Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов

Рассмотренное выше позволяет сделать следующие выводы. Для улучшения частотных свойств (повышение предельной частоты) рекомендуется следующее:

1. Уменьшать время пролета инжектированных носителей в базовой области, для этого:

а) уменьшать ширину базовой области W_Б;

б) создавать n-р-n транзисторы, так как подвижность электронов выше, чем у дырок, примерно в 2 раза;

в) использовать германиевые БТ, так как в германии подвижность носителей выше. Еще большие возможности открывает использование арсенида галлия;

2. Создавать ускоряющее поле в базовой области для инжектированных из эмиттера носителей. Последнее возникает при неравномерном распределении примесей в базе по направлению от эмиттера к коллектору (рисунок 5.19). Концентрацию примесей около эмиттера делают примерно в 100 раз больше, чем около коллектора.

Появление поля объясняется следующим образом. Так как концентрация основных носителей в любой точке базы (дырок n-р-n транзистора) приблизительно равна концентрации примесей в этой точке, то распределение примесей N_А (х) одновременно будет и распределением дырок p (х). Вследствие градиента концентрации дырок будет происходить их диффузионное движение к коллектору, приводящее к нарушению условия электрической нейтрально­сти: около эмиттера будет избыток отрицательного заряда ионов акцепторов, а около коллектора – избыток положительного заряда дырок, которые приходят к коллекторному переходу, но не проходят через него, т.к. электрическое поле в коллекторном переходе является тормозящим для основных носителей - дырок.

 

Рис. 5.19. Образование электрического поля в базе дрейфового БТ

 

Нарушение электрической нейтральности приводит к появлению внутреннего электрического поля в базовой области («минус» у эмиттера, «плюс» у коллектора). Появляющееся поле, в свою очередь, вызовет встречное дрейфовое движение дырок. Нарастание поля и дрейфового потока будет происходить до того момента, когда дрейфовый и диффузионный токи дырок уравняются. Легко видеть, что установившееся (равновесное) значение поля будет ускоряющим для электронов, которые инжектируют в активном режиме из эмиттера в базу, и будет уменьшать время их пролета, т.е. повышать предельную частоту БТ.

Биполярные транзисторы с неравномерным распределением примесей в базе, приводящим к появлению ускоряющего поля, называются дрейфовыми, а обычные – бездрейфовыми. Практически все современные высокочастотные и сверхвысокочастотные БТ являются дрейфовыми.

Уменьшение времени пролета в базовой области n-р-n транзистора при экспоненциальном законе убывания концентрации акцепторов от N_А (0) до N_А (W_Б) учитывается коэффициентом неоднородности базы:

h =0,5 ln [ N_А (0)/ N_А (W_Б)]. (5.41)

Поэтому можно написать

(5.42)

Для бездрейфовых транзисторов h = 0, а типичные значения для дрейфовых транзисторов .

3. Уменьшать барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов путем уменьшения сечения областей транзистора и увеличения ширины переходов (выбором концентрации примесей и рабочего напряжения).

4. Уменьшать омическое сопротивление областей базы .

5. Уменьшать время пролета носителей в области коллекторного перехода.

Следует отметить, что ряд требований несовместимы и необходимо при создании транзисторов применять компромиссные решения.

Контрольные вопросы к разделу 5

Что называется биполярным транзистором?

Изобразите устройство сплавного транзистора. Какие недостатки присущи такому транзистору?

Изобразите устройство планарного транзистора. Какие преимущества имеют такие транзисторы по сравнению со сплавными?

Изобразите схематическое устройство и условное графическое обозначение

p-n-p и n-p-n транзистора.

Поясните принцип действия БТ.

Дайте определение способам включения транзисторов с общей базой, с общим коллектором, общим эмиттером.

Приведите и охарактеризуйте уравнение токов транзистора.

Что называется коэффициентом передачи тока эмиттера a?

Что называется коэффициентом усиления тока базы b?

Как связаны между собой коэффициенты a и b?

Изобразите и охарактеризуйте вид входных и выходных характеристик БТ при включении с общей базой.

Изобразите и охарактеризуйте вид входных и выходных характеристик при включении БТ с общим эмиттером.

Дайте определение h-параметров БТ.

Поясните, как определяются h-параметры по статическим характеристикам БТ?

Изобразите и охарактеризуйте формальную модель БТ на основе h-параметров.

