МГТУ імені Баумана

Кафедра Мікроелектроніки

Пояснювальна записка до курсового проекту

Тема: Робота біполярних транзисторів в мікрорежимі.

Москва 2007

Зміст

1. Введення

2. Ефекти низьких емітерний напруг

3. Малосігнальние еквівалентні схеми та параметри

4. Висновок

5. Література

1. Введення

Найбільш важлива властивість транзистора - властивість посилювати електричні сигнали. У цього приладу, зазвичай має три висновки вихідний опір відрізняється від вхідного.

Посилення в тілі напівпровідника відбувається за рахунок того, що порівняно великий струм пропускається через область, вельми чутливу до малих зовнішніх струмів або напруг. В біполярному транзисторі регульований струм надходить в емітерной область, проходить крізь чутливу область бази і знімається з колектора. Малі зміни струму бази або напруги між базою і емітером можуть викликати великі зміни струму між емітером і колектором.

Існують два типи біполярних транзисторів: npn і pnp. Букви позначають тип домішки в емітерний, базової і колекторної областях відповідно. У npn - транзисторі неосновні для бази носії, електрони, повинні дифундувати крізь базову область p-типу, проникаючи в колекторну область n-типу.

Поведінка транзистора наближено описується за допомогою моделей. Побудова моделей переслідує наступні основні цілі: пояснити поведінку приладу і дати можливість це поведінка передбачити; забезпечити проектування приладів і схем із заздалегідь відомими робочими характеристиками. Будь-яка модель буде адекватно описувати поведінку приладу в деякому діапазоні значень його параметрів.

2. Ефекти низьких емітерний напруг

У транзистора, що працює в активному режимі, вимір залежностей базового і колекторного струмів від напруги на емітерний перехід дозволяє виявити деякі цікаві особливості. Фізичний механізм роботи транзистора такий, що результати цих вимірювань найпростіше аналізувати при логарифмічному масштабі по осі струму і лінійному - по осі напруги. Типові результати вимірювань для підсилювального інтегрального npn-транзистора наведені на рис. 1. Відмінне збіг графіків струмів Iс і Iв з прямими лініями в середній частині діапазону струмів свідчить про їх експоненційної залежності від напруги.

При малих напругах на емітерний перехід нахил лінійної залежності lgI _B від vb _E зменшується. Експериментальні дані показують, що при наближенні vb _E до нуля - базовий струм асимптотично прагне до кривої, що описується наступним виразом:

(1)

У цьому асимптотичному вираженні значення параметра п зазвичай лежить в діапазоні від 1 до 2. Більш того, значення параметра Iо перевищує значення відповідного множника в експоненційному вираженні, що описує дану залежність в середній частині діапазону напруг зсуву емітерного переходу.

Джерело додаткового струму емітерного переходу при малих напругах зсуву - це рекомбінація в області об'ємного заряду емітерного переходу.

Мал. 1. Типові залежності колекторного і базового струмів від напруги база-емітер при зсувах, відповідних прямому активному режиму.

Значення параметра п в діапазоні між 1 і 2 можна пояснити з урахуванням можливих змін різних параметрів, що впливають на процеси рекомбінації в області об'ємного заряду. Відносний внесок рекомбинационной складової струму в порівнянні з інжекційними струмами, що впадає до квазінейтральності області, збільшується при зменшенні напруги на переході.

Струм рекомбінації в області об'ємного заряду тече тільки через базовий і емітерний висновки транзистора. Його перевага не впливає на колекторний струм, який практично повністю представляє собою результат коллектірованія електронів, інжектіруемих емітерним переходом. Отже, при зменшенні vb _E колекторний струм описується рівнянням:

(2)

Мал. 2. Залежність коефіцієнта посилення по току від колекторного струму для транзистора з характеристиками, наведеними на рис. 1.

до тих пір, поки струм інжекції не впаде настільки, що в складі колекторного струму не почне переважати ток генерації в області об'ємного заряду. Таким чином, при малих напругах зсуву колекторний струм становить меншу частину емітерного токапосравненію із середньою частиною діапазону напруг зсуву. Більш наочно ця залежність видно на графіку відносини , Яке представляє собою параметр транзистора. Графік наведено на рис. 2 і побудований за експериментальними даними рис. 1. Падіння при малих напругах зсуву емітерного переходу являє собою очевидне обмеження на застосування транзисторів для посилення малих напруг.

