ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ 4 страница

Большим достоинством GaAs является исключительно высокая подвижность свободных электронов. Коэффициент подвижности µ_n арсенида галлия в 6 раз превышает µ_n кремния. Поэтому быстродействие и частотные свойства GaAs-транзисторов и интегральных схем потенциально намного выше, чем кремниевых. Известны успешные применения таких транзисторов в СВЧ диапазоне (спутниковая связь) и попытки применения GaAs в сверхбыстродействующих ИС (цифровая электроника).

7. N-P-N И P-N-P СТРУКТУРЫ. БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

7.1. Основные свойства биполярного транзистора

Биполярный транзистор (в дальнейшем БТ) является электронным элементом с двумя р-n переходами (рис. 34).

Рис. 34

Здесь изображён БТ со структурой [2] n⁺–р–n, хотя возможна, но менее распространена p⁺–n -p структура. В работе таких БТ принципиальных отличий нет. Области БТ получили следующие названия: n⁺ – эмиттер (область, “испускающая” носители); р – база и n (на рис. 34 – область справа) – коллектор (т.е. область, “собирающая” носители).

Каждая область снабжена омическими контактами металл-полупроводник, служащими для подключения к внешним цепям. Названия внешних контактов такие же, как у областей – эмиттер, база, коллектор. P-n переход между эмиттером и базой получил название эмиттерный переход (ЭП), между базой и коллектором – коллекторный переход (КП).

Важнейшими особенностями конструкции являются:

1) малая толщина базы, не более 0,5 мкм;

2) малая концентрация примеси в базе, порядка 10¹⁶ см^-3;

3) большая концентрация примеси в эмиттере, до 10²⁰ см^-3.

Только при соблюдении перечисленных условий БТ способен проявлять свои главные свойства: усиливать электрические сигналы, а также работать в качестве ключа.

Возможны четыре режима БТ:

1) ЭП открыт, КП закрыт - активный, или усилительный режим. Единственный режим, в котором возможно неискажённое усиление сигналов;

2) ЭП закрыт, КП закрыт – режим отсечки. Используется в ключе, закрытое состояние ключа;

3) ЭП открыт, КП открыт – режим насыщения. Используется в ключе, открытое состояние ключа;

4) ЭП закрыт, КП открыт – инверсный режим, обратный по отношению к активному режиму. Не используется, как не эффективный.

Общепринятые условные обозначения БТ и схемы включения его как 4х-полюсника приведены в [2].

7.2. Биполярный транзистор в схеме с общей базой

На рис. 35 изображена одна из схем включения БТ – схема с общей базой. Здесь база – общий электрод для входной и выходной цепи, ток которого является алгебраической суммой контурных входного и выходного токов.

Рис. 35

Для изучения процессов в БТ наиболее удобен усилительный, или активный режим. Он создаётся двумя внешними напряжениями:

1) U_эб – входное напряжение, прямое для эмиттерного перехода;

2) U_кб– выходное напряжение, обратное для коллекторного перехода.

В открытом ЭП, благодаря прямому напряжению, снижаются φ_к и потенциальный барьер и поэтому протекает большой диффузионный ток основных носителей I_э. При этом I_э имеет электронную I_э_n и дырочную I_э_p составляющие. Так как концентрация свободных электронов в эмиттере на несколько порядков больше, чем дырок в базе, I_э_n >> I_э_p. Поэтому в ЭП наблюдается практически односторонний диффузионный ток свободных электронов в базу, так называемая инжекция.

Свободные электроны в базе являются неосновными носителями. Их больше вблизи ЭП, откуда они поступают, поэтому в базе возникает градиент концентрации dn/dw и неосновные носители диффундируют к КП. КП заперт напряжением U_кб, поэтому его электрическое поле для неосновных носителей – ускоряющее. Благодаря этому они извлекаются из базы в коллектор (экстракция). Появляется полезный выходной ток I_к.

Так как база тонкая и слаболегированная, при продвижении неосновных носителей через базу только небольшая их часть рекомбинирует с основными носителями базы (не более 1…2%). В противном случае наблюдалось бы значительное уменьшение выходного тока I_к.

Рекомбинация в базе несколько уменьшает концентрацию её основных носителей — дырок. Электрическая нейтральность базы нарушается, в ней образуется отрицательный заряд некомпенсированных ионов акцепторной примеси. Этот заряд создаёт так называемый рекомбинационный ток в выводе базы I_{б рек}. Еще одна составляющая тока базы легко обнаруживается при разорванной цепи эмиттера. Тока в ЭП и инжекции при этом нет. В КП протекает небольшой по величине обратный ток коллектора I_кб0, создаваемый обратным напряжением U_кб.

