книги из ГПНТБ / Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники

Напряжение пробоя коллекторного перехода возрастает с уве­ личением сопротивления в эмиттере. Когда это сопротивление зна­ чительно превосходит сопротивление в базе (т. е. когда эмиттер работает прп холостом ходе), напряжеппе пробоя достигает своей наибольшей величины и становится равным напряжению лавин­ ного пробоя одиночного перехода UK л . Необходимую для расче­ тов по предыдущим формулам величину UK л можно определить пз вольт-амперпой характеристики перехода, снятой при холостом ходе в цепи эмиттера (13 = 0).

При коротком замыкании на входе (i?0 = R 3 = 0) напряжение пробоя равно:

Из этого выражения следует, что по мере уменьшения тока эмиттера 1Э напряжение пробоя возрастает, так как увеличивается

когда ток эмиттера успевает заметпо увеличиться, а напряженно

Подставив в это равенство выражение для коэффициента пере­ дачи тока эмиттера

aN = -

aTN Уэ

1-

получим формулу для расчета иапряжепия пробоя коллекторного перехода в области отсечки

200'

Аналогичной формулой выражается напряжение пробоя эмиттер­ ного перехода

Напряжение лавинного пробоя не зависит от формы, длитель­ ности и скважности шшульсов, так как лавинный процесс разви­ вается за очень короткое время, составляющее доли наносекунды. Поэтому в импульсном режиме максимально допустимое напряже­ ние такое же, что и в установившемся (тогда как у электровакуум­ ных приборов первое может значительно превосходить второе).

Для высокочастотных транзисторов со сравнительно тонкой базой максимально допустимое напряжение коллектора может быть ограничено также напряжением смыкания, при котором коллектор­ ный переход, расширяясь, перекрывает всю базовую область и смы­ кается с эмиттерный переходом. Происходит «прокол базы», при­ водящий к короткому замыканию коллекторного и эмиттерного переходов, и транзистор теряет усилительные свойства. При умень­ шении обратного напряжения UK коллекторный переход сужается, база расширяется и транзистор восстанавливает свои параметры. Если при смыкании ток коллектора не ограничивать внешним сопротивлением, то транзистор может выйти из строя из-за разру­ шения переходов.

Напряжение смыкания UK с м ы к определяется из уравнения, которое можно составить, приравняв толщину базы в равновес­

201

В справочниках обычно указывают наибольшее и наименьшее значения максимально допустимого напряжения коллекторного перехода. Первое из них определяется при разомкнутом эмиттере (/„ = 0), а второе — при холостом ходе в базе 5> R 3 ) - Иногда приводят максимально допустимое напряжение при коротком замы­ кании эмиттерного и базового контактов. Для эмиттерного пере­ хода указывается максимально допустимое напряжение при разомк­ нутом коллекторе (1К = 0).

5-9. ШУМЫ ТРАНЗИСТОРА

По своей физической природе шумы в транзисторе разделяются на теп­ ловые, дробовые п избыточные [Л. 63—65].

Тепловой шум вызывается статистическими флуктуацнпмн перепада напряжения в объеме полупроводника, обусловленными хаотическим дви­ жением носптелей заряда. Величина э. д. с. тепловых шумов па сопротивле­ нии г определяется формулой Напквиста:

Тепловой шум пмеет так называемый белый спектр: он остается по­ стоянным прп изменении частоты (меняется только прп изменении полосы про­ пускания Д/).

Дробовой шум обусловлен статистическими флуктуацнямн тока, которые возникают в результате дисперсии скоростей носптелей заряда. Величина дробового шума определяется формулой Шотткн:

^ = 2 е | 2 / | Д / ,

где [27] — сумма постоянных составляющих всех токов независимо от их

направления.

Так, например, дробовой шум эмиттерного перехода определяется сле­ дующим образом. Эмпттерный ток

которых является независимым ИСТОЧНИКОМ шума. Поэтому общий шум опре­ деляется суммой этпх токов п количественно характеризуется величиной

Выразив сумму токов (7Э + 1эТ) через проводимость эмиттерного пере­

хода

1 • 'э + 'эг

г.э

формулу для определения величины тока шумового генератора на средних частотах ijj э можно представить в следующем виде:

7^-э = 2е [ 2 Ф г g 3 - / а ] Д/ = 2е J2q>T - i - - / „ ] Д/.

202

На высших частотах проводимость эмиттерного перехода увеличивается, поэтому уровень дробового шума возрастает на величину, пропорциональную разности действительной части проводпмостей на высших п средних частотах, т. е. на величину 2е[2фт (Re у э — g3)]. Таким образом,

— комплексная проводимость эмиттерного перехода.