3. Малосігнальние еквівалентні схеми та параметри

Великому класу так званих лінійних електронних схем властивий такий режим роботи транзистора, при якому на тлі порівняно великих постійних струмів і напруг діють малі змінні складові. Саме ці складові становлять в таких схемах основний інтерес. Запишемо напруги і струми в вигляді

де U ° і I ° постійні складові; Uі I - змінні складові, багато менші постійних.

Постійні і змінні складові аналізуються і розраховуються окремо. При аналізі постійних складових використовується нелінійна фізична модель Молла - Еберса. При аналізі змінних складових використання нелінійної моделі не має сенсу, так як зв'язок між малими приростами визначається не самими функціями, а їх похідними. Тому для аналізу змінних складових користуються спеціальними - малосигнальних моделями (еквівалентними схемами), що складаються з лінійних елементів. Ці елементи відображають ті похідні, які пов'язують між собою малі збільшення струмів і напруг.

Мал. 3. Малосигнальная модель транзистора при включенні ПРО.

Таким чином малосигнальная (і, додамо, низькочастотна) еквівалентна схема транзистора при заданому струмі емітера приймає такий вигляд, як показанонаріс. 3. Ємності З _Е і Ск будуть враховані пізніше.

Позитивний напрямок струму емітера вибрано довільно, оскільки знак збільшення Iе може бути будь-яким. позначення для простоти опущені.

Зауважимо, що коефіцієнт в малосигнальної схемою (індекс N опущений) є диференціальним, на відміну від інтегрального, яким ми користувалися досі. Диференціальний коефіцієнт визначається як похідна dIk / dIе, тоді як інтегральний коефіцієнт є ставлення Ik / Iе. Обидва коефіцієнта не однакові, але ця різниця не суттєво.

Диференціальний опір емітерного переходу r _Е виражається:

(3)

де r _Е - постійна складова струму. При струмі 1 мА опір r _Е складає 25 Ом.

Диференціальний опір колекторного переходу г _K обумовлено ефектом Ерлі.

(4)

де Uк - модуль зворотної напруги. Слід звернути увагу на те, що опір г _K, як і r _Е обернено пропорційно постійної складає струму. Крім того, воно дещо зростає зі збільшенням напруги, проте ця залежність мало істотна. Для орієнтування підставимо в (4) значення L = 10 мкм, і = 1 мкм, N == 10 ¹⁶ см ^-3 і Uk = 4 В. Тоді г _k = 10 ² / Iе, при струмі 1 мА виходить r _к = 1 МОм.

Мал. 4. Малосигнальная модель транзистора при включенні ОЕ.

Оскільки в підсилюючих транзисторах типове значення коефіцієнта посилення по току дуже велике, можна на перший погляд вирішити, що базовий струм дуже малий і отже, опір базової області транзистора дуже слабо впливає на його роботу. Таке спрощене уявлення не враховує, що малі відмінності напруги в базовій області суттєво посилюються завдяки експоненціальним множнику в рівнянні діода і тим самим вони можуть викликати значно більші відмінності в щільності струму уздовж емітерного pn-переходу транзистора.

Мал. 5. Перетин транзистора, що працює в активному режимі. Базовий струм подається через два бічних базових контакту і тече до центру емітера викликаючи зміну напруги на емітерний перехід з координатою.

Розглянемо поперечний переріз транзистора, показане на рис. 5. При зростанні напруги vb _E щодо нульового рівня інжекції електронів з емітерний області буде максимальною в тій частині переходу, де концентрація домішки в базі Na мінімальна. Оскільки базова область формується методом дифузії, максимальна інжекція матиме місце на нижній площині дифузійного емітера. У цю область буде втікати базовий струм основних носіїв, поставляючи в неї носії для рекомбінації і для інжекції в емітер. Однак типова товщина базової області становить менше 1 мкм і тому зазвичай між базовим електродом і активною областю транзистора завжди є кінцеве послідовний опір. Весь струм емітерного переходу розподілений по активній області емітера (рис. 5), тому в міру наближення до центральної лінії емітера базовий струм безперервно зменшується. З цієї причини розрахувати деяке значення опору, яке б безпосередньо імітувало омическое падіння напруги в базовій області, не можна. Ще більш істотно те обставина, що падіння напруги вздовж базової області викликає поступове зменшення напруги зсуву емітерного переходу уздовж неї.

