3.11. Особенности работы биполярного транзистора на высоких частотах

При работе транзистора с сигналами высокой частоты время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. В результате способность транзистора усиливать электрические сигналы с ростом частоты ухудшается. Для анализа работы транзистора с высокочастотными сигналами используются динамические модели как нелинейные, так и линейные, отличающиеся от статических учетом влияния емкостей переходов. При этом барьерные емкости переходов описывают процессы, аналогичные перезаряду обычных конденсаторов, а диффузионные емкости, характеризующие накопление и рассасывание неравновесных носителей, одновременно учитывают и конечную скорость их перемещения.  

Динамические свойства транзистора при включении с общей базой

  Рассмотрим высокочастотную малосигнальную физическую эквивалентную схему транзистора при включении с ОБ (рис 3.41). По сравнению с аналогичной низкочастотной схемой (рис. 3.37) в нее добавлена емкость эммитерного перехода C_Э, состоящая из диффузионной C_ЭД и барьерной C_ЭБ емкостей. В общем случае C_Э=C_ЭД+C_ЭБ. Но для прямо смещенного перехода C_Э» C_ЭДд. Кроме того, параллельно обратно смещенному коллекторному переходу включена емкость C_К =C_КБ + С_КД » C_КБ. Генератор тока может быть представлен двумя способами: в первом случае он управляется током с комплексной амплитудой  , протекающим через r _э, что сответствует базовым моделям Эберса - Молла. Отметим, что при появлении емкости C_Э ток  . При этом ток генератора равен h_21Б  , где h_21Б - низкочастотное значение параметра. Во втором случае генератор управляется током эмиттера с комплексной амплитудой  . При этом необходимо ввести частотнозависимый параметр H_21Б так, чтобы ток генератора не изменился, тогда

,причем

 (3.63)

Обозначим:

, где f_H21Б - предельная частота коэффициента передачи тока эмиттера.

Тогда:   . (3.64)

В литературе часто используют и другие обозначения: вместо H_21б – a_~, вместо f_H21Б – fa . Найдем из (3.64) модуль  и фазовый угол  коэффициента передачи тока эмиттера

.  ; (3.65)

 (3.66)

Зависимость коэффициента передачи тока эмиттера от частоты приведена на рис. 3.42.

  Таким образом, с ростом частоты коэффициент   убывает.

На частоте f=f_H21Б модуль  .

Отсюда следует физическое определение предельной частоты коэффициента передачи тока эмиттера:  представляет частоту, на которой Ѕ H_21БЅ уменьшается в   раз по сравнению с низкочастотным значением h_21Б. Из формулы (3.66) также следует, что с ростом частоты увеличивается запаздывание по фазе тока коллектора   относительно тока эмиттера  . На частоте f_21Б сдвиг составляет 45 ° . Максимальный сдвиг (при f® Ґ ) составляет 90 ° . Из выражения (3.63) следует, что предельная частота f _H21Б определяется постоянной времени t _ОБ заряда полной емкости C_Э эмиттерного перехода. Можно показать, что

t_ОБ»  + t_прБ+  (3.67)

и включает в себя :

С_ЭБr_Э - постоянную времени заряда барьерной емкости эмиттерного перехода;

t_прБ - время диффузии носителей через базу;

t_КП - время пролета через коллекторный переход.

На практике величина  измеряется (в режиме короткого замыкания выходной цепи по переменной составляющей R_Н® 0 ) и по ней с помощью (3.63) (иногда по более точным формулам) рассчитывается C_Э. По величине  можно судить об усилительных свойствах транзистора на высоких частотах в схеме с ОБ ( строго говоря, при малом сопротивлении нагрузки). Для увеличения  следует уменьшать время пролета носителей через структуру транзистора ( в первую очередь, через базу и обедненную область коллекторного перехода). Дополнительную инерционность вносит барьерная емкость коллекторного перехода, не влияющая на величину  . В реальных схемах она перезаряжается через сопротивление нагрузки R_Н. Ее влияние существенно, если C_КR_Н соизмеримо с t_ОБ. Отметим, что влияние C_К усиливается при возрастании сопротивления нагрузки R_Н. Во многих случаях высокочастотную схему упрощают, исключая C_К.

