Что такое модуляция толщины базы коллекторным напряжением

Эффект модуляции толщины базы

Поскольку коллекторный переход в основном сосредоточен в базе, (как более высокоомной области), то приращения его ширины вызывают практически равные им приращения толщины базы W. В результате получается зависимость: W == f (Uk), которую называют модуляцией толщины базы или эффектом Эрли.

1. Изменение толщины базы влияет на ту долю инжектированных носителей заряда (дырок), которая доходит до коллектора,избежав рекомбинации. Чем меньше толщина базы, тем больше эта доля, т.е. при неизменном токе эмиттера модуляция толщины базы приводит к изменениям тока коллектора.

1.2.- коллекторный переход имеет конечное дифференциальное сопротивление.

2. Модуляция толщины базы сопровождается изменением за­ряда дырок в базе, т.е. имеет место зависимость заряда (в базе) от коллекторного напряжения б = f(u_k), следовательно (об-ратносмещённый) коллекторный переход обладает диффузионной емкостью дополнительно к обычной барьерной.

3. Модуляция толщины базы меняет время диффузии дырок через базу, тем самым напряжение u_к влияет на частотные свой­ства транзисторной структуры.

Увеличение по модулю напряжения Uk ведёт к уменьше­нию толщины базы на величину dWм. А это приводит к увеличению градиента концентрации дырок в базе: grad Р = dp/dx.

Следовательно, при изменении напряжения на коллекторе происходит изменение тока эмиттера, что, в свою очередь ведет к изменению напряжения на эмиттере. Другими словами: в транзисторной структуре с двумя взаимодействующими перехо­дами существует внутренняя обратная связь по напряжению.

5. Пробой перехода может происходить не только в результате лавинной ионизации, но и в результате сужения базы ввиду мо­дуляции её толщины. Если коллекторный переход расширится настолько, что ширина базы сделается равной нулю, то переходы транзистора сомкнутой, и ток будет беспрепятственно проходить из эмиттера в коллектор, Т.е. наступит пробой. Такой эффект называют эффектом смыкания.

Описание лабораторного стенда:

При исследовании характеристик транзисторной структуры используется специализированный стенд, блок-схема которого приведена ниже:

Теоретические вольт-амперные характеристики транзисторов

Схема включения с общей базой

а – входные характеристики

б – выходные характеристики

Схема включения с общим эмиттером

Источник

Эффект модуляции толщины базы. Определения, следствия.

На ЭП напряжение подается в прямом направлении, и оно мало изменяется при работе транзистора, поэтому ЭП узкий и ширина его изменяется незначительно. КП смещен в обр. направлении, поэтому его ширина больше и изменяется в широких пределах при изменении напряжения на коллекторе. А т.к. в биполярных транзисторах р_б>> р_к, то КП расширяется в основном в область базы, уменьшая ее толщину.

1. Iк=f(Uкб), w= f(Uкб), I_к=аI_э+ I_к0 , то есть I_к=а(Uкб)I_э+ I_к0

2. Частотные св-ва транзистора зависят от Uкб (увел. Uкб умен.W, уменьш. время пролёта t_пр)

3. КП кроме барьерной области обладает диффузионной (Ск_бар+Ск_диф)

4. Эффект модуляции толщины базы обуславливает наличие обратной связи, характеризующей влияние коллекторного перехода на эмиттерный переход из-за их близкого расположения.

Изменение распределения избыточной концентрации дырок в базе с увеличением коллекторного напряжения (пунктирная линия) при фиксированных значениях напряжения на эмиттером переходе (а) и тока эмиттера (б):

р₀ — избыточная концентрация дырок в базе на границе эмиттерного перехода.

Поскольку диффузионный ток эмиттера зависит от градиента концентрации дырок в базе:

, то при постоянном напряжении на эмиттерном переходе и с увеличением по модулю напряжения на коллекторе возрастает градиент концентрации, а следовательно, и ток эмиттера.

На (б) показано влияние U_Kб на распределение дырок в базе, если поддерживать постоянной величину тока эмиттера. С увеличением U_Kб (по модулю) толщина базы уменьшается. Чтобы ток эмиттера оставался постоянным, необходимо, чтобы с изменением U_Kб градиент концентрации оставался неизменным. Поэтому с увеличением U_Kб должна уменьшается избыточная концентрация дырок на границе эмиттерного перехода (ΔР₂

а) при увил. Т увел.τ время жизни носителей.( ловушеи не успевают захватывать)

б) при увел. Т уменьш.μ подвижность отсюда возрастает р_б

-коэф. уселения по току в схеме с ОЭ. β также зависит от как и α но с большим масштабом по оси изменения β. (Графики такие же (α =0,98 β =49) (α=0,99 β=99))
15.Входные характеристики транзистора с общей базой. Их зависимость от напряжения колектора и температуры.

Входные характеристики: Входная характеристика при U_КБ = 0 (зависимость 1, рис.3) аналогична прямой ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода. Эта характеристика начинается из начала координат, при увеличении входного напряжения ток эмиттера /₃ экспоненциально увеличивается:

При больших токах I_э вх. хар-ки близки к линейным. Наклон лин. участка опр-ся в объемным сопротивлением базы r_Б.

