Материал: Методы увеличения коэффициента усиления по току биполярного транзистора

Методы увеличения коэффициента усиления по току биполярного транзистора

Министерство образования Республики Беларусь

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

на тему

МЕТОДЫ УВЕЛИЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ПО ТОКУ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Минск 2014

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

2. КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ ПО ТОКУ

2.1 ЗАВИСИМОСТЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭМИТТЕРА ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСИ В НЕМ

2.2 ПАДЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ПО ТОКУ ПРИ БОЛЬШИХ ПЛОТНОСТЯХ ТОКА

2.3 ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ПО ТОКУ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

3. МЕТОДЫ УВЕЛИЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ПО ТОКУ

3.1 КОНФИГУРАЦИЯ ЭМИТТЕРА

3.2 ЭМИТТЕРЫ С НИЗКОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ПРИМЕСИ (НКЭ-ТРАН- ЗИСТОР)

3.2.1 Транзистор со слаболегированным эмиттером (ТСЭ- транзистор)

3.2.2 Транзистор с пониженной концентрацией фосфора в эмиттере (ПКФ-транзистор)

3.2.3 Транзистор с эмиттером, легированным мышьяком (ЭЛМ-транзистор)

3.2.4 Транзистор с гетеропереходом в эмиттере

3.3 Монолитный мощный транзистор Дарлингтона

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ВВЕДЕНИЕ

В данной курсовой работе рассматривается коэффициент усиления по току мощных биполярных транзисторов, а также методы его увеличения.

Рассматривается общее представление о мощных БИП-транзисторах. Более подробно описывается конфигурация эмиттера, гетеропереходы эмиттер-база. Также рассматривается схема Дарлингтона, одна из схем составных транзисторов.

В заключении данной курсовой работы приводится общий вывод о применении мощных биполярных транзисторов.

. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Биполярный транзистор представляет собой три области полупроводника, чередующиеся по знаку проводимости, как показано на рис. 1. Левый p-n-переход (эмиттер) смещен в прямом направлении. С его помощью осуществляется биполярная инжекция неосновных носителей в средний слой полупроводника (база). Правый переход (коллектор) смещен в обратном направлении и собирает неосновные носители, прошедшие через базу. Характерной особенностью бездрейфового транзистора является равномерное распределение примеси в базе.

В отличие от электронных ламп, где проводимость осуществляется только электронами, в приборах на твердом теле можно осуществить как электронный, так и дырочный эмиттер. Различие между указанными транзисторами (р-n-p или n-p-n) не принципиальное и касается только полярности внешних источников питания и несущественных с физической точки зрения различий в значениях подвижности для дырок и электронов. Поэтому все последующее изложение принципа действия будет относиться к р-n-р-транзистору и без ущерба для понимания может быть перенесено на транзисторы n-р-n типа.

Рисунок 1 - Модели биполярных p-n-p- и n-p-n-транзисторов

Принципиальным условием для работы транзистора является большой коэффициент инжекции дырок через эмиттерный переход, т. е.

,(1)

где I_э - полный ток эмиттера, а I_рэ и I_nэ - соответственно дырочная и электронная составляющие.

Электронная составляющая тока эмиттера равна

.(2)

Приток электронов в базу со стороны коллектора связан с электронной составляющей обратного тока коллектора I_пк, который также мал и не зависит от напряжения на коллекторе. Электронная составляющая тока коллектора I_пк сильно зависит от температуры и ширины запрещенной зоны полупроводника. Результирующий электронный ток базы I_пб равен разности:

.(3)

Этот ток беспрепятственно вытекает через антизапорный контакт базы. Для неосновных носителей эмиттерный переход является инжектирующим, а коллекторный - антизапорным. Поэтому дырки, в отличие от электронов, могут беспрепятственно перемещаться вдоль базы. При γ_р1 дырочный ток эмиттера I_рэ практически равен полному току эмиттера

