Физические основы электроники
уровней в запрещенной зоне, увеличивающих скорость рекомбинации и
следовательно уменьшается Сдиф.
Разновидностью универсальных диодов является диод с короткой базой. В
таком диоде протяженность базы меньше диффузионной длины неосновных
носителей. Следовательно, диффузионная емкость будет определяться не
временем жизни неосновных носителей в базе, а фактическим меньшим временем
нахождения (временем пролета). Однако осуществить уменьшение толщины базы
при большой площади p-n перехода технологически очень сложно. Поэтому
изготовляемые диоды с короткой базой при малой площади являются
маломощными.
В настоящее время широко применяются диоды с p-i-n-структурой, в
которой две сильнолегированные области p- и n-типа разделены достаточно
широкой областью с проводимостью, близкой к собственной (i-область). Заряды
донорных и акцепторных ионов расположены вблизи границ i-области.
Распределение электрического поля в ней в идеальном случае можно считать
однородным (в отличие от обычного p-n перехода). Таким образом, i-область с
низкой концентрацией носителей заряда, но обладающей диэлектрической
проницаемостью можно принять за конденсатор, «обкладками» которого являются
узкие (из-за большой концентрации носителей в p- и n-областях) слои зарядов
доноров и акцепторов. Барьерная емкость p-i-n диода определяется размерами
i-слоя и при достаточно широкой области от приложенного постоянного
напряжения практически не зависит.
Особенность работы p-i-n диода состоит в том, что при прямом
напряжении одновременно происходит инжекция дырок из p-области и электронов
из n-области в i-область. При этом его прямое сопротивление резко падает.
При обратном напряжении происходит экстракция носителей из i-области в
соседние области. Уменьшение концентрации приводит к дополнительному
возрастанию сопротивления i области по сравнению с равновесным состоянием.
Поэтому для p-i-n диода характерно очень большое отношение прямого и
обратного сопротивлений, что при использовании их в переключательных
режимах.
В качестве высокочастотных универсальных используются структуры с
Шоттки и Мотта. В этих приборах процессы прямой проводимости определяются
только основными носителями заряда. Таким образом, у рассматриваемых диодов
отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием
носителей заряда в базе, что и определяет их хорошие высокочастотные
свойства.
Отличие барьера Мотта от барьера Шоттки состоит в том, что тонкий i-
слой создан между металлом М и сильно легированным полупроводником n+, так
что получается структура М-i-n. В высокоомном i-слое падает все
приложенное к диоду напряжение, поэтому толщина обедненного слоя в n+-
области очень мала и не зависит от напряжения. И поэтому барьерная емкость
практически не зависит от напряжения и сопротивления базы.
Наибольшую рабочую частоту имеют диоды с барьером Мотта и Шоттки,
которые в отличие от p-n-перехода почти не накапливают неосновных
носителей заряда в базе диода при прохождении прямого тока и поэтому имеют
малое время восстановления tВОСТ (около 100 пс).
Разновидностью импульсных диодов являются диоды с накоплением заряда
(ДНЗ) или диоды с резким восстановлением обратного тока (сопротивления).
Импульс обратного тока в этих диодах имеет почти прямоугольную форму
(рисунок 4.2). При этом значение t1 может быть значительным, но t2 должно
быть чрезвычайно малым для использования ДНЗ в быстродействующих импульсных
устройствах.
Получение малой длительности t2 связано с созданием внутреннего поля в базе
около обедненного слоя p-n-перехода путем неравномерного распределения
примеси. Это поле является тормозящим для носителей, пришедших через
обедненный слой при прямом напряжении, и поэтому препятствует уходу
инжектированных носителей от границы обедненного слоя, заставляя их
компактнее концентрироваться зи границы. При подаче на диод обратного
напряжения (как и в обычном диоде) происходит рассасывание накопленного в
базе заряда, но при этом внутреннее электрическое поле уже будет
способствовать дрейфу неосновных носителей к обедненному слою перехода. В
момент t1, когда концентрация избыточных носителей на границах перехода
спадает до нуля, оставшийся избыточный заряд неосновных носителей в базе
становится очень малым, а, следовательно, оказывается малым и время t2
спадания обратного тока до значения I0.
[pic]
Рисунок 2.3 Временные диаграммы тока через импульсный диод.