Таким образом, в указанном режиме в БТ действительны следующие соотношения токов:

I_э = I_к + I_б (закон Кирхгофа для БТ, рассматриваемого как узел цепи) (36)

I_к = α I_э + I_кб0 (37)

I_б = I_{б рек} – I_кб0(38)

Эти уравнения называют основными уравнениями БТ в схеме с общей базой.

В кремниевых транзисторах, наиболее распространённых сегодня, I_кб0 пренебрежимо мал. Поэтому из (37) следует: α = I_к / I_э. Коэффициент передачи эмиттерного тока транзистора в схеме включения с общей базой α является важнейшим параметром БТ. Можно показать, что коэффициент усиления по мощности БТ с общей базой определяется выражением

, (39)

где R_н –сопротивление нагрузки, включаемое в разрыв коллекторной цепи;

r_э- сопротивление открытого ЭП, обычно очень малое.

Так как БТ в отношении нагрузки является источником тока (сопротивление закрытого КП очень велико), R_н может на несколько порядков превышать r_э. Поэтому, согласно (39), К_p может достигать многих тысяч раз.

На величину коэффициента усиления влияют следующие особенности конструкции.

Качество работы ЭП характеризуется коэффициентом инжекции

, (40)

где I_э_n – полезный ток инжекции;

I_эр – бесполезный встречный дырочный ток;

N_эи N_б – концентрация примесей в базе и эмиттере.

Увеличивая N_э, можно получить γ = 0,999 и более.

Качество процессов в базе характеризуется коэффициентом переноса κ, который показывает, какая доля инжектированных в базу носителей избегает рекомбинации и достигает КП:

κ = I_K / I_Э_n (41)

Этот коэффициент тем ближе к максимальному значению κ = 1, чем тоньше база и меньше в ней концентрация примесей.

Пренебрегая дырочной составляющей эмиттерного тока, умножив (40) на (41) получим:

(42)

7.3. Дрейфовый биполярный транзистор

Увеличению коэффициента усиления способствует также неоднородное легирование базы: примесей вводят больше вблизи ЭП, меньше вблизи КП. В такой базе нескомпенсированных ионов примеси, появляющихся из-за рекомбинации основных и неосновных носителей, больше вблизи ЭП (квадраты рис. 36). В результате, в базе возникает собственное электрическое поле.

Рис. 36

Собственное поле в такой базе – ускоряющее для неосновных носителей и сила Кулона F_K заставляет их дрейфовать к КП. В результате свободные электроны (кружки на рис.36) пересекают базу быстрее (дрейфовый транзистор). Поэтому время пребывания в такой базе, так называемое время пролёта, меньше, вероятность рекомбинации и потери из-за неё меньше, импульсные и частотные свойства лучше. В настоящее время БТ изготавливаются преимущественно в виде дрейфовых транзисторов.

7.3. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

Если для полевых транзисторов наиболее распространённой является схема с общим истоком, то для БТ – это схема с общим эмиттером, рис. 37.

Рис. 37

При таком включении входным, управляющим током является самый маленький ток БТ – ток базы I_б, составляющий обычно 1…2 % от токов I_э и I_к. Поэтому усиление по току достигает десятков – сотен раз, а усиление по мощности максимально.

Из основных уравнений схемы с общей базой можно получить основные уравнения схемы с общим эмиттером:

I_э = I_к + I_б (43)

(такой же, как и для схемы с общей базой, закон Кирхгофа)

I_к = βI_б + (β + 1)I_кб0 = βI_б + I_кэ0 (44)

Здесь β – коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Согласно (44), обратный ток коллектора в схеме с общим эмиттером I_кэ0 значительно больше, чем I_кб0. Однако в кремниевых БТ и этот ток очень мал. Пренебрегая им, из (44) получим:

β = I_к / I_б (45)

Из основных уравнений данных схем включения следует связь β и α:

β = α / (1 – α) (46)

Если, например, количество экстрагированных из базы носителей составляет 98% от количества инжектированных в неё носителей, то α = 0.98. При этом согласно (46), β ≈ 50. Усиление по току в схеме с общим эмиттером в этом случае примерно в 50 раз больше, чем в схеме с общей базой.

7.4. Статические характеристики биполярного транзистора

Входные характеристики БТ в схеме с общей базой – это зависимостиI_э(U_эб) при различных U_кб , т.е. ВАХ эмиттерного перехода, рис. 38а. Эти характеристики

а) б)

Рис. 38

представляют интерес только при прямых входных напряжениях. Они близки к обычной для ВАХ p-n перехода экспоненте.

