?* « °'5 / i"»f "P_ < |
0,12 |
< |
1. |
|
||
Интеграл в правой части (7.46) вычисляется с использованием (7.33). В результате из (7.46) находим
іф = |
j 0 , 8 / K m tDp |
|
+ |
2С„ ( £ к э - 0 , 1 / к т |
Ян ) ( £ к э |
- 0,1 / к т |
# н ) X |
|||||||||||
|
|
|
X |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(7.47а) |
|
В (7.47а) мы |
полагали |
|
приближенно |
с р к к — с / э Р . « ~ 0 , |
поскольку |
|||||||||||||
Ф К К « 0 , 6 В и с / з Р - „ « 0 , 6 В . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Для |
насыщенных |
|
ключей |
/ К |
Т |
= / К Н , |
/ К Н # Н = Я К Э |
и |
(7.47а) |
|||||||||
упрощается: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
іф=~~ |
{0,8Ікт |
tnv |
+ |
С к (0,9£к а ) • 1,2 £ к э } - |
|
|
(7.476) |
||||||||||
Оценим вклад в |
величину |
/ ф |
(7.476) |
времени |
накопления |
не |
||||||||||||
основных носителей, |
электронов, |
в базе ( 0 , 8 / к т / / б і ) |
^пр и |
|
времени |
|||||||||||||
заряда барьерной емкости коллекторного р-п перехода Ск |
(0,9ЕКд) |
х |
||||||||||||||||
Х І , 2 £ к э / / б 1 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для |
маломощных |
переключающих |
транзисторов |
/ к н / / б і < |
50, |
|||||||||||||
/ б і « 1 |
мА, Е к э « |
10 |
В, |
С к ( 0 , 9 £ к 9 |
) « 5 — 1 0 |
пф, |
( с |
р А Ы 0 - ' » с. |
||||||||||
Следовательно, |
0,8/ І Ш / п р // б 1 |
< |
4 |
не, |
/бі1 С к (0,9 £"к э ) -1,2 Я к э |
= |
||||||||||||
= 60—120 не. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Для |
мощных |
переключающих |
транзисторов |
|
/ к н /^бі ^ |
20, |
||||||||||||
/ б 1 < 1 0 0 м А , |
£ к |
э > 2 0 |
|
В, |
С К (0,9Я К Ч ) > |
100 |
пф, |
^ « 1 - Ю - 1 0 |
с. |
|||||||||
Поэтому |
0 , 8 / к н / п р / / б 1 < |
1,5 нс, |
/ё, 1 |
Ск(0,9Ет)- |
1,2ЯК 9 >24 |
не. |
|
|||||||||||
Таким образом, |
в |
обоих типах |
переключающих |
транзисторов |
||||||||||||||
с точностью до 5—10% |
|
можно пренебречь вкладом времени накопле |
||||||||||||||||
ния неосновных носителей в базе в величину / ф . В результате форму ла (7.476) примет окончательный вид, пригодный для инженерных расчетов:
іф=^-Ск(0,9Ека)-1,2Евя. |
(7.47B) |
hi |
|
Из (7.476) видно, что для уменьшения времени нарастания / ф необ ходимо в первую очередь увеличивать амплитуду отпирающего им,-
194
пульса базового тока / б 1 |
. Произведение С к (0,9 £ к 0 ) • 1,2£,; э |
доволь |
||
но слабо зависит от напряжения коллекторной батареи |
Екэ: |
|||
С К (0,9Я К Э ) - 1,2 £ К Э |
= |
e e 0 S B l , 2 £ K 8 _ _ |
_ у Е ^ |
|
|
Л / |
2ее 0 (фкк + О.ЭЯца) |
|
|
при Я к э > ф к к « 0 , б В . |
|
|
|
|
Следует заметить, что до сих пор мы полагали |
емкость между |
|||
выводами коллектора и базы равной барьерной емкости коллектор ного р-п перехода С к (£/,< р . п ) . Однако в планарных транзисторах иногда базовую контактную площадку, расположенную на поверх ности пленки Si02 , выносят за пределы площадки пассивной базы, т. е. на высокоомный коллекторный слой. В этом случае возникает
дополнительная емкость коллектора С,.nn~esio^SH |
nJX, |
где SK |
пл— |
||||||||
площадь контактной площадки над коллекторным слоем, X — |
