Дрейфовые транзисторы их параметры, преимущества и недостатки (стр. 4 из 6)

(2.2.28)

где η_Э=E_pL_p/φ_T

фактор поля; функция

, при η_Э»1.

Таким образом, при низком уровне инжекции дырочный ток эмиттера (при x=x_1Э) определяется выражением

(2.2.29)

Учитывая, что

, окончательно можно записать

(2.2.30)

(2.2.31)

Полученные выражения позволяют определить коэффициент передачи тока базы для нормального активного режима. Ток базы транзистора

(2.2.32)

где первые две составляющие тока базы определяются выражениями (2.2.19), (2.2.30), (2.2.31) , а третья (связана с рекомбинацией в ОПЗ) в соответствии с[4]

(2.2.33)

Интегральный коэффициент передачи тока базы

(2.2.34)

Подставив в (2.2.34) выражения (2.2.19), (2.2.30), (2.2.31), (2.2.33) и (2.2.11) и выполнив необходимые преобразования[4], получим

(2.2.35)

где I_RS=I²_R)/I_Эns—характеристический ток влияния рекомбинации носителей заряда в ОПЗ эмиттера.

Так как в данной постановке задачи I_K≈I_Э=I_nx, выражение (2.2.35) определяет зависимость β от тока коллектора. Первый член выражения (2.2.35) обусловлен рекомбинационными потерями электронов в объеме базы, второй член—дефектом инжекции эмиттера, третий — наличием рекомбинации носителей заряда в ОПЗ эмиттера. Зависимость β(I_к) для мощного транзистора показана на рис. 2.2.2.

Зависимость коэффициента передачи тока от тока коллектора.

Рис. 2.2.2

Спад β в области малых токов обусловлен рекомбинацией носителей заряда в ОПЗ эмиттера от тока коллектора(третий член), а спад β в области больших токов—уменьшением коэффициента инжекции (второй член). Кроме явной зависимости β(I_nx) необходимо иметь в виду, что постоянная накопления τ_F резко возрастает в области больших токов из-за влияния эффекта Кирка и квазинасыщения. Возрастание τ_F и уменьшение i_k.f == Q_B0/ τ_F в области больших токов усиливают спад β.

Зависимость коэффициента передачи тока β от напряжения коллектор—эмиттер U_кэ обусловлена рядом эффектов, связанных с изменением границы ОПЗ коллекторного перехода x_1к при изменении U_кэ. При малых плотностях тока основную роль играет расширение ОПЗ коллектора в область базы, за счет чего изменяется толщина квазиэлектронейтральной базы (эффект Эрли). В области повышенных плотностей тока и небольших напряжений Uкэ начинает сказываться эффект Кирка и эффект квазинасыщения. При больших обратных напряжениях U_КЭ дополнительное возрастание β связано с явлением лавинного размножения носителей заряда в ОПЗ коллектора.

3. Влияние неравномерного распределения примесей в базе на параметры дрейфового транзистора

Увеличение скорости движения носителей через базу в первую очередь уменьшает пролетное время. Влияние дрейфового поля проявляется и в выравнивании скоростей носителей. Разброс в скоростях и этом случае оказывается не так высок, как в случае чисто диффузионного движения, где все определяется только тепловыми скоростями. В результате падение коэффициента переноса β до уровня 0,707 должно произойти на частоте, существенно превышающей частоту юр бездрейфового транзистора с той же толщиной базы.

Увеличение предельной частоты приводит к изменению основных фазовых соотношений. Фазовый сдвиг на частоте юр оказывается несколько больше, чем для бездрейфового транзистора. Формула для частотной зависимости коэффициента переноса примет вид

(3.1)

где т =0,5— 0,8, β-коэффициент переноса.

Расчетным путем получено и подтверждено экспериментально, что для большинства дрейфовых транзисторов, германиевых и кремниевых, т =0,6. Фазовый угол φ_β может быть рассчитан из соотношения

(3.2)

где К=0,5·ln(N_Э/N_К)-показатель перепада концентрации.