При напряжении U_KБ > 0 кривые смещаются вверх относительно начала координат и к оси токов (падение напряжения на объемном сопр. базы r_Б при протекании тока I_K0)

При “-“ напряжении на К через КП протекает ток обратносмещенного рn-перехода Iко, а т.к. база мало легирована примесями, то на r_Б будет создаваться падение напряжения U_rБ = I_ко r_Б, в результате чего Э получает положительное смещение относительно базы и начинает инжектировать дырки, что приводит к появлению нач. тока Э: (U_KБ=0)

Смещение характеристик влево при увеличении коллекторного напряжения объясняется эффектом модуляции толщины базы. Эффект модуляции заключается в изменении толщины базы при изменении напряжения на коллекторе.

Вх. хар-ки кремниевого транзистора (а) смещены от начала координат в сторону больших прямых напряжений (контактная разность потенциалов у кремниевых транзисторов больше, чем у германиевых).

Вх. хар-ки германиевых транзисторов при различных Т – (б). С увеличением Т вх. ток увеличивается, вх. хар-ка смещается влево вследствие роста внутр. эн. осн. носителей заряда и уменьшения контактной разности потенциала φ_кэ и потенциального барьера. Изменение начального тока эмиттера с ростом температуры окружающей среды связано с экспоненциальной зависимостью от температуры неуправляемого тока коллекторного перехода. С увеличением тока I_ко возрастает падение напряжения на объемном сопротивлении базы, и это приводит к росту начального тока эмиттерного перехода.

Источник

Биполярные транзисторы. For dummies

Предисловие

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что 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. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Источник

Полупроводник. Удельное электрическое сопротивление полупроводников. Собственный полупроводник

Страницы работы

Фрагмент текста работы

области коллектора, так как в этой области значительная концентрация примесей;

2) в области базы, так как здесь концентрация примесей меньше, а удельное сопротивление больше;

3) одинаково в области базы и коллектора.

Токи эмиттера и коллектора от толщины базы

2) зависят, причем токи возрастают с уменьшением толщины базы;

3) зависят, причем токи уменьшаются с ростом толщины базы;

4) зависят, причем токи увеличиваются с ростом толщины базы.

Модуляция толщины базы коллекторным напряжением – это

1) изменение толщины базы при изменении коллекторного напряжения вследствие изменения ширины коллекторного перехода;

2) влияние коллекторного напряжения на толщину базы в области вывода базы;

3) изменение толщины базы из-за влияния коллекторного напряжения на ширину эмиттерного перехода;

4) правильного ответа нет.

Электрическое поле в области базы бездрейфового биполярного транзистора

3) правильного ответа нет.

Режим отсечки биполярного транзистора – это состояние, когда

1) коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном;

2) коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный – в прямом;

3) коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении;

4) коллекторный и эмиттерный переходы смещены в обратном направлении.

Входное сопротивление усилительного каскада на биполярном транзисторе меньше

1) при включении с общей базой;

2) при включении с общим эмиттером;

3) при включении с нагрузкой по схеме с общим коллектором;

4) при любом включении сопротивление одинаково.

Получить усиление тока при включении транзистора по схеме с общей базой

3) можно при большом сопротивлении в цепи коллектора;

4) можно при малом сопротивлении в цепи коллектора.

Наибольшее усиление мощности обеспечивает

1) схема с общей базой;

2) схема с общим эмиттером;

3) схема с общим коллектором;

4) во всех схемах усиление мощности одинаково.

Активный режим работы транзистора – это

1) эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении;

2) эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении;

3) эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный – в обратном;

4) эмиттерный переход смещен в обратном направлении, коллекторный – в прямом.

Усилительный каскад имеет минимальное выходное сопротивление

Усиление тока можно получить

1) в схеме с общей базой;

2) в схемах с общим эмиттером и общим коллектором;

3) в схемах с общим эмиттером и общей базой;

4) в схемах с общим коллектором и общей базой.

Режим насыщения транзистора – это состояние, когда

1) эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении;

2) эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный – в обратном;

3) эмиттерный переход смещен в обратном направлении, коллекторный – в прямом;

4) оба перехода смещены в прямом направлении.

Типичные значения коэффициента передачи тока h_21Б транзистора в схеме с ОБ составляют

Входными характеристиками транзистора называются зависимости

Выходными характеристиками транзистора называются зависимости

Основными семействами характеристик транзистора являются

1) семейства характеристик входных и передачи тока;

2) семейства характеристик выходных и обратной связи;

3) семейства характеристик передачи тока и обратной связи;

4) семейства характеристик входных и выходных.

В эмиттерном переходе транзистора происходят процессы

1) диффузионное перемещение носителей заряда из области базы4

2) инжекция носителей заряда из эмиттера в базу;

3) дрейфовое перемещение основных носителей заряда из эмиттера в базу;

4) дрейфовое перемещение носителей заряда из базы в эмиттер.

В области базы транзистора происходит

1) рекомбинация неосновных носителей с основными носителями области

Источник