Положение входной характеристики несколько зависит от выходного напряжения U_кб. При увеличении этого напряжения увеличивается толщина обедненного слоя КП. Следовательно, уменьшается эффективная толщина базы w и возрастает градиент инжектированных в неё свободных электронов dn/dw. Поэтому с ростом U_кб возрастает и диффузионный входной ток (эффект Эрли).

Выходные характеристики БТ в схеме с общей базой – это зависимости I_к(U_кб) при различных токах эмиттера, т.е. ВАХ коллекторного перехода, рис. 38б.

По форме они такие же, как обратная ветвь ВАХ p-n перехода (см. рис. 14,б), но смещены от нуля на значение тока, созданного за счет инжектированных из эмиттера в базу электронов. В отличие от ВАХ p-n перехода, их принято помещать в первом квадранте, т.е. в перевёрнутом виде. Выходные характеристики обычно изображают в виде семейства характеристик. Это позволяет графически отразить не только зависимость I_к(U_кб), но и зависимость I_к(I_э).

По отношению к ВАХ p-n перехода выходные характеристики частично смещены в область прямых напряжений. Следовательно, I_к остаётся большим в отсутствие напряжения на КП и даже при небольших прямых напряжениях. Это объясняется тем, что экстракция неосновных носителей из базы осуществляется собственным полем КП. И только при небольших прямых напряжениях, близких к j_к0, ток в нём исчезает из-за встречного диффузионного тока КП.

Входные и выходные характеристики БТ в схеме с общим эмиттером, как и в схеме с общей базой, подобны ВАХ p-n перехода.

Входные характеристики изображены на рис. 39. Входное напряжение в схеме с общим эмиттером U_бЭ – это напряжение на ЭП. Входной ток – это почти неизменная часть тока ЭП: I_б ≈ I_э/β. Поэтому входные характеристики

Рис. 39

в схеме с общим эмиттером отличаются только обратным проявлением эффекта Эрли, т.е. влиянием выходного напряжения U_кэ на входной ток I_б. Когда с ростом U_кэ КП расширяется, а база сужается, I_б уменьшается из-за уменьшения рекомбинации. Входные характеристики смещаются вправо, а не влево, как в схеме с общей базой. Выходные характеристики схемы общим эмиттером изображены на рис. 40. Выходной ток I_к, как и в схеме с общей базой – это ток КП. Выходное напряжение U_кэ - это напряжение на КП плюс напряжение на ЭП: U_кэ = U_кб + U_бэ. Поэтому выходные характеристики на величину U_бэсмещены вправо и целиком находятся в первом квадранте. Из-за того, что выходное напряжение частично приложено и к ЭП, выходные характеристики имеют также более значительный наклон.

Рис. 40

8. ИНЕРЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МДП И БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

8.1. Причины инерционности МДП и биполярных транзисторов

Термины инерционные или динамические свойства транзисторов подразумевают их неспособность мгновенно реагировать на появление входного сигнала. Если входным сигналом являются импульсы, открывающие или закрывающие транзисторный ключ, говорят об импульсных свойствах транзистора. Такие сигналы характерны для основной на сегодня цифровой электроники. Если сигнал непрерывный и описывается функциями частоты или частотным спектром, говорят о частотных свойствах. Такие сигналы характерны для аналоговой электроники.

Главной причиной инерционности любых электронных элементов является наличие в них ёмкостных или индуктивных, т.е. реактивных составляющих токов и напряжений. Так, ёмкостная составляющая тока любого диода возникает в нём из-за барьерной или диффузионной ёмкости. Индуктивная составляющая тока в элементах возникает из-за того, что любой проводник или полупроводник с током обладает индуктивностью. Например, при повышении рабочей частоты в элементах уже приходится учитывать паразитные индуктивности выводов. Ёмкость и индуктивность элементов часто называют паразитными (нежелательными) параметрами.

Паразитная ёмкость обратно пропорциональна, а индуктивность прямо пропорциональна длине пути тока в проводниках и слоях элементов. Поскольку длины проводников и толщины слоёв полупроводниковых элементов минимальны, для них более характерно влияние паразитной ёмкости.

Основным паразитным реактивным параметром МДП-транзистора является ёмкость между затвором и каналом C_зк, рис. 41,а.

а) б)

Рис. 41

Другими факторами инерционности, такими как время дрейфа носителей в канале и его индуктивность почти всегда можно пренебречь.

Сложность учета влияния C_зк состоит в том, что эта ёмкость носит распределённый характер. На каждый элемент длины канала Δl приходится элемент сопротивления канала ΔR_ки элемент ёмкости затвор-канал ΔC_зк. В результате эквивалентная схема, позволяющая выполнить анализ динамических свойств, имеет вид рис.41,б.