Изобразите и охарактеризуйте физическую Т-образную модель БТ.

Факторы, влияющие на частотные свойства транзисторов.

Приведите частотные параметры транзисторов

Укажите методы улучшения частотных параметров транзисторов.

ПРИБОРЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

ТИРИСТОРЫ

 

Тиристор – полупроводниковый прибор, имеющий два возможных состояния (запертое и открытое). Тиристоры относятся к приборам, характерис- тики которых обладают участком с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Они имеют структуру p-n-p-n (или n-p-n-p) и нашли широкое примене- ние в качестве переключательных приборов.

Тиристоры классифицируют по числу электродов и способу управления. Тиристор, имеющий два вывода, называют, называют диодным тиристором или динистором. Включение и выключение его осуществляется лишь путем изменения величины и полярности напряжения питания. Поэтому его называют ещё неуправляемым тиристором. Тиристор, имеющий три вывода, называют триодным тиристором или тринистором. Он содержит третий управляющий электрод и может переводится из закрытого состояние в открытое также с помощью тока управления. Такие тиристоры являются управляемыми.

Динисторы.

Структура динистора представлена на рисунке 6.1.

 

Рис. 6.1 - Составляющие токов в структуре динистора

 

В монокристалле кремния создаются четыре слоя с перемежающимся типом проводимости p-n-p-n, разделенные тремя переходами: двумя эмиттерными ЭП1 и ЭП2, и коллекторным КП. Крайние слои с высокой концентрацией примеси называются эмиттерами Э1 и Э2, а средние с низкой концентрацией – базами Б1 и Б2. Толщина эмиттерных слоев 10-50 мкм, а базовых – 100-150 мкм.

При приложении к динистору прямого напряжения (плюс на р₁, минус на n₂) напряжение питания распределяется между тремя его переходами. Эмиттерные переходы ЭП₁ и ЭП₂ включены в прямом направлении, а коллекторный переход КП в обратном. Поэтому на эмиттерных переходах падает малая доля напряжения питания, а на коллекторном – большая.

Через эмиттерный переход ЭП₁ будет протекать ток, равный сумме дырочной и электронной составляющей I₁= I_P1 + I_n1 (на рис. сплошными стрелками показаны составляющие токов, а пунктирными направление движения носителей). Через эмиттерный переход ЭП₂ также будет протекать ток I₂= I_P2 + I_n2. Через коллекторный переход КП будут протекать токи экстракции α₁I₁ и α₂I₂ (где α₁ и α₂ коэффициенты передачи тока соответственно для токов I₁ и I₂), и начальный коллекторный ток I_К0 =I_PК0+ I_nК0 за счет неосновных носителей в базах динистора. Таким образом, полный ток коллектора равен I_К = α₁I₁ + α₂I₂ + I_К0. Очевидно, что токи, протекающие через все три перехода, должны быть одинаковыми, т.е. I₁ = I₂ = I_К= I, и тогда

(6.1)

Из формулы (6.1) видно, что при условии (α₁ + α₂)→1 ток через динистор резко возрастает.

На рис.6.2 представлена вольтамперная характеристика динистора. На ней можно выделить пять специфических участков. 1- участок большого сопротивления (динистор выключен); 2- участок лавинного пробоя; 3- участок отрицательного дифференциального сопротивления (на 2 и 3 участке происходит включение динистора); 4 – участок малого сопротивления (динистор включен); 5 – обратная ветвь характеристики.

Рис. 6.2 – ВАХ динистора

 

При небольшом внешнем напряжении величина прямого напряжения на эмиттерных переходах ЭП₁ и ЭП₂, вследствие их прямого включения, весьма мала, поэтому токи через эмиттерные переходы очень малы – порядка долей микроампер. В этом случае малым токам соответствуют и малые (порядка сотых долей) значения коэффициентов передачи тока α₁ и α₂ (рис 6.3). Объясняется это большой толщиной баз (больше длины свободно пробега неосновных носителей). Таким образом, на участке 1 характеристики при малых U ток через динистор в основном определяется начальным коллекторным током I_К0. При увеличении внешнего напряжения происходит лавинный пробой коллекторного перехода (участок 2 ВАХ), что приводит к

Рис. 6.3 – Зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера

Рис. 6.4 –УГО динистора

 

резкому увеличению тока и накоплению основных носителей в базах динистора (электронов в базе 1 и дырок в базе 2). Это приводит к снижению потенциального барьера в обоих эмиттерных переходах, в результате чего эмиттерные токи через переходы увеличиваются. При увеличении токов эмиттеров, вследствие малой концентрации примесей в базе, коэффициенты передачи α₁ и α₂ возрастают. Это приводит к дальнейшему лавинному увеличению токов коллектора, а следовательно, и тока через динистор и т.д. Таким образом, характерной особенностью p-n-p-n структуры является положительная обратная связь по току.