Зависимость предельной частоты ƒ_β от перепада концентрации может быть аппроксимирована одним из следующих выражений[5]:

(3.3)

или

(3.4)

Так как множитель перед скобками представляет собой предельную частоту коэффициента-переноса бездрейфового транзистора ƒ_β0, то (3.3) и (3.4) можно переписать в следующем виде:

(3.5)

Или

(3.6)

Первое выражение проще, но хорошо отражает зависимость ƒ_β от перепада концентрации только при N_Э/N_К > 100. Второе выражение дает лучшую аппроксимацию в более широком диапазоне изменения перепада концентраций.

Полагая N_Э = 10¹⁷см^-3 и N_К = 10¹⁴см^-3(N_Э/N_К=1000), получаем, что предельная частота коэффициента переноса дрейфового транзистора будет в этом случае более чем в 6 раз превышать предельную частоту коэффициента переноса бездрейфового транзистора.

Поскольку дрейфовые транзисторы могут иметь очень высокие значения предельной частоты ƒ_β, то расчеты показывают, что в этом случае уже нельзя полагать эффективность эмиттера частотно-независимой и считать, что ƒ_β≈ f_a. Так как эмиттерный переход шунтирован зарядной емкостью, то на достаточно высоких частотах токи смещения через переход могут оказаться соизмеримыми с токами инжекции.

Для того чтобы оценить роль эффективности эмиттера, рассмотрим конкретный пример транзистора типа р-п-р с концентрацией у эмиттера, равной N_Э= 10¹⁷см^-3, диаметром эмиттера d_Э = 0,3 мм (S_Э = 0,07 мм²), толщиной базы W = 10 мкм и концентрацией у коллектора N_К = 10¹⁴ см^-3.

Предельная частота ƒ_β такого триода будет равна (на основании предыдущего примера)

ƒ_β= ƒ_β0· 6=1700/100=17·6 ≈100 Мгц.

Удельная емкость эмиттерного перехода

Емкость эмиттерного перехода может быть найдена из соотношения[5]

Вычисленное значение контактной разности потенциала эмиттерного перехода при комнатной температуре (kT/q=0,026в) для сплавного перехода с концентрацией акцепторов в области эмиттера, равной 10¹⁹см^-3, будет равно

Связь между током эмиттера и напряжением на эмиттере определяется соотношением

Задаваясь значениями тока эмиттера, рассчитаем r_Э, С_Эи предельную частоту f_y, определяемую по спаданию γ׀ в

раз ( ), на основании простейших соотношений для бездрейфового транзистора.

Можно видеть, что в данном случае предельная частота f_α транзистора будет определяться не столько частотной зависимостью β(ω), сколько частотной зависимостью γ(ω). Особенно при малых токах (0,1—0,3 ма) можно считать, что f_α ≈ f_γ. Для бездрейфового транзистора с ƒ_β0= 17 Мгц частотная зависимость γ(ω) при токах 1 ма и выше будет несущественной, для дрейфового же трнзистора с ƒ_β0= 100 Мгц только при токе 15 ма можно считать f_α = f_β . Этим объясняется тенденция к использованию дрейфовых транзисторов при повышенных токах эмиттера.

Другими словами, малая предельная частота коэффициента инжекции имеет более существенное значение для транзисторов с большими предельными частотами коэффициента переноса и мало влияет на частотные свойства транзистора с малыми предельными частотами коэффициента переноса.

Таким образом, коэффициент передачи тока α(ω) дрейфового транзистора будет определяться произведением эффективности эмиттера γ(ω), коэффициента переноса в базе β(ω) и коэффициента переноса в коллекторном переходе β*(ω). Кроме того, выходной ток I_К в режиме короткого замыкания может уменьшаться и за счет действия цепочки r_бС_К [5]. Полное выражение для коэффициента передачи тока α(ω) для дрейфового транзистора с широким коллекторным переходом W_i будет иметь вид (без учета влияния r_бС_К)

(3.7)

Частотная зависимость каждого из этих сомножителей нами определена. Тем не менее, определение предельной частоты f_α, представляет значительную сложность. Если положить, что частотная зависимость каждого из сомножителей может быть представлена частотной зависимостью вида[5]