При этом вводят

t *_ОБ=t _ОБ+C_КR (3.68)  и

;  . (3.69)

 используют для описания частотной зависимости генератора тока. В эквивалентной схеме при этом остается один частотнозависимый элемент H*_21Б. Такой подход вносит дополнительную погрешность, но широко используется для оценки границ частотного диапазона усилительных каскадов и при анализе длительности фронтов в импульсных схемах.

Динамические свойства транзистора в схеме ОЭ

Для перехода к схеме ОЭ, как и ранее, выразим выходной ток   через ток базы  . Из схемы (рис. 3.43) имеем:

, (3.70)

где   - напряжение между коллектором и точкой Бў .

Подставляя   в (3.70) получим

, (3.71)

где   ; (3.72)

; r_к* =r_к(1 - H_21Б) . (3.73)

Отметим, что С* _К и r* _К - комплексные частотнозависимые величины. Эквивалентная схема транзистора с учетом (3.71...3.74) приведена на рис.3.43.

  Физический смысл H_21Э следует из (3.72).

При  ,  , поэтому H_21Э называется коэффициентом передачи тока базы на частоте f. Вместо H_21Э и  также используются обозначения b_~ и f_b . Для оценки частотных свойств транзистора в схеме с ОЭ найдем частотную зависимость H _21Э. Подставляя (3.64) в (3.72), получим

, (3.74)

где  . (3.75)

Величину f_H21Б называют предельной частотой коэффициента передачи тока базы.

При f=f_H21Б  .

Таким образом частотная зависимость H_21Э аналогична зависимости H_21Б, но предельная частота в десятки и более раз ниже (примерно в h_21Э раз). Физически эта закономерность объясняется с помощью векторной диаграммы токов транзистора (рис.3.44), из которой видно, что небольшой сдвиг фаз между близкими токами   и   вызывает сильное увеличение разностного тока  . Как и в схеме с ОБ, в схеме с ОЭ дополнительную инерционность вносит емкость C*_К, перезаряжающаяся через сопротивление нагрузки R_Н. При использовании упрощенной схемы (с одним частотнозависимым элементом H*_21Э) C*_К - исключают, но принимают:   ; t * _ОЭ=h_{21Э t ОЭ} . (3.76)

f*_H21Э и t * _ОЭ - характеризуют граничную частоту и постоянную времени уже усилительного каскада ОЭ с конкретным значением сопротивлением нагрузки R_Н . Они отличаются от аналогичных величин для схемы ОБ в десятки и более (в h _21э) раз. Отметим, что в (3.76) используется действительная величина Ѕ C*_КЅ - низкочастотное значение модуля комплексной величины C*_К при f ® 0. Параметр t * _оэ часто используется при расчете длительности фронтов в импульсных схемах.

Для описания частотных свойств транзистора также употребляют :

• граничную частоту коэффициента передачи f_ГР , соответствующую условию   (уменьшение коэффициента передачи тока базы до единицы); можно показать, что  ;

• максимальную частоту генерации f_max, соответствующую усилению по мощности K_p=1;

• постоянную времени цепи обратной связи r_Б' C_К..

  

Кроме того, часто используется и П-образная эквивалентная схема (Джаколетто) - рис. 3.45.

Дрейфовый транзистор

Как было показано ранее, для улучшения частотных свойств транзистора необходимо уменьшать:

время перемещения носителей заряда от эмиттера к коллектору,

емкость коллекторного перехода,   сопротивление тела базы.