В результате возрастания эмиттерных токов сумма коэффициентов (α₁+α₂) увеличивается до единицы. Напряжения на переходах перераспределяются: на эмиттерных переходах оно начинает несколько повышаться, а на коллекторном значительно снижается, что соответствует участку 3 ВАХ, где дифференциальное сопротивление динистора становится отрицательным (dU/dI<0).

При этом лавинный пробой в коллекторном переходе прекращается, т.к. потенциальный барьер в нём исчезает. Вследствие накопления основных носителей в базах динистора на коллекторном переходе устанавливается прямое смещение и все три перехода оказываются под прямым смещением, то-есть напряжение на динисторе становится небольшим – динистор переходит в открытое состояние (участок 4 ВАХ). Остальное напряжение источника питания падает на сопротивлении во внешней цепи. На этом участке ВАХ динистора такая же, как на прямой ветви обычного диода.

Нагрузку включают последовательно с динистором. Если динистор находится в закрытом состоянии, его сопротивление будет больше сопротивления нагрузки и на нагрузке окажется ничтожное напряжение. Если же динистор открыт, его сопротивление мало и на нагрузке будет выделяться почти полное напряжение источника питания.

Для перевода динистора из открытого состояния в закрытое можно путем увеличения сопротивления нагрузки, так что бы ток через динистор снизился до величины I<I_ВЫКЛ или снять напряжение питания.

При изменении полярности напряжения, приложенного к динистору, эмиттерные переходы окажутся под обратным напряжением, и ток в основном будет определяться током того перехода, сопротивление, которого будет больше. Этот режим соответствует участку 5 на характеристике. Напряжение пробоя может быть как больше, так и меньше чем U_ВКЛ.

Статическими параметрами динистора являются:

- напряжение включения U_ВКЛ, соответствующее точке перегиба ВАХ. При подаче на динистор напряжения U > U_ВКЛ он открывается;

- ток включения I_ВКЛ, протекающий при напряжении U_ВКЛ;

- ток утечки I_У, который измеряется при U =0,5 ·U_ВКЛ;

- ток выключения I_ВЫКЛ. При уменьшении тока I< I_ВЫКЛ динистор запирается;

- остаточное напряжение U_ОСТ, определяемое при протекании через динистор максимально допустимого тока I_МАКС

Параметры, характеризующие его быстродействие, являются время включения и выключения. Время включения t_ВКЛ – время, в течение которого динистор после подачи на него отпирающего напряжения U > U_ВКЛ переключается в открытое состояние; время выключения t_ВЫКЛ – время, в течение которого прибор после уменьшения тока до значения I< I_ВЫКЛ переключается из открытого состояния в запертое. Время выключения в 10-50 раз больше, чем время включения.

Недостатком динистора является зависимость его параметров от температуры. Кроме того, в отдельных случаях напряжение включения U_ВКЛ может оказаться слишком большим. Требуется значительная мощность для включения динистора от источника управления.

 

Тринисторы.

Структура тринистора изображена на рис. 6.5. В цепь базы, например Б2, являющейся управляющим электродом, включается источник питания, напряжение которого должно быть прямым по отношению к ЭП₂. Из выше сказанного известно, что условием отпирания динистора является следующее: (α₁ + α₂) ≈ 1. Каждый из этих коэффициентов зависит от величины тока через соответствующий эмиттерный переход. Изменяя ток управляющего электрода можно регулировать ток через ЭП₂ и, следовательно, коэффициент передачи α₂.

Рис. 6.5 – Структура тринистора

 

Поэтому условие отпирания тринистора будет выполняться при меньшем значении напряжении U_ВКЛ, чем в динисторе. Зависимость U_ВКЛ от тока управления I_У приведена на рис. 6.6, а на рис. 6.7 приведено семейство выходных характеристик тринистора при различных значениях управляющего тока I_У.

