Материал: Tverdotila_elektronika

На тривалість переднього і заднього фронтів вихідного імпульсу струму (рис. 3.61) суттєво впливають частотні властивості БТ. Чим вища гранична частота транзистора, тим вища його швидкодія в ключовому режимі. Крім того, швидкодія БТ у режимі перемикання збільшується при збільшенні коефіцієнта передачі струму (або збільшенні амплітуди імпульсу струму бази – імпульсу керування). З метою підвищення граничної частоти транзистори виконують з малими ємностями переходів, а також, оскільки на швидкість розсмоктування впливає не лише екстракція, а й рекомбінація, зменшують середню тривалість життя неосновних носіїв шляхом введення до бази домішок, що прискорюють рекомбінацію (наприклад, золото у кремнієвих БТ).

Рисунок 3.61 – Часові діаграми струму БТ у ключовому режимі

3.4 Деякі різновиди біполярних транзисторів

3.4.1 Одноперехідний транзистор

Одноперехідний транзистор, або двобазовий діод (рис. 3.62), - це біполярний прилад, що працює в режимі перемикання. P-n  перехід, що відокремлює високолеговану область емітера від низьколегованої базової області, поділяє останню на дві частини: нижню з довжиною і верхню базу з довжиною . Струм емітера при прямому ввімкненні цього переходу містить здебільшого лише діркову складову, і тому перехід називається інжектором. Принцип дії приладу ґрунтується на зміні об’ємного опору бази під час інжекції.

На омічні контакти верхньої і нижньої баз подається напруга, що викликає протікання через прилад струму . Цей струм створює на опорі нижньої бази спад напруги , який вмикає  перехід у зворотному напрямі.

Рисунок 3.62 – Будова одноперехідного транзистора

Через закритий перехід протікає його зворотний струм (рис. 3.63). Під час прикладення до входу транзистора напруги перехід не відкривається, і малий струм залишається практично незмінним. Транзистор перебуває у закритому стані.

При перехід вмикається прямо, і починається інжекція дірок до баз, внаслідок чого їх опори зменшуються. Це приводить до зменшення спаду напруги , подальшого відкривання переходу, збільшення струму , подальшого зменшення опорів баз і т.д. Починається лавинний процес перемикання транзистора, що супроводжується збільшенням емітерного струму і зменшенням спаду напруги між емітером і нижньою базою (). На вхідній статичній характеристиці виникає ділянка з негативним диференціальним опором (рис. 3.63 а). Внаслідок процесу перемикання транзистор переходить до відкритого стану. У цьому стані прилад перебуватиме доти, поки інжекція дірок через перехід буде підтримувати у базі надлишкову концентрацію носіїв, тобто поки струм буде більшим за величину (рис. 3.63 а).

На рисунку 3.63 б показано вихідні характеристики одноперехідного транзистора . При вихідна характеристика лінійна, бо прилад діє як звичайний резистор. При вихідні характеристики набирають нелінійного характеру, оскільки результуюча напруга на переході змінюються при зміні вихідного струму .

а) б)

Рисунок 3.63 – Вхідна (а) і вихідна (б) статичні характеристики одноперехідного транзистора

Одноперехідні транзистори використовуються у різно­манітних імпульсних схемах (генератори релаксаційних коливань, підсилювачі тощо).

3.4.2 Високочастотні малопотужні транзистори

Як відомо з п. 3.3.4, частотний діапазон БТ має задовольнити вимогу , з якої випливає, що для роботи на високих частотах БТ повинен мати малий розподілений опір бази і малу бар’єрну ємність КП . При виготовленні високочастотних транзисторів сплавний спосіб не застосовують, оскільки він не дозволяє отримати вузьку базу (малий опір ) і малу площу переходів. Тому такі транзистори виготовляють за технологією дифузійного введення домішок. Глибина проникнення атомів домішок у напівпровідниковий кристал залежить від тривалості процесу дифузії та виду дифундуючих домішок. При цьому в кристалі створюється нерівномірний розподіл домішок від поверхні до глибини. Це сприяє збільшенню концентрації домішок у базі біля ЕП і, як наслідок, зменшенню . Відносне зменшення концентрації домішок біля КП приводить до зменшення його бар’єрної ємності за рахунок розширення переходу в бік бази, а також до збільшення пробивної напруги колектора.

Прикладом транзисторів, виготовлених за дифузійною технологією, є дрейфові транзистори. У базах цих транзисторів створюється експоненціальний розподіл донорних домішок, концентрація яких зменшується від емітера до колектора (рис. 3.64).

Рисунок 3.64 – Розподіл концентрації донорних домішок у базі дрейфового БТ

Внаслідок іонізації атомів домішок у базі виникає так зване вбудоване електричне поле, спрямоване від емітера до колектора. Це поле збільшує швидкість руху дірок через базу. Завдяки цьому усувається суттєвий недолік сплавних транзисторів з точки зору частотних властивостей, тобто зменшується час прольоту дірок через базу. Ємність КП у таких транзисторах мала, тому що він має велику товщину.

Існують також дифузійно-сплавні транзистори, в яких області колектора і бази виготовляють шляхом дифузії домішок, а ЕП – вплавленням домішок. Розподіл концентрації донорів у базі таких транзисторів подібний до розподілу домішок у базі дрейфового транзистора. Різновидністю таких транзисторів є мезатранзистори із столоподібною структурою (рис. 3.65).

Рисунок 3.65 – Структура мезатранзистора

Поширеним сучасним способом виготовлення високочастотних транзисторів є так звана планарна технологія, яка розглядатиметься докладно у розділі з мікроелектроніки.

3.4.3 Потужні транзистори

Для потужних транзисторів ( Вт) характерне протікання через їхні області великих струмів. Це приводить:

- до зростання падіння напруги на , внаслідок чого напруга буде лише частково прикладена до ЕП;

- до того, що падіння напруги на ЕП виявляється нерівномірним, і це приводить до зростання густини емітерного струму біля краю емітера, в той час як середня частина емітера не працюватиме:

- до зміни умов на випрямних контактах, що приводить до перерозподілу носіїв заряду в базі;

- до перерозподілу товщини КП з боку бази () і з боку колектора () - <, що порушує нормальну роботу транзистора;

- до того, що з метою нормального підсилення потужності такі БТ необхідно розраховувати на більші напруги;

- до необхідності збільшення площ переходів;

- до необхідності ефективного тепловідведення з причини підвищення небезпеки теплового пробою.

При виготовленні потужних БТ використовується сплавна, дифузійно – сплавна (у так званих конверсійних транзисторах), а також планарна технологія. Конфігурація емітера таких транзисторів ускладнюється. З метою збільшення струмів збільшують площу ЕП, а для того щоб струм емітера не витіснявся до краю переходу, емітер виготовляють у формі кілець, смуг, зубців. Для забезпечення нормального тепловідведення використовують радіатори, корпус з’єднують з колектором (на противагу малопотужним БТ, у яких корпус з’єднують з базою).

Основним недоліком потужних високовольтних БТ є низький коефіцієнт передачі струму (). Тому для одержання потужних ключових елементів застосовують складений транзистор (схема Дарлінгтона) – рис. 3.66. Для такої транзисторної структури загальний коефіцієнт передачі струму бази

. (3.94)

Рисунок 3.66 – Схема складеного транзистора

Завдяки цьому можна одержати коефіцієнт передачі струму до сотні.

Потужні складені транзистори виготовляються на одному кристалі (рис. 3.67).

а) б)

Рисунок 3.67 – Структура однокристального складеного транзистора (а) та його електрична схема (б)