Дырки, инжектированные в базу, образуют там положительный пространственный заряд, который может быть нейтрализован только за счет притока электронов через базовый контакт, так как со стороны эмиттера и коллектора обмен электронами практически отсутствует. Эта нейтрализация, так же как в p-n-переходе, осуществляется с максвелловским временем релаксации. В результате в базе образуется градиент концентрации дырок и электронов, которые смещаются в сторону коллектора. На этом пути некоторое число дырок рекомбинирует с электронами и до коллектора доходит только их часть, равная р_к = α_п p_э, где α_п <1 - коэффициент переноса. Эти дырки беспрепятственно проходят в коллектор, где они становятся основными носителями. Оставшиеся в базе электроны для восстановления электрической нейтральности могут выйти только через базовый контакт. В результате электронный ток базы, связанный с переносом дырок, будет равен разности между потоками электронов, вошедших в базу и вышедших из нее для установления электрической нейтральности. Другими словами, электронный ток базы равен разности между дырочными составляющими тока эмиттера I_рэ и тока коллектора I_рк

. (4)

Таким образом, по своей физической природе ток базы, связанный с переносом дырок, обусловлен рекомбинацией. Действительно, если бы дырки не рекомбинировали, т. е. η = 1, то I_рб = 0. При сильной рекомбинации η0 и I_рк0 и ток базы равен току эмиттера, как в p-n-диоде. Эти примеры соответствуют двум предельным случаям, когда ширина базы много меньше длины диффузии L_p и почти все дырки проходят в коллектор и когда l >>L_p, и все дырки рекомбинируют в базе, не доходя до коллектора. При l >>L_p между эмиттером и коллектором нет взаимодействия и структура на рис. 1 представляет собой не транзистор, а два изолированных p-n-перехода, включенных навстречу друг другу. Поэтому необходимым условием для переноса неосновных носителей через базу является требование l <<L_p.

Полный электронный ток базы согласно (2), (3) и (4) равен

,(5)

где α₀=α_n - коэффициент передачи на постоянном токе. Обычно η<γ1, ток I_nк = const и мал, поэтому коэффициент передачи фактически равен коэффициенту переноса α₀η и, следовательно, полный ток базы в основном обусловлен рекомбинацией. Это обстоятельство является очень важным для понимания усилительных и частотных свойств транзисторов в различных схемах включения.

Полный ток коллектора равен:

.(6)

Очевидно, что сумма токов базы и коллектора, вытекающих из транзистора, должна быть равна втекающему току эмиттера. В этом легко убедиться, просуммировав выражения (5) и (6). Для переменных составляющих связь между токами принимает вид:

; ,

Где, согласно (6)

. (7)

Из (7) следует, что дифференциальный коэффициент передачи по переменному току α не равен коэффициенту передачи α₀ на постоянном токе. Это связано с тем, что γ и η зависят от тока эмиттера. При очень малых токах эмиттера вклад рекомбинационного тока и поверхностных токов утечки в обедненной области эмиттерного перехода превышает полезный ток инжекции неосновных носителей. Поэтому коэффициент инжекции γ при малых токах много меньше единицы и возрастает с током эмиттера примерно, как γ~ I_э^1/2. В рабочем интервале токов α = γη =const. Когда ток эмиттера соответствует большому уровню инжекции, коэффициент инжекции и коэффициент переноса начинают убывать, γ - за счет притока электронов к эмиттеру, а η - за счет уменьшения времени жизни при большом уровне инжекции. В результате при малых токах эмиттера α > α₀, так как  > 0, далее αα₀=const (0) и при больших токах α < α₀ (<0). В рабочем интервале токов эмиттера, где , можно пренебречь вторым членом в (7) по сравнению с первым. Поэтому в дальнейшем будем считать, что коэффициенты передачи по переменному и постоянному току равны: α = α₀.

. КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ ПО ТОКУ

 Коэффициент усиления по току мощного транзистора существенно зависит от степени легирования эмиттера и базы и от плотности инжектированного тока. Он зависит также от конфигурации эмиттера (из-за эффекта оттеснения тока) и от вертикальной геометрии транзистора (из-за эффекта расширения базы).

Ток коллектора I_к как функция тока эмиттера I_э выражается следующим образом:

I_к = αI_э + I_к-б0 , (8)

где α -коэффициент усиления по постоянному току в схеме с общей базой; I_к-б0 (или I_ко)-ток утечки коллектора.

