Твердотельная электроника

1. Твердотельная электроника

Электронный учебно-методический
комплекс
Твердотельная электроника
Презентации к лекционному курсу
Биполярные транзисторы
МОСКВА
2020
НИУ «МЭИ»

2. Биполярные транзисторы

В 1947 г. американские ученые Дж. Бардин и В. Браттейн
создали п/п-ковый триод, или транзистор (от англ. transit –
пропускать и resistor – резистор) (Нобелевская премия В. Шокли,
Дж. Бардина, У. Браттейна. 1956 г.).

3.

На фото - первый в мире
полупроводниковый
транзистор на прижимном
контакте

4.

Это событие имело громадное значение для развития
п/п-ковой электроники. Транзисторная структура легла в основу
обширного класса усилительных приборов – биполярных
транзисторов.
Определение «биполярный» указывает на то, что работа
транзистора связана с процессами, в которых принимают е-ны и
дырки, то есть основные и неосновные НЗ.
Транзистором называется п/п-ковый прибор с двумя
расположенными на близком расстоянии параллельными pnпереходами, предназначенный для усиления и генерирования
электрических сигналов.

5.

Различают npn-транзисторы и pnp-транзисторы
Стрелкой обозначен эмиттер, направление стрелки, как и в
случае диода, от p-типа к n-типу

6.

Центральную часть транзистора называется базой (Б), левая
высоколегированная – эмиттер (Э), правая, низколегированная –
коллектор (К). Переход, разделяющий эмиттер и базу, называется
эмиттерным переходом (ЭП), а переход, разделяющий базу и
коллектор, – коллекторным переходом (КП).

7. Распределение примеси в pnp-транзисторе

8.

9. Зонная диаграмма p-n-p транзистора при ТДР

10.

Включение транзисторов в схему
В электрическую схему транзистор можно включить
тремя режимами (в зависимости от того, какой электрод
является общим для входного и выходного напряжения): с
общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим
коллектором (ОК).

11.

ОБ
ОК
ОЭ

12.

Включение транзистора по схеме с общей базой
Пусть ЭП включен в прямом направлении, КП – в обратном.

13.

14.

Такая полярность напряжения обеспечивает открытое
состояние ЭП и закрытое состояние КП, что соответствует
активному режиму работы транзистора, когда выходной
(коллекторный) ток изменяется в соответствии с входным
напряжением или током. Другие режимы – инверсный,
насыщения и отсечки – будут рассмотрены ниже.
Напряжение, приложенное к ЭП, уменьшает потенциальный
барьер, и из Э в Б инжектируются ОНЗ (дырки в pnp-транзисторе
или электроны в npn-транзисторе), становясь в базе ННЗ
(избыточными, неравновесными). Этот поток очень сильно
зависит от напряжения на эмиттерном переходе VЭБ,
экспоненциально возрастая с ↑ VЭБ.
Поток дырок и, соответственно, ток коллектора IК,
являющийся выходным током транзистора, очень эффективно
управляется входным напряжением VЭБ и не зависят от
выходного напряжения VКБ.

15.

Вследствие диффузии инжектированные НЗ движутся через
базу к КП, частично рекомбинируя с ОНЗ – дырками в npnтранзисторе и электронами в pnp-транзисторе.
Между Б и К для ННЗ барьера нет, поэтому все дошедшие до
К НЗ проходят через КП и создают IК.
Говорят, что достигнувшие КП НЗ экстрагируются полем
закрытого КП в коллектор.
Эффективное управление выходным током с помощью
входного напряжения составляет основу принципа работы
биполярного транзистора и позволяет использовать транзистор
для усиления электрических сигналов.
Определим характер распределения ННЗ и токов в областях
базы, эмиттера и коллектора транзистора.

16. Распределение ННЗ в базе

17. Распределение токов

18.

