Составные транзисторы. Схема Дарлингтона

Создание мощного высоковольтного транзистора, предназначенного для работы в режиме переключения и характеризующегося переходом из закрытого состояния с высоким обратным напряжением в открытое состояние с большим током коллектора, т.е. с высоким коэффициентом b, имеет схемотехническое решение.

Как отмечалось в разделе 5.14, значение коэффициента b характеризует качество биполярного транзистора, поскольку чем больше коэффициент b, тем эффективнее работает транзистор. Коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером b определяется следующим соотношением: . Для увеличения значения коэффициента b нужно либо уменьшить ширину базы биполярного транзистора W, либо увеличить диффузионную длину L_p. Так как диффузионная длина , то нужно увеличить либо подвижность носителей m, либо время жизни t_p. Это достаточно трудно, так как необходимо использовать материалы с высокой подвижностью для электронов (например, GaAs, InP), причем только в транзисторах n‑p‑n.

Между тем имеется схемотехническое решение, когда определенным образом соединенные два биполярных транзистора имеют характеристики как для одного транзистора с высоким коэффициентом передачи b эмиттерного тока. Такая комбинация получила название составного транзистора, или схемы Дарлингтона (рис. 5.19). В составном транзисторе база первого транзистора Т₁ соединена с эмиттером второго транзистора Т₂dI_э1 = dI_б2. Коллекторы обоих транзисторов соединены, и этот вывод является коллектором составного транзистора. База первого транзистора играет роль базы составного транзистора dI_б = dI_б1, а эмиттер второго транзистора – роль эмиттера составного транзистора dI_э2 = dI_э.

Рис. 5.19. Схема составного транзистора

Получим выражение для коэффициента усиления по току b для схемы Дарлингтона. Выразим связь между изменением тока базы dI_б и вызванным вследствие этого изменением тока коллектора dI_к составного транзистора следующим образом:

;

;

;

;

.

Поскольку для биполярных транзисторов коэффициент усиления по току обычно не составляет несколько десятков (β₁, β₂ >> 1), то суммарный коэффициент усиления составного транзистора будет определяться произведением коэффициентов усиления каждого из транзисторов bS » b₁b₂ и может быть достаточно большим по величине.

Отметим особенности режима работы таких транзисторов. Поскольку эмиттерный ток первого транзистора I_э1 является базовым током второго транзистора dI_б2, то, следовательно, транзистор Т₁ должен работать в микромощном режиме, а транзистор Т₂ в режиме большой инжекции, их эмиттерные токи отличаются на 1-2 порядка. При таком неоптимальном выборе рабочих характеристик биполярных транзисторов Т₁ и Т₂ не удается в каждом из них достичь высоких значений усиления по току. Тем не менее даже при значениях коэффициентов усиления b_1, b₂~ 30 суммарный коэффициент усиления bS составит bS ~ 1000.

Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ, наоборот, и граничная частота усиления по току, и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов Т₁ и Т₂.

Дрейфовые транзисторы

В предыдущих разделах рассматривался перенос инжектированных носителей через базу биполярного транзистора. Процесс переноса являлся диффузионным, поскольку электрическое поле в базе отсутствует. При диффузионном переносе скорость направленного движения носителей невысока и, следовательно, время переноса носителей через базу будет большим. Для повышения быстродействия транзисторов необходимо уменьшить время пролета, а следовательно, увеличить скорость движения инжектированных носителей в базе. Одним из способов этого будет переход от диффузионного к дрейфовому механизму переноса в базе.

За счет внешних источников напряжения создать электрическое поле в квазинейтральном объеме барьерных структур не представляется возможным. В дрейфовых транзисторах используется принцип встраивания электрического поля в базу (аналогично электретному механизму для диэлектриков). Этот принцип реализуется путем неоднородного легирования базы.

Рассмотрим неоднородно легированный полупроводник n-типа, в котором концентрация примеси меняется по координате х (рис. 5.20). В таком полупроводнике будет градиент концентрации свободных носителей. Градиент концентрации свободных носителей приводит к возникновению диффузионного тока . Этот ток вызовет перераспределение свободных носителей, в то время как ионизованные доноры останутся на своих прежних местах. Вследствие этого возникает электрическое поле Е, препятствующее дальнейшему разделению электронов и вызывающее появление дрейфовой компоненты электрического тока.

