Классификация и основные характеристики ИМС 3 глава

коэффициент перекрытия по емкости Кп =С_{в max}/С_{в min}— отношение емкостей варикапа при двух крайних значениях обратного напряжения (К_п=5-8 раз);

добротность варикапаQ=Х_с/r_п где X_c – реактивное сопротивление варикапа; r_п– сопротивление активных потерь;

обратный ток варикапа 1обр — постоянный ток, протекающий через варикап в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

К параметрам предельного режима относят максимально допустимое постоянное обратное напряжение U_{обр mах} и максимально допустимую рассеиваемую мощность Р_mах

Варикапы обычно используют для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров. Схема включения варикапа показана на рис.;Lк - катушка индуктивности контура и C (_U) – емкость контура - ёмкость варикапа; - резонансная частота колебательного контура; С_р и L_р – разделительные конденсатор и катушка индуктивности,. С_р - устраняет шунтирования варикапа индуктивностью по постоянному току С_р>>C_к, L_р.- устраняет шунтирование колебательного контура по переменному сигналу; R – переменный резистор, для установки необходимого напряжения на варикапе.

Недостатком такой схемы является то, что емкость варикапа зависит не только от управляющего напряжения U, но и зависит от амплитуды высокочастотного напряжением на контуре. Этот недостаток устраняется в схеме рис. 3.5 б. Здесь два варикапа включены встречно-последовательно. При этом высокочастотное напряжение контура приложено к ним в разной полярности и на общую емкость не влияет.

 

Вопрос 20

2.9. Туннельные и обращенные диоды

На границе сильно легированных (вырожденных) p-n структур с концентрацией примеси имеет место туннельный эффект. Он проявляется в том, что при прямом смещении на ВАХ появляется спадающий участок с отрицательным сопротивления рис.. На этом участке (участок АВ) дифференциальное сопротивление становится отрицательным R_диф = DU/DI|_АВ=r_- <0. Пунктиром на графике показана ВАХ диода.

Это позволяет использовать такой диод в усилителях и генераторах электрических колебаний в диапазоне СВЧ, а также в импульсныхустройствах. Качество диода определяют протяженность и крутизна «падающего» участка ВАХ. Частотные свойства диода, работающего при малых уровнях сигнала на участке с отрицательным дифференциальным сопротивлением, определяются параметрами элементов эквивалентной схемы (рис. 1.6,6). Активная составляющая полного сопротивления имеет отрицательный знак вплоть до частоты

f_R=((r_диф/Rп)-1)^1/2/(2pr_дифC) (1.11)

При малых значениях обратного смещении ток туннельного диода резко возрастает. Это связанно с туннельным пробоем, возникающим при высокой концентрации примесей.

Основные параметры туннельного диода следующие: пиковый ток I _п — прямой ток в точке максимума ВАХ; ток впадины I_В — прямой ток в точке минимума его характеристики, отношение токов Iп/Iв; напряжение пика U п — прямое напряжение, соответствующее току пика; напряжение впадины U_В — прямое напряжение, соответствующее току впадины; напряжение раствора U_p — прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому; индуктивность L_Д — полная последовательная индуктивность диода при заданных условиях; удельная емкость С_д/I_п — отношение емкости туннельного диода к пиковому току; дифференциальное сопротивление г_диф — величина, обратная крутизне ВАХ; резонансная частота туннельного диода f _о — расчетная частота, при которой общее реактивное сопротивление р-n-перехода и индуктивности корпуса туннельного диода обращается в нуль; предельная резистивная частота f_R — расчетная частота, при которой активная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящей из р-n-перехода и сопротивления потерь, обращается в нуль; шумовая постоянная туннельного диода К_ш — величина, определяющая коэффициент шума диода; сопротивление потерь туннельного диода R_n — суммарное сопротивление кристалла, контактных присоединений и выводов.

К максимально допустимым параметрам относят максимально допустимый постоянный прямой ток туннельного диода I_{пр max}, максимально допустимый прямой импульсный ток I _{пр.и max} максимально допустимый постоянный обратный ток I_{обр mах}, максимально допустимую мощность СВЧ Р _{свч mах}, рассеиваемую диодом.