Анализ цепей с распределёнными параметрами осложняется тем, что в нём появляется ещё одна переменная – расстояние x. Поэтому находит применение более простая эквивалентная схема с сосредоточенными параметрами, рис. 42. Здесь ёмкость ΔC_зк условно отнесена к двум

Рис. 42

сосредоточенным ёмкостям – между затвором и истоком C_зи и между затвором и стоком C_зс. Эти ёмкости, а также ёмкость между транзистором и окружающим его полупроводником C_п, стали основными параметрами, отражающими инерционные свойства МДП-транзистора [2, 4, 5].

Инерционные свойства БТ в значительной степени определяются ёмкостями его p-n переходов ЭП и КП. Учёт их влияния осложняется тем, что характер и величина ёмкости зависят от напряжений и токов переходов (см. разд. 5.2). Поэтому, наряду с величиной барьерной ёмкости ЭП и КП в отсутствие внешнего напряжения C_б0, к основным параметрам инерционности относят коэффициент влияния m из (29).

Ещё один фактор инерционности БТ - относительно медленное перемещение инжектированных в базу носителей от ЭП к КП. Его влияние учитывается временем пролёта области базы, или просто временем пролета τ_пр[1].

8.2 Импульсные свойства МДП и биполярных транзисторов

Импульсные свойства характеризуют реакцию транзисторного ключа на подачу на вход управляющего напряжения в виде импульса, вызывающего отпирание или запирание транзистора.

На рис. 43 изображены схемы простейших ключей на МДП (а) и биполярном (б) транзисторах.

В обоих ключах управляющий сигнал в виде короткого импульса поступает на вход от источника э.д.с. e_вх с внутренним сопротивлением R_i.

Временные диаграммы e_вх изображены на рис. 44, а,б. Сток и коллектор транзисторов через сопротивление R подключены к источнику питания E_пит.

а) б)

Рис. 43

Выходным напряжением ключей являются напряжения u_си и u_кэ соответственно. Штриховой линией на схемах условно обозначены входная и выходная ёмкость транзисторов C_вх и С_вых. Они являются сложными функциями напряжений, токов и паразитных параметров транзисторов, (см. разд. 8.1). Влияние факторов инерционности более точно учитывается методами компьютерного моделирования.

Хотя e_вх изменяется скачкообразно, входное напряжение обоих ключей изменяется не мгновенно, так как требуется некоторое время на заряд входной ёмкости, рис. 44, в, г. Поэтому отпирание обоих транзисторов начинается с некоторой задержкой t_з. В течение этого времени напряжения на затворе и базе достигают порогового напряжения U₀ и примерного напряжения отпирания эмиттерного перехода U*. В течение времени нарастания t_н завершается заряд C_вх, разряд С_вых и другие переходные процессы.

Токи достигают предельных значений I_с.наси I_к.нас, что характерно для режима насыщения, используемого в ключах, рис. 44 д,е.

Рис. 44 Рис. 45

Запирание транзисторов связано с разрядом C_вх и зарядом С_вых. Кроме того, возвращение БТ в закрытое состояние сопровождается запаздыванием переходных процессов на время рассасывания t_расс. В течение этого времени БТ остаётся открытым из-за заряда неосновных носителей, накопившегося в базе в режиме насыщения. Этот заряд исчезает, «рассасывается» не мгновенно и в течение некоторого времени поддерживает ток экстракции.

Результатом переходных процессов является появление времён t₁₀ и t₀₁, которые требуются ключам на переход из состояния логической 1 в состояние логического 0 и наоборот, рис. 44 ж,з. Более детально работа ключей рассматривается в курсе «Электроника» [1, 2].

8.3 Частотные свойства МДП и биполярных транзисторов

Частотные свойства характеризуют способность транзисторов обеспечивать усиление аналоговых сигналов на различных частотах. Такие сигналы, в отличие от цифровых (дискретных) сигналов, чаще отображаются функциями частоты, а не функциями времени. Частотные свойства транзисторов обычно описываются их амплитудно-частотными или фазо-частотными характеристиками (АЧХ или ФЧХ).

В качестве простейших усилителей на МДП и биполярных транзисторах можно рассматривать схемы на рис. 43. Принципиальным отличием аналоговых усилителей от ключей является использование активного (усилительного) режима, а не режимов отсечки и насыщения. Такой режим в рассматриваемых схемах способен обеспечивать входной источник. Создаваемое им входное напряжение должно содержать постоянную (режимную) составляющую напряжения на затворе или базе, необходимую для поддержания открытого состояния транзистора.