Однако, эти требования противоречивы. Для уменьшения времени перемещения носителей необходимо уменьшить толщину базы, но при этом возрастает сопротивление базы . Уменьшение удельного сопротивления базы за счет увеличения концентрации примеси приводит к уменьшению ширины коллекторного перехода и к увеличению емкости C_КБ. Удачным решением проблемы является увеличение скорости перемещения носителей с помощью ускоряющего электрического поля в базовой области. Этот принцип положен в основу дрейфовых транзисторов. В дрейфовых транзисторах базовая область легируется неравномерно (вблизи эмиттерного перехода N_A » 10 ¹⁶-10 ¹⁸см ^-3, а вблизи коллекторного перехода N_A » 10 ¹⁴см ^-3). Основным технологическим приемом при изготовлении дрейфовых транзисторов является диффузия легирующей примеси в исходный монокристалл. На рис. 3.46 изображен типичный профиль легирования дрейфового транзистора. При изготовлении данного транзистора в однородно легированную донорной примесью пластину (концентрация доноровN_D) через левый торец одновременно осуществляют диффузию донорной и акцепторной примесей. Акцепторная примесь диффундирует быстрее и в результате образуется структура, содержащая два p-n-перехода.

  Из-за наличия градиента концентрации примеси (а, следовательно, и дырок) основные носители в базовой области - дырки начинают диффундировать в направлении коллекторного перехода. Однако, в отличие от диффузии неосновных носителей, смещение основных оставляет нескомпенсированные заряды ионов акцепторной примеси. В результате возникает электрическое поле и устанавливается динамичексое равновесие: действие градиента концентрации уравновешивается действием электрического поля. Направление электрического поля в базе является ускоряющим для электронов, движущихся от эмиттера к коллектору. Кроме того, при наличии сильно легированного базового слоя вблизи эмиттерного перехода, сопротивление тела базы r' _Б получается малым даже при тонкой базе. Одновременно малая концентрация примеси вблизи коллекторного перехода приводит к значительному уменьшению емкости последнего. В результате, дрейфовые транзисторы могут работать даже в СВЧ - диапазоне (граничные частоты достигают 10 ГГц).

Импульсный режим работы биполярного транзистора

Биполярные транзисторы широко используются в цифровой технике в качестве электронных ключей. В этих устройствах используются сигналы в виде почти прямоугольных (трапецеидальных) импульсов большой амплитуды. В общем случае для описания работы транзистора в импульсном (ключевом) режиме необходимо использовать нелинейные динамические модели транзистора (например, динамические компьютерные модели Эберса - Молла). Однако в большинстве случаев ограничиваются расчетом амплитуды и длительности фронтов импульсных сигналов.

  Рассмотрим схему транзисторного ключа на биполярном транзисторе (рис. 3.47). В цепь базы транзистора включен источник импульсных сигналов - генератор прямоугольных импульсов u_Г с внутренним сопротивлением R_Г. В цепи коллектора включена нагрузка R_К и поэтому напряжение на коллекторе u_КЭ= E_К - i_КR_К. Ограничим рассмотрение работы схемы случаем включения в цепь базы генератора тока, то есть будем предполагать, что внутреннее сопротивление генератора R_Г значительно больше входного сопротивления открытого транзистора и, следовательно _,  . При анализе схеме учтены также влияние емкостей C_Э - эмиттерного и C_К - коллекторного переходов. Временные диаграммы, отражающие процессы, протекающие в схеме, представлены на рис. 3.48. До момента времени t₀ u_Г = E_{Г ОБР} и токи i_Б и i_К равны нулю (тепловыми токами в цепи коллектора пренебрегаем). Это исходное состояние иллюстрирует точка А (рис.3.49). Она находится на пересечении нагрузочной линии с выходной характеристикой, снятой при i_Б=0 (транзистор находится в режиме отсечки).