|||||||||||
толщина |
слоя |
окисла |
(обычно |
X |
= 0,5—1,0 мкм). е 3 ю 2 = |
3,85. |
|||||
В течение времени |
/ ф |
напряжение |
на емкости |
С к п л |
изменяется |
||||||
от |
значения |
£ к э |
— U3 „.„ — 0,1/к т /?н |
до |
EKg—U'3p.n |
— |
|||||
— 0,9IKmRlv |
Следовательно, в формуле (7.476) для времени нараста |
||||||||||
ния |
появится дополнительный член С к п л 0,81 |
KmRn. |
|
|
|||||||
|
Итак, в общем случае для насыщенного ключа |
|
|
||||||||
|
|
*Ф = |
/бі' {Ск п л |
0,8/к н Rn |
+ Ск (0,9ЯК Э ) -1,2 Ет}. |
|
(7.48) |
||||
Для ненасыщенного |
ключа дополнительный |
член |
С к п л |
0,81 |
KmRH, |
||||||
учитывающий время зарядки емкости контактной базовой площадки
С к п л , необходимо |
ввести |
в формулу |
(7.47а). |
в фигурные скобки |
В выражение |
(7.44а) для времени задержки |
|||
необходимо добавить член |
С к п л (Е д б |
+ U'3 р .„ + 0,1/к т /?н ), по |
||
скольку за время /3 напряжение между выводами коллектор—база
изменяется в |
пределах |
от — ( £ к э + |
£ э 6 ) |
до — ( £ к э — 0 э |
р . п — |
|||||
— |
0,1 IKmRu). |
Однако этот новый член обычно значительно меньше |
||||||||
1-го |
в формуле |
(7.44) |
ввиду того, что |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
В с ; |
SX |
|
Sg |
|
|
|
|
Ск пл |
es і 0 2 SK Ш ] |
5?э р.„ |
• = 1 5 — - » 1 |
|
|||
|
|
|
о к |
п л |
|
|||||
при типичных |
значениях SgœSKnJl, |
X > 0,5мкм, Хзр.п х 0,1 мкм, |
||||||||
eS i |
= |
12, eS i o2 |
= |
3,85. |
|
|
|
|
|
|
|
Заметим, что полученные нами формулы (7.44а) и (7.47а) для |
|||||||||
времен t3 и / ф |
являются |
более строгими в отличие от формул, |
при |
|||||||
веденных в работе [105], так как мы не проводили нигде усреднения емкостей С э и С к в диапазоне соответствующих напряжений. Кро ме того, показано, что накопление неосновных носителей в базе ре альных кремниевых транзисторов оказывает незначительное влия ние на переходные процессы при включении.
При / > ія + іф процессы накопления заряда неосновных но сителей в базе не заканчиваются. Ток коллектора продолжает воз-
7* |
195 |
растать от 0,9/ K m до 1,0/K m . За время накопления tn |
максимальное |
|||||||||||||
значение Ікт |
|
зависит от величины сопротивления нагрузки и напря |
||||||||||||
жения коллекторной батареи |
Екд: |
|
|
|
|
|
|
|||||||
в |
а) |
Ікт — ^ с т Іъъ |
е с л и |
ß C T I ö l RH < Екэ |
и |
транзистор |
остается |
|||||||
активном |
режиме |
(ненасыщенный |
ключ); |
|
|
|
|
|||||||
|
б ) |
/ « m |
= |
/кн = £ , кэ/^н' е с л |
и |
^ с т ^ б і |
> |
£ К З |
и |
Т р а Н З И С Т О р В Х О Д И Т |
||||
в |
режим |
насыщения |
(насыщенный |
ключ). |
|
|
|
|
|
|||||
|
В |
случае |
насыщенного |
|
ключа, |
когда |
степень |
насыщения ѵ — |
||||||
= |
ВСТІъг.11кш> |
1, в течение |
времени ta будет происходить |
накоп |
||||||||||
ление неосновных носителей, электронов, в базе р-типа и накопление дырок в высокоомном коллекторном слое. Поэтому для расчета вре мени tB нельзя воспользоваться методом заряда в том виде, в котором он был дан выше [см. уравнение (7.41)]. Однако для работы импульс ных схем параметр tH не имеет большого значения.