Частотные свойства МДП транзисторов принято описывать частотной характеристикой комплексной крутизны S:

S = I_с / U_зи = S₀ / (1 + jω/ω_s ), (47)

где S₀ – крутизна при ω = 0, ω_s – предельная частота крутизны.

Из (47) можно получить выражения для модуля и фазы комплексной крутизны, т.е. для АЧХ и ФЧХ:

|S| = S₀ / (1 + [ω/ω_s]²)^1/2, (48) φ = - arctg ω/ω_s (49)

Согласно (48), при ω = ω_s, |S| = S₀ /√2. В графическом виде АЧХ и ФЧХ МДП транзистора изображены на рис. 46а.

а) б)

Рис. 46

Следует заметить, что ω_s даёт преувеличенное представление о частотных возможностях МДП транзистора. На самом деле его коэффициенты усиления по напряжению и по мощности начинают снижаться на намного более низких частотах. Главной причиной этого является наличие неустранимой ёмкости затвор-канал, что легко устанавливается методами компьютерного моделирования.

Частотные свойства БТ обычно описываются комплексным коэффициентом передачи тока в схеме с общим эмиттером β:

β = I_к / I_б = β₀/ (1 + jω/ω_β) (50)

где β₀ – коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ при ω = 0, ω_β – предельная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ.

Из (50) можно получить выражения для модуля и фазы комплексного коэффициента β, т.е. для АЧХ и ФЧХ:

|β| = β₀/ (1 + [ω/ω_β]²)^1/2 (51), φ = - arctg(ω/ω_β) (52)

АЧХ и ФЧХ БТ в схемах с ОЭ и ОБ изображены на рис. 46б.

Для схемы с ОЭ применяется также понятие граничная частота коэффициента передачи тока ω_гр. На этой частоте |β| = 1, т.е. усилительные свойства по току полностью утрачиваются, хотя коэффициент передачи по мощности может быть больше 1 за счет усиления по напряжению.

Реже используется схема с общей базой, усиление которой значительно меньше. В то же время такое включение обеспечивает равномерное усиление и минимальный фазовый сдвиг в намного бóльшей полосе частот.

Более детально транзисторные усилители аналогового сигнала рассматриваются в курсе «Электроника» [1, 2].

9. IGBT ТРАНЗИСТОР

Большим достоинством МДП транзистора является способность сохранять открытое или закрытое состояние в отсутствие тока и мощности, потребляемых от источника управляющего сигнала. Напротив, БТ в открытом состоянии потребляет от источника сигнала ток базы I_б и, следовательно, некоторую мощность, иногда очень значительные.

Большим достоинством биполярного транзистора в ключевом режиме является на порядок меньшее падение напряжения на открытом и насыщенном транзисторе. Это означает, что тепловые потери в ключе на БТ значительно меньше, а максимальный допустимый ток значительно больше. Мощные ключи на БТ способны в открытом состоянии пропускать ток в сотни и даже тысячи ампер. Кроме того, они способны в закрытом состоянии выдерживать напряжение до нескольких тысяч вольт.

Указанными достоинствами одновременно обладает IGBT транзистор.

Устройство IGBT транзистора поясняет рис. 47,а. Здесь же показано

Рис. 47

его условное обозначение, подчёркивающее сходство с МДП транзисторами и БТ, рис. 47,б.

Структуру вида рис. 47,а в первом приближении можно рассматривать как сочетание n-канального МДП транзистора и БТ со структурой n⁺-p-n, рис. 47,в. Прилегающие к коллектору n⁺ и p⁺ слои являются вспомогательными и улучшают характеристики IGBT транзистора.

Основной ток в нём протекает в биполярной структуре, а управление этим током осуществляется, как в МДП транзисторе, с помощью изолированного затвора. Отсюда название транзистора - Insulated Gate Bipolar Transistor, т.е. биполярный транзистор с изолированным затвором.

10. КОНТАКТ ПРОВОДНИК - ВАКУУМ. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ

Проводник в вакууме также можно рассматривать как контакт двух веществ, точнее, двух сред. В таком контакте возникает явление термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия, в дальнейшем просто эмиссия, является результатом обычной для контактов диффузии свободных электронов из металла (где их много) в окружающий вакуум (где их нет). Эмиссия тем интенсивней, чем меньше работа выхода из металла и чем выше температура.

В простейшем электровакуумном приборе, диоде, вакуум создаётся в стеклянном, керамическом или металлическом баллоне. На условном обозначении диода он отображается кружком или овалом, рис. 48.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 Следующая ⇒