В момент времени t₀ включается напряжение u_{Г ПР} и в цепи базы возникает ток   (рис.3.48,,б). При этом ток коллектора i_К возникает с задержкой t _З (рис.3.48,г). Время задержки t _З определяется тем, что коллекторный ток может появиться только после того, как электроны, переходящие из эмиттера в базу, достигнут коллекторного перехода. Это станет возможным, когда напряжение на эмиттерном переходе, по мере заряда барьерных емкостей , достигнет пороговой величины U*, и он откроется. Практически интервал t _З мал , и им часто пренебрегают. В интервале времени t₂ - t₁ = t _ф, называемым временем фронта, коллекторный ток возрастает по экспоненциальному закону и достигает установившейся величины  . Увеличение коллекторного тока определяется увеличением прямого напряжения на эмиттерном переходе (заряжается емкость C_Э) и увеличением количества электронов, переходящих из эмиттера в базу и далее в коллектор ( заряд электронов в базе Q_Б возрастает - рис. 3.48,в). Рабочая точка (рис. 3.49) перемещается вверх по нагрузочной линии (транзистор находится в активном режиме). В зависимости от величины   конечное положение рабочей точки может быть или в активном режиме, или в режиме насыщения. Практический интерес представляет случай, когда рабочая точка глубоко заходит в режим насыщения. Таким образом, напряжение u_Гдолжно быть таким по величине, чтобы обеспечить I_{Б ПР} > I_{Б min}. ( I_{Б min} - минимальное значение тока базы, при котором транзистор переходит в режим насыщения).

Величину   называют глубиной насыщения. Время фронта t _ф зависит, как отмечалось выше, от времени заряда емкости C_Э, а также от времени разряда емкости C_К, так как по мере роста i _К напряжение u _КЭуменьшается (рис.3.48 д). Кроме того, на величину времени t _ф оказывает влияние величина I_{Б ПР} , так как от величины базового тока зависит скорость заряда емкости C_Э. Зависимость тока коллектора в интервале t _ф от времени аппроксимируют обычно выражением:

 (3.77)

где I_{К ПР} = h_21ЭI_{Б ПР} - величина тока коллектора, соответствующая току базы I_{Б ПР} в статическом режиме ( физически ток I_{К ПР} может быть достигнут, если транзистор не переходит в режим насыщения I_{Б ПР} < I_{Б min});   - постоянная времени нарастания тока коллектора в схеме ОЭ с учетом перезаряда емкости C_К (см.3.76).

Длительность фронта t _ф равна:

. (3.78)

Из (3.78) следует, что   , так как фронт заканчивается при переходе транзистора в режим насыщения. Длительность фронта уменьшается при увеличении I_{Б ПР} . В последующие после t₂ моменты времени ток коллектора i_К и напряжение u_КЭ остаются постоянными, однако заряд в базе транзистора Q_Б продолжает нарастать (рис. 3.48,в) за счет инжекции электронов через открытые эмиттерный и коллекторный переходы (транзистор работает в режиме насыщения и токи определяются внешними по отношению к транзистору элементами схемы).

  Рассмотрим теперь процессы, происходящие в схеме после переключения напряжения генератора на u_ОБР (момент времени t₃,(рис.3.48,а), В интервале времени t₃ - t₄ , называемом временем рассасывания t _рас, происходит рассасывание накопленного в базе заряда электронов, заряд уменьшается вследствие рекомбинации и ухода электронов во внешнюю цепь, что сопровождается появлением тока I _{Б ОБР} (рис.3.48,б). Транзистор насыщен, при этом коллекторный переход остается в открытом состоянии и в цепи коллектора течет ток  _{К НАС}. Ток базы I_{Б ОБР} также определяется внешней цепью. В момент времени t₄заряд в базе Q_Б уменьшается до значения Q_{Б АКТ} и коллекторный переход закрывается (транзистор переходит в активный режим работы). В интервале времени t₄ - t₅ , называемом временем среза t _с , происходит дальнейшее рассасывание заряда Q_Б , разряжается С_Э, заряжается емкость С_К , рабочая точка перемещается из положения В в положение А (рис. 3.49). Транзистор переходит в режим отсечки (оба перехода заперты), ток коллектора i_К и ток базы i_{Б ОБР} уменьшаются до нуля, а напряжение u_КЭ возрастает до величины E_К.

Величины t _рас и t _с могут быть найдены из выражений, справедливых при I_{Б ОБР} >>I_{Б min}:  ; (3.79)

, (3.80)

где: t _n - время жизни электронов в базе в режиме насыщения;  .