Аналогично можно показать, что при работе транзистора в активной области дробовой шум коллекторного перехода, смещенного в обратном на­

—комплексная проводимость коллекторного перехода. Дробовой шум, так же как и тепловой, имеет белый спектр.

Избыточный шум (флпккер-шум) возникает из-за флуктуации поверхност­ ной рекомбинации и генерации носптелей заряда, а также тока утечки. Спектр

этой схеме не учтены также избыточные шумы. Их можно учитывать таким же образом, как и дробовые шумы, с помощью генераторов тока, включаемых параллельно эмпттерному и коллекторному переходам. Однако мощность избыточных шумов обычно определяют экспериментально, так как пх анали­ тические зависимости плохо согласуются с экспериментом [Л. 8, 65].

1 В этом соотношении в круглых скобках стоит знак минус, так как ток коллектора протекает в направлении, противоположном току прямо смещен­ ного перехода.

203

Количественно шумы характеризуются коэффициентом шума, определяе­ мым как отношеппе полной мощности шумов па выходе четырехполюсника к топ ее части, которая обусловлена тепловыми шумами сопротивления источ­ ника сигнала:

номинальный коэффициент усиления мощности (с дополнительным индексом «макс» — его максимальное значение).

Поскольку мощность

Рш. вых складывается из мощности теплового шума

ственно осложняет расчет коэффициента шума. Корреляционный член (5-79) можно исключить, п для расчетов дробового шума использовать эквивалент­ ную схему с тремя независимыми генераторами тока [Л. 66]. Однако такая схема тоже неудобна для практических расчетов. Более удобной является

— 'ш.к +1 а I2 *ш.э + а 'ш.э^ш.к ч"а *'ш. j'lU.K

204

с корреляционным членом

область белого шума. На высших частотах коэффициент шума растет из-за увеличения тока рекомбинации в базовой области.

5-10. ПОВЫШЕНИЕ ДОБРОТНОСТИ ТРАНЗИСТОРА

Транзистор прежде всего характеризуется усилительными свойствами. При усилении импульсных сигналов интересуются не только усилительными способностями транзистора, но и его возможностями воспроизводить без заметных искажений фронты импульсов. Поэтому качество транзистора как усилительного эле­ мента принято характеризовать отношением коэффициента уси­ ления к времени нарастания фронта импульса. Это отношение назы­ вается импульсной добротностью транзистора1 . Чем больше коэф­ фициент усиления и чем меньше время нарастания фронта, тем больше добротность транзистора, тем шире его схемные возмож­ ности. При усилении гармонических сигналов для характеристики транзистора используется аналог добротности — площадь усиле­ ния, определяемая произведением коэффициента усиления на выс­ шую граничную частоту. Поскольку величины добротности и пло­ щади усиления отличаются лишь числовым коэффициентом, то огра­ ничимся рассмотрением лишь добротности транзистора.

1 В последующем изложении для краткости употребляется термин «доб­ ротность транзистора» вместо «импульсная добротность транзистора».

205

Рассмотрим возможности повышения добротности транзистора. Добротность Д"т р можно повысить прежде всего уменьшением

с увеличением толщины переходного слоя. Поэтому с уменьше­ нием концентрации прпмесей в базе зарядная емкость коллектора Си. п уменьшается (так как уменьшение электропроводности баз способствует расширению переходного слоя). Однако с уменьше­ нием электропроводности базы возрастает ее объемное сопротивле­ ние. При этом в диффузионных транзисторах, база которых одно­ родна, уменьшение электропроводности базы, начиная с некото­ рого значения концентрации примесей, приводит не к уменьшению произведения Ск п Г б , а наоборот, к его увеличению. Для уменьш ния зарядной емкости Ск. п не требуется уменьшать концентра прпмесей во всей области базы: достаточно ее снизить в той части базы, которая прилегает к коллекторному переходу. При этом, сохраняя во всей остальной части базы сравнительно высокую кон­ центрацию примесей, можно И З Г О Т О В И Т Ь транзистор со сравнительно низкоомным сопротивлением базы 7-б. Такое распределение концен­ трации прпмесей свойственно дрейфовым транзисторам, у которых

концентрации прпмесей вблпзи эмиттерного перехода объемное сопротивленце базы оказывается небольшим. Но вместе с тем уда­ ется существенно уменьшить зарядпую емкость коллекторного

(5-406)], так же как п постоянную времени коэффициента передачи тока эмиттера т а , можно уменьшить главным образом за счет умень­ шения толщины базы W. Емкость Ск . д пропорциональна среднему времени пролета носителей заряда через базу хтп, а постоянная вре­

ются. Но при этом возрастает объемное сопротивление базы г^. Поэтому повысить добротность транзистора уменьшением тол­ щины базы W можно лишь до определенного предела: существует оптимальное значение W, при котором добротность транзистора достигает максимальной величины. Для диффузионных транзисто­ ров оптимальное значение W составляет 10—20 мкм.

