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