Из (3.79) следует, что для уменьшения времени рассасывания необходимо уменьшать время жизни неосновных носителей t _n (электронов) в базе (для этого структуры импульсных транзисторов легируют золотом). Кроме того, можно уменьшать I_{Б ПР} (хотя при этом будет увеличиваться время фронта t _ф) и увеличивать I_{Б ОБР} . Величины t _з, t _ф, t _рас, t _с для импульсных транзисторов приводятся в справочной литературе, а формулы (3.77...3.80) используются для пересчета параметров в конкретных схемах. Измерения произведены при одних значениях I_{Б ПР} ,I_{Б ОБР} , I_{Б min}, а параметры нужны при других. Для современных быстродействующих маломощных импульсных транзисторов t _з, t _ф, t _рас, t _с составляют единицы и десятые доли наносекунд (для мощных - существенно больше).

Тиристоры

Тиристор - это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n-переходами, на ВАХ которого имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Тиристор представляет собой электронный ключ, который может находиться в двух состояниях: открытом и закрытом. По количеству выводов различают диодный тиристор, обладающий двумя выводами (анод и катод), триодный тиристор, имеющий три вывода - анод, катод и управляющий электрод, тетродный тиристор, имеющий четыре вывода и т. д. Обычно тиристоры изготавливают из кремния.

  Рассмотрим работу диодного тиристора. На рис 3.50 приведена модель такого тиристора. Объемы полупроводников, прилегающие к выводам катода (К) и анода (А) называются соответственно первым (Э1) и вторым (Э2) эмиттерами , к первому эмиттеру прилегает первая база (Б1) , ко второму - вторая база (Б2). В тиристоре различают первый (ЭП1) и второй (ЭП2) эмиттерные переходы, средний переход называется коллекторным (КП). На рис. 3.50,б показано распределение потенциала при подаче на анод положительного напряжения u_А. При такой полярности внешнего напряжения коллекторный переход оказывается под обратным напряжением, а эмиттерные переходы ЭП1 и ЭП2 - под прямым. Ток через КП , а следовательно, и ток тиристора i равен (см. рис. 3.50,а):

i = i_КП=a ₁ i+a ₂ i+ i_К0 , откуда:

. (3.81)

Учитывая, что ток i_К0 зависит от обратного напряжения на коллекторном переходе, а коэффициенты a - от тока i , формула (3.81) представляет собой уравнение ВАХ тиристора в неявной форме (Рис.3.51). При положительном напряжении на аноде (участок ОА) через тиристор протекает очень маленький ток i » i_К0 ( i_К0 - тепловой ток КП, равный нескольким десяткам микроампер). Это объясняется тем, что почти все внешнее напряжение падает на закрытом КП ( u_КП » u_А), прямые токи ЭП1 и ЭП2 очень малы и лишь незначительно превышают их тепловые токи. Кроме того, при таких токах эмиттеров коэффициенты передачи a ₁ и a ₂ очень малы (обычно не более 0,1 ... 0,2). С повышением напряжения на аноде увеличивается ток i (за счет i_К0( u_А)), увеличиваются коэффициенты a (i) и увеличивается инжекция носителей заряда. Электроны, инжектируемые Э1 через коллекторный переход попадают в базу Б2, которая, как видно из рис. 3.50,б, является своеобразной “ловушкой” для них. В базе Б2 возрастает неравновесный отрицательный заряд, снижающий ее потенциал, что, в свою очередь, увеличивает инжекцию дырок из Э2. Эти дырки, попадая через КП в базу Б1 увеличивают в ней неравновесный положительный заряд (как видно из рис. 3.50,б, Б1 является “ловушкой” для дырок) и, следовательно, инжекцию электронов из Э1. Таким образом, в тиристоре возникает положительная обратная связь, которая приводит к увеличению анодного тока i. Следует отметить, что определенную роль в увеличении тока i может играть механизм ударной ионизации и лавинного размножения носителей заряда в закрытом коллекторном переходе.

Пока суммарный коэффициент ( a ₁+ a ₂)<1 , тиристор находится в закрытом состоянии (участок ОА рис.3.51). По мере приближения напряжения к некоторой величине u_ВКЛ значение ( a ₁+ a ₂) ® 1 и начинается переключение тиристора.

Дальнейшее зависит от условий измерений:

1. Если напряжение u_А подается от генератора напряжения (в схеме рис.50 R=0) анодный ток i будет неограниченно возрастать [1-( a ₁+ a ₂) ® 0] и прибор выйдет из строя.

2. Если в эксперименте используется генератор тока R® Ґ (физически это очень трудно реализовать, так как потребуется R ³ единиц МОм и ЭДС источника несколько киловольт), то можно получить характеристику на участке АВ с отрицательным дифференциальным сопротивлением. На этом участке малому увеличению тока будет соответствовать сильное уменьшение напряжения на тиристоре. Такая сильная зависимость обусловлена рассмотренной ранее положительной обратной связью, которая при [1 - ( a ₁+ a ₂) » 0] очень глубокая. Физически уменьшение напряжения происходит за счет компенсации зарядов ионов доноров и акцепторов в коллекторном переходе электронами и дырками, накапливающимися в базах тиристора вблизи перехода. Толщина коллекторного перехода уменьшается (переход “заплывает”) и потенциальный барьер в нем, определяющий напряжение на тиристоре, уменьшается. При достижении точки B все три перехода тиристора оказываются смещенными в прямом направлении, и тиристор открывается (напряжениеu_А » 1 В). Вид ВАХ на участке ВС (открытого тиристора) в основном определяется объемными сопротивлениями тиристорной структуры.

3. Реально используется источник напряжения с сопротивлением R намного меньшим, чем отрицательное дифференциальное сопротивление тиристора на участке AB. При этом переключение из закрытого состояния в открытое произойдет скачком (работает положительная ОС при недостаточном ограничении тока) вдоль нагрузочной линии A - B' (пунктир на рис. 3.51). Аналогично вдоль нагрузочной линии произойдет и выключение тиристора (пунктир В - А' ) при уменьшении напряжения. Точке В соответствует ток i_УД- удерживающий ток тиристора, то есть минимальный ток, необходимый для поддержания открытого состояния тиристора.

При подаче отрицательного напряжения на анод тиристора коллекторный переход оказывается смещенным впрямом направлении, а эмиттерные переходы ЭП1 и ЭП2 - в обратном. Ток через тиристор мал. С ростом отрицательного напряжения может произойти пробой эмиттерных переходов , однако, этот режим является нерабочим. Триодный тиристор отличается от диодного тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом (рис. 3.52).

При подаче в цепь управляющего электрода тока i_У ток через эмиттерный переход ЭП1 увеличивается, следовательно условие перехода тиристора из закрытого состояния в открытое ( a ₁+ a ₂) » 1, будет достигаться при меньшем напряжения включения u_ВКЛ (рис.3.52б). Таким образом, изменяя ток управляющего электрода i_У можно изменять величину напряжения включения u_ВКЛ. Некоторые маломощные тиристоры можно и выключить, подавая отрицательный ток в цепь управляющего электрода. В настоящее время, наряду с рассмотренными диодным и триодным тиристорами, выпускаются тиристоры, у которых вольтамперная характеристика одинакова в I и III квадрантах (рис. 3.53,а). Такие тиристоры выполняются на основе пятислойных структур и называются семисторами (рис.3.53,б).

  Тиристоры находят широкое применение в радиосвязи, радиолокации, устройствах автоматики как управляющие ключи. Основным достоинством тиристоров, по сравнению с биполярными транзисторами, является возможность переключения короткими импульсами тока управляющего электрода ( меньшее потребление энергии в цепи управления). К недостаткам тиристоров следует отнести значительно большие времена переключения (единицы миллисекунд - сотни микросекунд).