Теперь перейдем к рассмотрению спада импульса коллектор ного тока или фронта выключения в результате подачи импульса
базового тока |
отрицательной полярности |
/ 5 2 < О [см. рис. 7.6]. |
|||||||
В случае насыщенного ключа в течение некоторого времени |
= tv |
||||||||
коллекторный |
р-п переход находится под прямым смещением |
||||||||
(С/к |
р - п |
> |
0), |
поскольку |
концентрация |
избыточных носителей, |
|||
дырок, |
в коллекторном слое я-типа (для п-р-п транзистора) не успе |
||||||||
вает мгновенно рассосаться до равновесного значения рп. |
Поэтому |
||||||||
коллекторный ток остается в течение tv |
примерно равным значению |
||||||||
/кн |
= |
EKa/RH. |
|
Эмиттерный |
ток теперь будет меньше коллекторного: |
||||
I |
ь = |
К |
+ |
/бг < /к» поскольку / б 2 < |
0. |
|
|
||
Если запирающий базовый ток невелик (|/бг | < ^ки ), то име ет место так называемое коллекторное рассасывание накопленного заряда, когда эмиттерный ток сохраняет то же направление, что при включении транзистора. Заряд электронов, накопленный в ак тивной и пассивной базах р-типа, исчезает вследствие рекомбина ции с дырками и вытекания в коллектор. Заряд же дырок, накоплен ный в высокоомном коллекторном слое, рассасывается из-за реком бинации с электронами в этом слое и из-за вытекания в базу.
При достаточно больших значениях базового тока ( | /бг | > |
^кн ) |
эмиттерный ток I э = / б 2 + / К н < 0 меняет направление. В |
этом |
случае имеет место эмиттерное рассасывание, когда неосновные но сители, электроны, в базе р-типа вытекают через эмиттерный и кол лекторный р-п переходы. Концентрация электронов в базе на грани
це с эммитерным р-п |
переходом п (х"э) может упасть до нуля, |
т. е. |
||||
эмиттерный р-п переход становится обратно смещенным (U а р - п |
< 0 ) , |
|||||
а коллекторный р-п |
переход еще остается под прямым |
смещением |
||||
(UK |
р-л > |
0). Это означает, что транзистор входит |
в |
инверсный |
||
активный |
режим. |
|
|
|
|
|
|
До настоящего времени для кремниевых планарных транзисто |
|||||
ров |
не разработаны |
достаточно точные методы для |
определения |
|||
времени |
рассасывания tp насыщенного ключа. |
|
|
|
||
|
Метод эквивалентных схем, предложенный Моллом в работе |
|||||
[101], дает довольно точные выражения для величины |
/ р лишьвслу - |
|||||
196
чае сплавных транзисторов, в которых в режиме насыщения |
заряд |
||
накапливается главным образом в объеме активной базы. |
|
||
Несколько более строгим является расчет tv с помощью решения |
|||
уравнения непрерывности для области |
базы В. В. Штагера |
[106], |
|
Т. М. Агаханяна |
[107] и Р. Нанавати |
] 1081, но и здесь рассматри |
|
ваются процессы |
исчезновения заряда |
подвижных носителей |
лишь |
в объеме активной базы. В методе заряда, рассмотренном выше при расчете переходных процессов включения, также ограничиваются определением закона изменения заряда в объеме активной базы, пренебрегая накопленным зарядом в коллекторном слое [104]. Одна ко в кремниевых планарных транзисторах, как и в германиевых дрейфовых транзисторах, толщина базы Woo более чем на порядок меньше толщины высокоомного коллекторного слоя Іп0 = хп — хк0, а площадь эмиттерного р-п перехода всегда гораздо меньше площади коллекторного р-п перехода (5 Э ^(0,1 — 0,3 ) 5 к ) . Следователь но, накопленный заряд в коллекторе QK может быть в 10—100 раз больше накопленного заряда в активной базе. Таким образом, для расчета переходных процессов при запирании насыщенного ключа надо решать трехмерные уравнения непрерывности для неоснов ных носителей в базе и в коллекторе, что представляет чрезвычайно сложную математическую задачу.
Наиболее точные формулы для расчета tp были получены в ра боте H . М. Ройзина и М. И. Марковича [109]. Они впервые решили уравнение непрерывности для полного избыточного заряда во всех трех областях: в активной и пассивной базах и в теле высокоомного коллектора. При этом распределение неосновных носителей в высокоомном коллекторном слое считалось одномерным, т. е. зави сящим только от координаты х (ось 0х перпендикулярна плоскости эмиттерного р-п перехода). Распределение поля Е (х, у) и потен циала ф (х, у) в коллекторе находилось методом конформных отоб ражений, что справедливо для малого уровня инжекции неосно вных носителей в последнем (р (х, у)Шак < 1 для п-р-п транзи стора).
Распределение концентрации неосновных носителей на гра нице коллекторного р-п перехода и квазинейтральной базы пола галось равным р (хк) = рп ехр (UK р - п Apr). При таких допуще ниях в [109] получены следующие формулы для / р :
а) при / > L K (толстый высокоомный слой)
tv = xJl + - X ) |
ML* |
- Щ ^ . |
(7.49) |
б) при / <^ L u (тонкий высокоомный слой)
\ |
3 | № б / ( £ № б / + О к Т б ) |
l + o - |
197