Отношение приращения IК к вызвавшему его приращению IЭ
при постоянном напряжении на коллекторе называют
коэффициентом передачи тока эмиттера
dI К
|U К const
dI Э
Коллекторный ток транзистора обусловлен не всем
эмиттерным током, а только его дырочной составляющей.
Поэтому коэффициент передачи зависит от того, какую часть тока
эмиттера составляет именно его дырочная компонента.
Для
характеристики
эмиттерного
перехода
вводят
коэффициент инжекции
dI pЭ
dI pЭ
dI Э d ( I pЭ I nЭ )

19.

pnp
dI pЭ
dI Э
dI pЭ
d ( I pЭ I nЭ )
dI nЭ
dI nЭ
npn
dI Э d ( I pЭ I nЭ )

20.

Не все инжектированные Э-м дырки доходят до К-ра,
некоторая их часть рекомбинирует в базе, поэтому плотность
дырочного тока коллектора jpК < jpЭ, а IpК < IpЭ.
Для отражения этого вводят понятие коэффициента переноса
или коэффициента рекомбинации æ, который показывает, какая
часть инжектированных НЗ достигла коллектора. По определению
dI pК
æ
dI pЭ
Коэффициент переноса зависит от ширины базы WБ и
диффузионной длины ННЗ в базе Lp. Именно необходимость
обеспечить перенос инжектированных НЗ через базу транзистора
выдвигает требование, чтобы их диффузионная длина Lp была
больше ширины базы транзистора Lp>>W.

21.

Выполнение этого условия позволяет обеспечить высокие
значения коэффициента переноса (обычно æ 0.98 ).
Преимущественное легирование одной из областей влечет за
собой преимущественное инжектирование е-нов либо дырок.
Если считать IК чисто дырочным, что справедливо для сильно
легированного эмиттера, то коэффициент передачи:
α γ æ
Аналитические выражения, связывают коэф. передачи α с
физическими свойствами п/п-ковых материалов р- и n-областей.
Допущения:
• модель тр-ра одномерная;
• эл. поля в базе нет (Е=0);
• генерация и рекомбинация в pn-переходах отсутствуют;
• уровень инжекции Э мал (НУИ).

22. Уравнение диффузии дырок в области базы в стационарном режиме

2 pn x pn ( x ) pn 0
Dp
0
2
x
p
Граничные условия:
при x = 0 :
при x = Wб :
pnБ
U ЭБ
pn 0 exp
Т
pnБ
U КБ
pn 0 exp
Т
0

23.

Решение уравнения имеет вид:
p nБ x p n 0 Б
pn0 Б
W x
x
p Э sh
p К sh
L pБ
L pБ
W
sh
L pБ
U ЭБ
exp
Т
W x
x
1 sh
sh
L pБ
L pБ
W
sh
L pБ

24.

Плотность дырочного
последнее выражение по х:
j p x q D pБ
тока
dp Б х q D pБ p n 0 Б
L pБ
dx
найдем,
U ЭБ
exp
Т
дифференцируя
x
W x
1 ch
ch
L pБ
L pБ
W
sh
L pБ
Полагая х = 0 и х = W, находим дырочные составляющие
токов эмиттерного и коллекторного переходов:
j pЭ
q D pБ pn 0 Б
LpБ
U ЭБ
W
exp
1
ch
1
LpБ
Т
W
sh
LpБ
j pK
qD pБ pn 0 Б
LpБ
(1)
U ЭБ
W
exp
1
сh
LpБ
Т
W
sh
LpБ
(2)

25.

Используя выражения (1) и (2), найдем коэффициент
переноса:
dI pК W
æ
сh
dI pЭ LpБ
1
(3)
Для нахождения коэффициента инжекции γ необходимо
знать полный ток эмиттера. Для нахождения электронной
составляющей тока эмиттера решим уравнение диффузии
электронов в p-области эмиттера:
DnЭ
2 n pЭ х
x
2
n pЭ х n p 0 Э
nЭ
0

26.

при x = 0 :
при x = :
U ЭБ
n pЭ | x 0 n p 0 Э exp
Т
n pЭ | x n p 0 Э
n pЭ x n pЭ x n p 0 Э
U ЭБ
n p 0 Э exp
Т
x
1 exp
LnЭ

27.

j nЭ x q DnЭ
DnЭ n p 0 Э U ЭБ
q
exp
dx
LnЭ
Т
dn pЭ
x
1 exp
LnЭ
Электронную компоненту тока ЭП на границе с базой
получим из этого выражения при x=0:
j nЭ
DnЭ n p 0 Э U ЭБ
q
exp
LnЭ Т
1
Эмиттерный ток имеет две компоненты:
jЭ
q D pБ pn 0 Б
L pБ
U ЭБ
exp
Т
jЭ j pЭ jnЭ
W
1 ch
1
L pБ
q DnЭ n p 0 Э
W
LnЭ
sh
L pБ
U ЭБ
exp
Т
1

28.

dj pЭ
DnЭ n p 0 Э LpБ
W
1
th
d j pЭ jnЭ D pБ pn 0 Б LnЭ
LpБ
1
(4)
Если бы эмиттерный ток целиком состоял из ННЗ (γ = 1) и
все они доходили до коллектора ( æ 1 ), то коллекторный ток
был бы равен току эмиттера, а коэффициент передачи = 1.

29.

Для нахождения коэффициента передачи тока эмиттера
найдем электронную составляющую тока коллектора, для
этого решим уравнение диффузии для е-нов в p-области
коллектора:
n pK
2
DnK
x
2
n pK n p 0 K
nK
0
c граничными условиями:
U КБ
exp
Т
при x = W:
n pК | x W n p 0 К
при x :
n pК | x n p 0 К
0

30.

Решение имеет вид:
n pК x n pК x n p 0 К n p 0 К
j nК x q DnК
x W
exp
LnК
x W
dnК q DnК n p 0 К
exp
dx
LnК
LnК
Зная электронную и дырочную составляющие тока
коллектора, получаем полный ток через коллекторный
переход при x = W :
U ЭБ
x
1 ch
exp
L pБ
q D nК n p 0 К q D pK p n 0 K Т
j К x
W
L
L
nК
pK
sh
L pБ

31.

1
dI К DnЭ n p 0 Э LpБ
W W
1
th
ch
dI Э D pБ pn 0 Б LnЭ
LpБ LpБ
1
(7)
Уравнения (3), (4) и (7) примут более простой вид, если
гиперболические функции, входящие в них, разложить в ряд
Тейлора. Учитывая, что W L p 1 :
W
W
W
sh
th
;
LpБ
LpБ LpБ
W
1 W
ch
1
L pБ
2 L pБ
2

32.

DnЭ n p 0 Э W
1
D
p
L
pБ
n
0
Б
nЭ
W
æ сh
L
pБ
1
1
1
1 W
1
2 L pБ
2
DnЭ n p 0 Э
D pБ p n 0 Б
1
DnЭ n p 0 Э W
1
D pБ p n 0 Б LnЭ
W
LnЭ
1 W
1
2 L pБ
1
2

33.

Учитывая связь ОНЗ и ННЗ
n Nd pn0 ; n Na np 0
2
i
2
i
можно записать:
,
DnЭ N dБ W
1
D pБ N aЭ LnЭ
D
N
W
nЭ
dБ
1
D
N
L
pБ
aЭ
nЭ
1

34.

I Э I Б I К ; I к I э I КБ 0
Ток базы IБ тр-ра будет состоять из трех компонент,
включающих электронный ток в ЭП
I nЭ 1 I Э
рекомбинационный ток в базе
1 æ γ I Э
и тепловой ток коллектора IКБ0.

35.

Тепловой ток коллектора при включении по схеме ОБ IКБ0
имеет две составляющие:
I КБ 0 I s I g
где Is – тепловой ток насыщения, Ig – ток генерации
коллекторного pn-перехода. Ток IКБ0 – ток обратно смещенного
КП.
Т.о., в биполярном тр-ре реализуются четыре физических
процесса:
инжекция из Э в Б;
диффузия через базу;
рекомбинация в базе;
экстракция из Б в К.