2.5 Варикапы
Варикапом называется полупроводниковый диод, используемый в качестве
электрически управляемой емкости с достаточно высокой добротностью в
диапазоне рабочих частот. В нем используется свойство p-n-перехода изменять
барьерную емкость под действием внешнего напряжения (рисунок 2.4).
Основные параметры варикапа: номинальная емкость СН при заданном
номинальным напряжением UН (обычно 4 В ), максимальное обратное напря-
жение Uобр max и добротность Q.
Для увеличения добротности варикапа используют барьер Шоттки; эти
варикапы имеют малое сопротивление потерь, так как в качестве одного из
слоев диода используется металл.
[pic]
Рисунок 2.4 Зависимость емкости варикапа от напряжения.
Основное применение варикапов - электрическая перестройка частоты
колебательных контуров. В настоящее время существует несколько
разновидностей варикапов, применяемых в различных устройствах непрерывного
действия. Это параметрические диоды, предназначенные для усиления и
генерации СВЧ-сигналов, и умножительные диоды, предназначенные для
умножения частоты в широком диапазоне частот. Иногда в умножительных диодах
используется и диффузионная емкость.
3 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
3.1 Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы.
3.1.1 Общие сведения
Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный
полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами,
предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению
или мощности. Слово “биполярный” означает, что физические процессы в БТ
определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок).
Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются
достаточно близко - на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-
перехода образуются в результате чередования областей с разным типом
электропроводности. В зависимости от порядка чередования различают БТ типа
n-p-n (или со структурой n-p-n) и типа p-n-p (или со структурой p-n-p),
условные изображения которых показаны на рисунке 3.1.
[pic]
|а) |б) |
|Рисунок 3.1 Структуры БТ. |
Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рисунке 3.2.
В этой структуре существуют два перехода с неодинаковой площадью: площадь
левого перехода n1+-p меньше, чем у перехода n2-p. Кроме того, у
большинства БТ одна из крайних областей (n1 с меньшей площадью) сечения
легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n2).
[pic]
Рисунок 3.2 Структура реального БТ типа n-p-
n.
Сильнолегированная область обозначена верхним индексом “+” (n+).
Поэтому БТ является асимметричным прибором. Асимметрия отражается и в
названиях крайних областей: сильнолегированная область с меньшей площадью
(n1+) называется эмиттером, а область n2 - коллектором. Соответственно
область (p) называется базовой (или базой). Правая область n+ служит для
переход n1+-р называют эмиттерным, а n2-p коллекторным. Средняя снижения
сопротивления коллектора. Контакты с областями БТ обозначены на рисунках
3.1 и 3.2 буквами: Э - эмиттер; Б - база; К- коллектор.
Основные свойства БТ определяются процессами в базовой области,
которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов.
Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм).
Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное
(равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле и носители совершают
в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения
примеси (неоднородная база) в базе существует “внутреннее” электрическое
поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее
движение определяется как диффузией, так и дрейфом. БТ с однородной базой
называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой - дрейфовыми.
Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно
использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3.3,а),
общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок
3.3,в). Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рисунке
3.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях
напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух
источников питания.
В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения
переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили
названия: нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим
насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.
[pic]
|а) |б) |в) |
|Рисунок 3.3 Схемы включения БТ. |
В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует
прямое напряжение (напряжение эмиттер - база UЭБ), а на коллекторном
переходе - обратное (напряжение коллектор - база UКБ). Этому режиму
соответствуют полярности источников питания на рисунке 3.4 и направления
токов для p-n-p транзистора. В случае n-p-n транзистора полярности
напряжения и направления токов изменяются на противоположные.
[pic]
Рисунок 3.4 Физические процессы в БТ.
Этот режим работы (НАР) является основным и определяет назначение и
название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию
носителей в узкую базовую область, которая обеспечивает практически без
потерь перемещение инжектированных носителей до коллекторного перехода.
Коллекторный переход не создает потенциального барьера для подошедших
носителей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, а,
наоборот, ускоряет их и поэтому переводит эти носители в коллекторную
область. “Собирательная” способность этого перехода и обусловила название
“коллектор”. Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на
коллекторный переход подать прямое напряжение UКБ, а на эмиттерный
-обратное UЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом
(ИАР). В этом случае транзистор “работает” в обратном направлении: из
коллектора идет инжекция дырок, которые проходят через базу и собираются
эмиттерным переходом, но при этом его параметры отличаются от
первоначальных.
Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах
являются прямыми одновременно, называют режимом двухсторонней инжекции
(РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмиттер, и
коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу и
одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от
другого перехода.
Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют
обратные напряжения, называют режимом отсечки (РО), так как в этом случае
через переходы протекают малые обратные токи.
Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по
комбинации напряжений переходов, В схеме включения с общей базой (ОБ) они
равны напряжениям источников питания UЭБ и UКБ. В схеме включения с общим
эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением
первого источника (UЭБ = -UБЭ), а напряжение коллекторного перехода зависит
от напряжений обоих источников и по общему правилу определения разности
потенциалов UКБ = UКЭ + UЭБ. Так как UЭБ = -UБЭ, тo UКБ = UКЭ - UБЭ; при
этом напряжение источников питания надо брать со своим знаком:
положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника,
и отрицательным - в другом случае. В схеме включения с общим коллектором
(ОК) напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником: UКБ
= -UБК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: UЭБ
= UЭК + UКБ = UЭК - UБК, при этом правило знаков прежнее.
3.1.2 Физические процессы в бездрейфовом биполярном
транзисторе при работе в активном режиме.
Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно
рассматривать на примере схемы с общей базой (рисунок 3.4), так как
напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор
p-n-p транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из
эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.
В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует
прямое напряжение UЭБ. Поэтому прямой ток перехода
[pic] , (3.1)
где Iэ р, Iэ n - инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов
(из базы в эмиттер), а Iэ рек - составляющая тока, вызванная рекомбинацией
в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для
преодоления потенциального барьера. Относительный вклад этой составляющей в
ток перехода Iэ в (3.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие
Iэр и Iэn, определяющие прямой ток в случае идеализированного р-n перехода.
Если вклад Iэ рек незначителен, то вместо (3.1) можно записать
[pic]. (3.2)
Полезным в сумме токов выражения (3.1) является только ток Iэ р, так
как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. “Вредные”
составляющие тока эмиттера Iэ n и Iэ рек протекают через вывод базы и
являются составляющими тока базы, а не коллектора. Поэтому вредные
компоненты Iэ n, Iэ рек должны быть уменьшены.
Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается коэффициентом
инжекции эмиттера
[pic], (3.3)
который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составляет полезный
компонент. В случае пренебрежения током Iэ рек
[pic]. (3.4)
Коэффициент инжекции (Э "тем выше (ближе к единице), чем меньше
отношение Iэ n/ Iэ р. Величина Iэ n/ Iэ р > NДБ). Это условие обычно и
выполняется в транзисторах.
Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера,
определяющих полезный ток IЭр? Очевидно, что инжектированные дырки повышают
концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е.
вызывают появление градиента концентрации дырок - неосновных носителей
базы. Этот градиент обусловливает диффузионное движение дырок через базу к
коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться
рекомбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть
введением тока рекомбинации дырок IБ рек, так что ток подходящих к
коллекторному переходу дырок
[pic]. (3.5)
Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэффициентом
переноса:
[pic]. (3.6)
Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, инжектированных
из эмиттера в базу, подходит к коллекторному переходу. Значение (Б тем
ближе к единице, чем меньшее число инжектированных дырок рекомбинирует с
электронами - основными носителями базовой области. Ток IБ рек одновременно
характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как
убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покрывается
за счет прихода электронов через вывод базы из внешней цепи, то ток IБ рек
следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной
составляющей IЭ n.
Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить (Б, необходимо
уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое
достигается снижением концентрации доноров Nд Б. Это совпадает с
требованием NАЭ/NДБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции.
Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы
WБ и диффузионной длины дырок в базовой области Lp Б. Доказано, что имеется
приближенное соотношение
[pic]. (3.7)
Например, при WБ/Lp Б = 0,1 (Б = 0,995, что очень мало отличается от
предельного значения, равного единице.
Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет лавинного
размножения проходящих через него носителей, то ток за коллекторным
переходом с учетом (3.5)
[pic] (3.8)
С учетом (3.6) и (3.3) получим
[pic], (3.9)
где
[pic] [pic] . (3.10)
Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к полному току
эмиттера называет статическим коэффициентом передачи тока эмиттера.
Ток коллектора имеет еще составляющую IКБО, которая протекает в цепи
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6
|