Рис. 5.20. Схематическое изображение неоднородно легированного полупроводника n-типа и его зонная диаграмма

В стационарных условиях в неоднородно легированном полупроводнике существуют электрическое поле E(x) и равные по величине, но противоположные по направлению дрейфовая j_E и диффузионная j_D компоненты тока:

.5.34)

Таким образом, из уравнения (5.35) следует, что величина электрического поля E(x) будет:

.(5.35)

Используя соотношение Эйнштейна , получаем:

.(5.36)

В случае экспоненциального распределения легирующей примеси (рис. 5.21) получим выражение для электрического поля.

Продифференцируем выражение для концентрации:

.(5.37)

Подставляя выражение (5.37) в уравнение (5.36), получаем для электрического поля

.(5.38)

Из полученного соотношения следует, что при экспоненциальном законе распределения примеси в полупроводнике возникает постоянное электрическое поле Е, значение которого определяется уравнением (5.38).

Рассмотрим эту ситуацию применительно к биполярному транзистору p‑n‑p типа. В случае неоднородно легированной базы (причем вблизи эмиттера база должна быть сильно легирована, а вблизи коллектора – слабо) электрическое поле в базе направлено от эмиттерного перехода к коллекторному. При инжекции неосновных носителей (дырок) они будут ускоренно двигаться в электрическом поле и добавят к диффузионному процессу переноса через базу дополнительно дрейфовый перенос.

Рис. 5.21. Диаграмма, иллюстрирующая распределение концентрации легирующей примеси дрейфового транзистора, и зонная диаграмма

Для того, чтобы точно найти распределение инжектированных носителей по базе биполярного транзистора р(х), нужно решить уравнение непрерывности с учетом дрейфовой и диффузионной компонент тока:

.(5.39)

Будем рассматривать только стационарный случай, когда , и для простоты – экспоненциальный закон распределения примеси по базе.

Введем параметр – коэффициент неоднородности базы. Уравнение (5.39) перепишем, учитывая, что электрическое поле .

С учетом этого уравнение непрерывности приобретает следующий вид:

.(5.40)

Граничные условия для этого уравнения имеют следующий вид исходя из того, что заданы эмиттерный ток J_эр = g J_э и коллекторное напряжение U_к:

Рассмотрим физический смысл коэффициента неоднородности базы h. Для этого проведем следующее преобразование выражения :

.

Извлечем квадратный корень и прологарифмируем это выражение.

Получаем .

Следовательно

.(5.41)

Из соотношения (5.51) следует, что коэффициент неоднородности базы h определяется логарифмом отношения концентрации примеси на границах базы.

Оценим значение коэффициента неоднородности h. Максимальное значение концентрации в базе может составлять N_D(0) = 10¹⁷ см^-3. При более высоких концентрациях N_D(0) будет уменьшаться эффективность эмиттера g. Минимальное значение концентрации в базе N_D(W) ограничивается или собственной концентрацией свободных носителей, или значением концентрации неконтролируемой примеси и составляет N_D(W) = 10¹² см^-3. При этих параметрах максимальное значение коэффициента неоднородности h будет h = 5, реальные же значения h = 2¸4.

Решение уравнения (5.35) с граничными условиями после ряда упрощений дает следующее выражение для распределения инжектированных дырок в базе дрейфового транзистора:

.(5.42)

На рисунке 5.22 представлено распределение концентрации р_n(х) по толщине базы, рассчитанное при разных значениях коэффициента неоднородности h.

Рис. 5.22. Распределение концентрации инжектированных носителей р_n(х) при разных значениях h

Рассчитаем коэффициент переноса для дрейфового транзистора, аналогично как и для диффузионного БТ, измеряя отношения токов в начале и в конце базы. Получаем:

.(5.43)

В уравнении (5.53) сомножитель k(h) аппроксимируется соотношением: .

При значениях h = 2¸5, значения коэффициента k(h) будут равны k(h) = 0,33¸0,20.

Из уравнения (5.53) следует, что в дрейфовых транзисторах при прочих равных условиях коэффициент переноса κ возрастает по сравнению с коэффициентом в диффузионных транзисторах.

Рассмотрим, как меняется коэффициент усиления по току b для схемы с общей базой. Значение коэффициента усиления b определяется соотношением:

.

Отсюда следует, что коэффициент усиления по току b в дрейфовых транзисторах возрастает в 3÷5 раз по сравнению с коэффициентом в диффузионных транзисторах.

Оценим динамические параметры дрейфового транзистора. Сравним время переноса через базу в биполярном транзисторе при дрейфовом t_др и диффузионном t_диф переносе.

.

Отношение времен .

Для нахождения времени пролета при наличии обоих механизмов сложим обратные величины:

.

Таким образом, время переноса в дрейфовых транзисторах будет в 3÷5 раз меньше, чем в диффузионных транзисторах.

Поиск по сайту: