Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

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 Lp. Так как диффузионная длина , то нужно увеличить либо подвижность носителей m, либо время жизни tp. 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 Т2dIэ1 = dIб2. Коллекторы обоих транзисторов соединены, и этот вывод является коллектором составного транзистора. База первого транзистора играет роль базы составного транзистора dIб = dIб1, а эмиттер второго транзистора – роль эмиттера составного транзистора dIэ2 = dIэ.

Рис. 5.19. Схема составного транзистора

Получим выражение для коэффициента усиления по току b для схемы Дарлингтона. Выразим связь между изменением тока базы dIб и вызванным вследствие этого изменением тока коллектора dIк 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 Iэ1 является базовым током второго транзистора dIб2, 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 b1, 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 jE и диффузионная jD 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 Jэр = g Jэ и коллекторное напряжение Uк:

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 ND(0) = 1017 см-3. При более высоких концентрациях ND(0) будет уменьшаться эффективность эмиттера g. Минимальное значение концентрации в базе ND(W) ограничивается или собственной концентрацией свободных носителей, или значением концентрации неконтролируемой примеси и составляет ND(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 рn(х) по толщине базы, рассчитанное при разных значениях коэффициента неоднородности h.

Рис. 5.22. Распределение концентрации инжектированных носителей рn(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 tдр и диффузионном tдиф 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.




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.