Предполагая, что ток утечки пренебрежимо мал, можно выразить α как

α = I_к / I_э (9)

или

α = γ α_пМ, (10)

где α_п - коэффициент переноса через базу; γ - эффективность эмиттера; М - коэффициент умножения при лавинном пробое коллекторного перехода. Для участков, достаточно удаленных от области пробоя коллектора,

α = γα_п. (11)

В схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по току (ток постоянный)

h_{п.р. э} = I_к / I_б, (12)

где I_б есть базовый ток транзистора. Поскольку I_э = I_к + I_б,

h_{п.р. э} = α /(1-α). (13)

В обоих случаях малосигнальный коэффициент усиления может быть получен дифференцированием уравнения (8) по I_э:

α _м.с. = α + I_э  . (14)

Коэффициент усиления по току в режиме малого сигнала α _м.с. является суммой коэффициента усиления по постоянному току α и производной α по этому току. Соответственно малосигнальный коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером

В первом приближении коэффициент усиления по току не зависит от эмиттерного тока. Более точная теория учитывает ряд эффектов, которые приводят к зависимости α от I_э: модуляцию проводимости базы (эффект Вебстера), расширение базы (эффект Кирка). Более того, α является функцией напряжения на коллекторе вследствие эффекта Эрли.

Когда транзистор работает в качестве ключа и находится во включенном состоянии, т.е. в режиме насыщения, коллектор смещается в прямом направлении. Такой обращенный транзистор характеризуется обратным коэффициентом усиления в схеме с общей базой α_обр и обратным коэффициентом усиления в схеме с общим эмиттером.

2.1 ЗАВИСИМОСТЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭМИТТЕРА ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСИ В НЕМ

Повышение степени легирования эмиттера приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны кремния, увеличению собственной эффективной концентрации и понижению времени жизни. Все эти эффекты в определенной степени способствуют снижению эффективности эмиттера.

Сужение запрещенной зоны

Плотность тока неосновных носителей J_р в эмиттере n-p-n транзистора складывается из диффузионной и дрейфовой составляющих:

 J_p = eµ_ppE - eD_p  , (16)

где поле

 E = -    ;(17)

µ и D_p - подвижность и коэффициент диффузии дырок соответственно; р - избыточная концентрация; N (x) - концентрация примеси в эмиттере, зависящая от координаты. В соответствии с соотношением Эйнштейна

D_p = kT/eµ. (18)

Из выражений (16) и (17) получим

J_p = eD_p [- ].(19)

При высокой степени легирования эмиттера эффективная собственная концентрация n_i связана с собственной концентрацией соотношением

n_i²_эф = n_i² exp [E_g /(kT)].(20)

Это изменение собственной концентрации из-за сужения запрещенной зоны приводит к возникновению дополнительной составляющей электрического поля в диффузионном эмиттере. Выражение для этой составляющей получено Мертеном:

 E = -    .(21)

Поле E действует в направлении, противоположном направлению поля, обусловленного градиентом концентрации примеси, так что суммарное поле в эмиттере

 E =  [-   ].(22)

Выражение для электронного тока (19) при этом также видоизменится:

J_p = eD_p [].(23)

Таким образом, степень легирования эмиттера сильно влияет на распределение электрического поля в эмиттерной квазинейтральной области и способствует достижению неосновными носителями контакта к эмиттеру.

Влияние Оже-рекомбинации на эффективность эмиттера

 На эффективность инжекции эмиттера влияет диффузионная длина неосновных носителей в эмиттере и, следовательно, время жизни носителей, которое в области низких концентраций диффузионного эмиттера определяется рекомбинацией Шокли-Рида-Холла (ШРХ). В сильно легированной эмиттерной области, согласно Шенгу, следует учитывать Оже-рекомбинацию. Поскольку время жизни, определяемое Оже-рекомбинацией τ₀, уменьшается как квадрат концентрации неосновных носителей, оно начнет превалировать над временем жизни, определяемым ШРХ-рекомбинацией τ_ШРХ, начиная с некоторой точки x₀, в которой

τ₀ = τ_ШРХ.(24)

Рисунок 2 - Действительный (кривая 1) и эффективный (кривая 2) профили: в области I превалирует рекомбинация Оже, в области II - рекомбинация ШРХ; заштрихованная область представляет собой активную область эмиттера