Рис. 6.6 – Зависимость напряжения включения тринистора от управляющего тока

Рис. 6.7 – Семейство ВАХ тринистора

 

Для запирания тринистора нужно по-прежнему либо снизить ток до значения меньшего I_ВЫКЛ, либо снять напряжение с тиристора.

 

Параметры тринистора: ( см. рис. 6.8)

Рис. 6.8 – К определению параметров тиристора.

Постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии U_MAX– максимальное прямое напряжение, при котором не происходит включение тиристора.

Обратное напряжение U_ОБР – напряжение, при котором тиристор может работать длительное время без нарушения его работоспособности.

Напряжение в открытом состоянии U_ПР – падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии при заданном или максимальном токе.

Ток спрямления I_СПР – ток управляющего электрода, при котором ВАХ тиристора при прямом включении принимает характеристику диода.

Запирающее напряжение на управляющем электроде U_УЗ – напряжение, обеспечивающее запирание тиристора (в запираемых тиристорах).

Максимальный ток в открытом состоянии I_{ОТ MAX}.

Ток выключения (удержания) I_ВЫКЛ.

Обратный ток I_ОБР в закрытом состоянии при заданном или максимальном обратном напряжении.

Управляющий ток спрямления I_{У СПР} – наименьший ток управляющего электрода, при котором исчезает участок отрицательного дифференциального сопротивления на ВАХ.

Максимальная рассеиваемая мощность Р_MAX.

Время включения t_ВКЛ - время с момента подачи отпирающего импульса до момента, когда напряжение на тиристоре уменьшится до 0,1 своего начального значения.

Время выключения t_ВЫКЛ – минимальное время, в течение которого к тиристору должно прикладываться запирающее напряжение.

 

Разновидности тринисторов

Запираемые тринисторы. Если незапираемые тринисторы, рассмотренные выше, выключаются снижением тока до величины I<I_ВЫКЛ или снятием напряжение питания, то запираемые тиристоры выключаются подачей на управляющий электрод импульса обратного напряжения. У этих тиристоров конструкция отличается от выше рассмотренных.

Симисторы (триаки). У симметричных тиристоров вольтамперная характеристика в 1 и 3 квадрантах одинакова (рисунок 6.9). Они выполнены на

Рис. 6.9 – ВАХ симистора.

Рис. 6.10 - Структура симистора

основе пятислойных структур (рисунок 6.10). Структура симистора является аналогом устройства, состоящего из двух тринисторов, включенных встречно-параллельно.

 

а)	б)	в)	г)	д)
Рис. 6.11 – УГО тиристоров а) с управлением - по аноду, б) с управлением по катоду, в) запираемый с управлением: - по аноду, г) запираемый с управлением - по катоду, д) симметричный – (симистор, триак)

Мощные полевые транзисторы

В соответствии с существующей классификацией, к мощным относятся транзисторы с рассеиваемой мощностью более 3 Вт. Следует отметить, что разработаны и серийно выпускаются приборы с рабочими токами в тысячи ампер и рабочими напряжениями в тысячи вольт.

Первые мощные n -канальные МДПТ имели горизонтальную структуру. В соответствии с рис. 6.12 транзисторы имеют протяженный участок стоковой n-области. Это обеспечивает высокие рабочие напряжения без опасности перекрытия короткого (около 5 мкм) канала. Структура поверхности этих приборов сильно разветвлена и имеет вид змейки, что позволяет увеличить ширину и этим добиться больших рабочих токов, исчисляемы амперами (у транзисторов КП904 и КП907).

 

Рис. 6.12 – Структура мощного n-канального МДП-транзистора

с горизонтальной структурой

 

Фактически на работу мощных ПТ с горизонтальной структурой большое влияние оказывают различные физические эффекты: изменение канальной поверхностной подвижности µ_n и длины канала l, а так же влияние объемных сопротивлений r_И и r_C и явление электрического пробоя при больших напряжениях на стоке.

Лучших электрических параметров удается добиться при изготовлении МДП-транзисторов с вертикальной структурой. Структура VМДПТ представлена на рис. 6.13.

 

Рис. 6.13— Структура мощного n -канального VМДП-транзистора

 

Такие транзисторы имеют малую длину канала l, определяемую толщиной p -области (порядка 1 мкм).

Транзисторы имеют объемную n -область. В эту область вытесняется объемный заряд при высоких напряжениях U_СИ и заметно снижается сопротивление канала в открытом состоянии.