36. Входная и выходная ВАХ p-n-p транзистора в схеме ОБ

активная
область
отсечка

37. Уравнения транзистора в схеме ОБ

DnК N dБ W
I 1
D pБ N aК LnК
1

38. Распределение ННЗ в базе pnp-транзистора в нормальном режиме

39. Распределение ННЗ в базе pnp-транзистора в режиме насыщения

40. Распределение ННЗ в базе pnp-транзистора в режиме отсечки

41.

I Б I Э I К I Э I Э I Э 1
Из-за высокого выходного сопротивления rК в цепи коллектора
может быть включено достаточно большое сопротивление
нагрузки (RК) – до 1 МОм.
dU КБ ↑
rК ↓
| I Э const
dI K
С ↑ UК ширина базы ↓, → ↓ вероятность рекомбинации
дырок в базе, и при постоянном IЭ ток дырок, доходящих до
коллектора, должен возрастать. Поэтому rК должно
уменьшаться.
Относительно малое изменение напряжения на эмиттере
будет вызывать большое изменение напряжения на
сопротивлении нагрузки.
В результате различия входного и выходного сопротивлений
транзистор дает усиление по мощности.

42. Включение транзистора в схеме ОЭ

Включение транзистора по схеме с общим
эмиттером
Включение транзистора в схеме ОЭ

43. Расчет ВАХ в схеме ОЭ

1

44. Входные ВАХ транзистора в схеме ОЭ

отсечка

45.

При обратных напряжениях на КП и фиксированном
напряжении на ЭП |UБЭ| постоянной будет концентрация дырок в
базе вблизи ЭП.
↑ UКЭ будет сопровождаться расширением ОПЗ КП и ↓ W
(эффект Эрли) и, следовательно, уменьшением общего
количества дырок, находящихся в базе.
При этом ∂pn/∂x в базе будут расти, что приводит к
дальнейшему уменьшению их концентрации. Как отмечалось,
при ТДР: G0 R0 n0 pn 0
При pn pn 0 число рекомбинаций е-нов и дырок в базе в
единицу времени уменьшается (возрастает коэффициент
переноса). Так как е-ны для рекомбинации приходят через
базовый вывод, ток базы уменьшается и входные ВАХ
смещаются вниз.

46.

При обратном смещении, процесс тепловой генерации будет
преобладать над процессом рекомбинации .
Генерированные е-ны уходят из базы через базовый вывод,
что означает наличие электрического тока, направленного в базу
транзистора. Это – режим отсечки, он характеризуется сменой
направления тока базы.

47. Выходные ВАХ транзистора в схеме ОЭ

48.

Влияние напряжения Эрли на выходные ВАХ
транзистора
-

49.

Включение транзистора по схеме с общим
коллектором
Если входная и выходная цепи имеют общим электродом
коллектор (ОК) и выходным током является ток эмиттера, а
входным ток базы, то для коэффициента передачи тока
dI Э
dI Э
справедливо:
1
K iк
1
dI Б d I Э (1 ) 1
В таком включении коэффициент передачи тока несколько выше,
чем во включении ОЭ, а коэффициент усиления по напряжению
незначительно меньше единицы, так как разность потенциалов
между базой и эмиттером практически не зависит от тока базы.
Потенциал эмиттера практически повторяет потенциал базы,
поэтому каскад, построенный на основе транзистора с ОК,
называют эмиттерным повторителем. Однако этот тип
включения используется сравнительно редко.

50.

Выводы
1. Схема с ОЭ обладает высоким усилением как по
напряжению, так и по току. У нее самое большое усиление по
мощности. Это самая распространенная усилительная схема.
2. Схема с ОБ усиливает напряжение (примерно, как и схема
с ОЭ), но не усиливает ток. Схема находит применение в
усилителях высоких и сверхвысоких частот.
3. Схема с ОК (эмиттерный повторитель) не усиливает
напряжение, но усиливает ток. Основное применение данной
схемы – согласование сопротивлений источника сигнала и
низкоомной нагрузки.