Неравномерное распределение примесей в базе дрейфовых

у эмиттерного перехода с уменьшением толщины базы ее объемное сопротивление возрастает не так заметно, поэтому с уменьшением

206

W до очень малых величин добротность транзистора все еще про­ должает увеличиваться.

Среднее время пролета носителей и дисперсию уменьшает встроенное электрическое поле, способствующее ускоренному перемещению неосновных носителей через область базы. В дрей­ фовых транзисторах такое поле образуется благодаря неравномер­ ному распределению примесей. Его влияние иа свойства транзи­

и дисперсия OTN могут уменьшиться в 5 — 6 раз. Между тем доброт­ ность дрейфовых транзисторов обычно в десятки и сотни раз пре­ вышает добротность диффузионных. Столь заметное увеличение добротности дрейфовых транзисторов достигается главным обра­ зом за счет уменьшения толщины базы. Последнее становится воз­ можным благодаря неравномерному распределению примесей в базе, позволяющему уменьшить емкость коллектора, среднее время пролета и дисперсию без заметного увеличения объемного сопротивления базы.

Добротность транзистора зависит от режима его работы: от на­ пряжения на коллекторном переходе UK и тока эмиттера 1Э. С уве­ личением обратного смещения на коллекторе UK уменьшается за­ рядная емкость Сн . m а также постоянная времени т а (так как база сужается, а поэтому уменьшается дисперсия).

С уменьшением Ск .п и т а добротность возрастает. Рост доброт­ ности наблюдается также при увеличении тока эмиттера 1Э.

207

С увеличением тока / э уменьшается сопротивление эмиттерного перехода гэ и частично объемное сопротивление базы г<$ [из-за модуляции проводимости базы (см. § 3-7)]. Наиболее существенно ток эмиттера влияет на величину постоянной времени т а . Как из­ вестно (см. § 5-2), в области микротоков постоянная времени ха в значительной мере определяется средним значением времени жизни носителей заряда в переходном слое т Н г и зарядной ем­ костью эмиттерного перехода Сэ п. По мере увеличения тока эмит­ тера влияние указанных величин уменьшается, так как сужается эмиттерный переход (а поэтому спадает ток рекомбинации в пере­ ходном слое) и уменьшается относительная доля тока смещения, заряжающего емкость С0 п.

Увеличение тока эмиттера приводит также к уменьшениям времени пролета носителей через базу тт.ч п дисперсии этого вре­ мени OTN- С увеличением концентрации носителей заряда в базе возрастает напряженность электрического поля, которое образу­ ется под действием внешних источников пптання. Это поле способ­ ствует ускоренному перемещению неосновных носителей заряда через область базы [Л. 68] и уменьшает величныы xy.v и OTN-

Глава шестая

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

6-1. СТРУКТУРА И РАЗНОВИДНОСТИ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Полевые униполярные транзисторы — активные полупровод­ никовые приборы, протекание тока в которых обусловлено дрей­ фом основных носителей заряда под действием продольного элект­ рического поля. Управление величиной проводимости полупро­ водника, а следовательно, и величиной тока осуществляется попе­ речным электрическим полем. Это поле создается напряжением, приложенным к управляющему электроду. В полевом транзисторе перенос электрического тока осуществляется носителями заряда одного знака. Поэтому полевой транзистор относится к униполяр­ ным полупроводниковым приборам.

Полевой транзистор представляет собой прибор с тремя рабо­ чими электродами, состоящий из следующих областей: канала, истока, стока, затвора и подложки.

Канал — полупроводниковая область управляемой проводимо­ сти, через которую протекает ток полевого транзистора.

Сток представляет собой полупроводниковую область, к кото­ рой движутся основные носители через канал.

208

образует р - п переход с областью канала (рис. 6-1). Работа полевого транзистора с управляющим р - п переходом основана иа модуляции проводимости канала за счет изменения его толщины слоем объем­ ного заряда, обедненного подвижными носителями, под действием напряжения, смещающего переход в обратном направлении. Трапзисторы с управляющим р - п переходом изготавливаются из гер­

ным каналом.

а)

Полевой транзистор структуры металл — диэлектрик — полу­ проводник (МДП-транзистор, МОП-транзистор или транзистор с изолированным затвором) — полупроводниковый прибор, в ко­ тором металлический затвор электрически изолирован слоем диэлектрика от канала, образованного на поверхности полу­ проводника. Эти транзисторы могут изготавливаться на полупроводниковой (рис 6-2) и на диэлектрической (рис. 6-3) подложках.

209