Мал.6. Залежність колекторного струму від напруги база - емітер, що ілюструє відхилення від ідеальної характеристики при великих токах.

Тому щільність инжектированного електронного струму знижується від свого максимального значення, яке має місце на ділянці активної області, найближчому до базового електроду, до свого мінімального значення в центрі емітера. Це витіснення струму до периметру емітера збільшується зі зростанням напруги зсуву і викликає локальний перегрів структури вже при таких токах, які були б цілком припустимі в разі рівномірного розподілу струму в ній. Ефекти високого рівня інжекції, розглянуті на початку даного розділу, теж виявляються при менших значеннях струму, що пояснюється нерівномірним розподілом щільності струму в активній області транзистора. Для зниження опору бази в потужних транзисторах базові та емітерний контакти робляться у вигляді великих суміщених гребінчастих структур.

Графік залежності колекторного струму від напруги на емітерний перехід для транзистора, в якому опір бази грає істотну роль, показаний на рис. 6. Оскільки дія опору бази проявляється як зменшення напруги зсуву переходу, експериментальні дані рис. 6 можна спробувати описати наступним виразом:

(5)

При такому підході, як свідчить аналіз ефекту витіснення струму, опір R _B в (5) (воно називається розподіленим опором бази) повинно бути змінним. Результати вимірювань величин Ic, Ibі vb _E показують, що для їх відповідності до рівняння (5) опір R _B має зменшуватися з ростом струму (рис. 7). Початковий спад опору бази, що спостерігається на рис. 7, відповідає зменшенню довжини ланцюга протікання струму між базовим електродом і активною областю транзистора при зростанні струму.

Рис. 7. Опір бази в транзисторі рис. 7.10. Значення R _B отримані за допомогою підстановки експериментальних даних в рівняння (5).

Якби при цьому все визначалося тільки розподіленим опором бази, то після повного витіснення струму до периметру емітерний області дана залежність виходила б на деякий асимптотическое значення R _B, причому все це опір визначалося б пасивними областями бази. Однак в транзисторі починають діяти і інші ефекти високого рівня інжекції, які можуть викликати додаткове зменшення R _B.

Скориставшись просторово розподіленої формою рівняння діода, описані вище ефекти витіснення струму можна проаналізувати в точному вигляді. Однак це вимагає щодо громіздкого математичного апарату, що може замаскувати дію фізичних механізмів, що визначають цей ефект. Тому тут буде виконаний наближений аналіз, в якому транзистор розбивається на окремі секції. При цьому вважається, що кожна така секція має такий же коефіцієнт посилення по току, що і вихідний транзистор, і описується моделлю ідеального транзистора, т. Е. Має пренебрежимо малий опір бази. Кожна секція характеризується своєю пропорційною частиною повного струму насичення (Is в рівнянні (5)) і відділена від сусідньої секції опором, відповідним частини фізичного опору уздовж її базової області. Збільшуючи кількість секцій, на яке розбивається транзистор, можна підвищувати точність аналізу і в кінцевому рахунку вийти на точне рішення для розподіленої моделі.

4. Висновок

Дуже велике значення (особливо для промислового виробництва) має створення транзисторів з високим посиленням по току при малих напругах зсуву, а, отже, з малими струмами рекомбінації в області об'ємного заряду. Виробництво таких виробів, як підсилювачі для слухових апаратів та стимулятори серцевої діяльності для кардіологічних хворих, безпосередньо залежить від можливості створення інтегральних транзисторів з високими робочими характеристиками при мінімальних токах. При виготовленні ІС подібного призначення основні зусилля зазвичай спрямовують на те, щоб отримати мінімально можливі часи життя носіїв в області об'ємного заряду емітерний переходів.

В даному курсовому проекті ми розглянули принцип дії npn-транзистора. Отримали графіки залежності і R _B від Ic.

5. Література

1. І.П. Степаненко "Основи Мікроелектроніки" М. Сов. радіо 1980р.

2. І.М. Викулин "Фізика напівпровідникових приладів" М. Радіо і Зв'язок 1990р.

3. В.В. Пасинків, Л.К. Чиркин, А.Д. Шинків "Напівпровідникових прилади" М. Вища. Школа 1981р.

4. Р. Маллер, Т. Кейміс "Елементи інтегральних схем" М. Світ 1989р.

5. У. Тілл, Дж. Лаксоно "Інтегральні схеми" М. Світ 1985р.