Схема генератора гармонических колебаний на ТД приведена на рис.. Назначение элементов: R₁, R₂ – резисторы, задают рабочую точку туннельного диода на середине участка ВАХ с отрицательным сопротивлением; L_k, C_k – колебательный контур; С_бл - ёмкость блокировочная, по переменной составляющей она подключает туннельный диод параллельно к колебательному контуру.

Туннельный диод, включённый параллельно колебательному контуру компенсирует своим отрицательным сопротивлением сопротивление потерь колебательного контура, а потому колебания в нем могут продолжаться бесконечно долго.

Обращенные диоды являются разновидностью туннельных диодов. В них концентрация примесей несколько меньше чем в туннельных. За счет этого у них отсутствует участок с отрицательным сопротивлением. На прямой ветви до напряжений 0,3-0,4В имеется практически горизонтальный участок с малым прямым током (рис..), в то время как ток обратной ветви начиная с малых напряжений, за счет туннельного пробоя, резко возрастает. В этих диодах, для малых переменных сигналов, прямую ветвь можно считать не проводящей ток, а обратную – проводящей. Отсюда и название этих диодов.

Обращенные диоды используются для выпрямления СВЧ сигналов малых амплитуд (100-300)мВ.

Вопрос 21

2.10 Маркировка полупроводниковых диодов

Маркировка состоит из шести элементов, например:

К Д 2 1 7 А или К С 1 9 1 Е

^{1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6}

1 - Буква или цифра, указывает вид материала, из которого изготовлен диод:

1 или Г – Ge (германий); 2 или К – Si (кремний); 3 или А – GeAs.

2 - буква, указывает тип диода по его функциональному назначению:

Д – диод; С – стабилитрон, стабистор; В – варикап; И – туннельный диод; А – СВЧ диоды.

3. Назначение и электрические свойства.

4 и - 5 указывают порядковый номер разработки или электрические свойства (в стабилитронах – это напряжение стабилизации; в диодах – порядковый номер).

- Буква, указывает деление диодов по параметрическим группам (в выпрямительных диодах – деление по параметру U_обр.max, в стабилитронах деление по ТКН).

 

Вопрос 22

3.1. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Транзисторы – это полупроводниковые приборы с тремя выводами, и предназначены для усиления и генерации электрических сигналов.

Транзистор представляет собой трехполюсный прибор, что является частным случаем четырехполюсник. Транзисторы имеют три вывода: входной - для подачи управляющего сигнала, выходной и общий.

Выходным сигналом транзистора является выходной ток. В зависимости от способа управления им транзисторы делятся на две группы:

Токовые. В них выходной ток пропорцианален входному току - I_вых = kI_вх. В создании выходного тока в таких транзисторах принимают участие два вида носителей заряда – электроны и дырки, а потому, их часто называют биполярными.

2. Полевые. В них выходной ток пропорцианален входному напряжению - I_вых = SU_вх._. Входное напряжение U_вх создаёт в объёме транзистора электрическое поле, управляющее выходным током. В этих транзисторах в создании выходного тока I_вых принимает участие один вид носителей заряда – электроны или дырки, а потому их иногда называют униполярными транзисторами.

3.1 Общие сведения о биполярных транзисторах

Биполярные транзисторы это обьем полупроводника с тремя чередующимися р и n областями и с двумя близко расположенными, а потому взаимодействующими р-n-переходами. В зависимости от чередования р и n –областей, различают два типа биполярных транзисторов: р-п-р и п-р-п-типа.

Структуры и условные обозначения данных типов транзисторов показаны на рис. 2.1. Между каждой областью полупроводника и ее выводом имеется омический контакт, который на рис. 2.1 показан жирной чертой. Средний слой транзистора называют базой (Б), один из крайних - эмиттером (Э), другой — коллектором (К). Между эмиттером и базой возникает эмиттерный переход (ЭП), а между коллектором и базой – коллекторный переход (КП).

В зависимости от технологии изготовления биполярные транзисторы бывают: сплавные, эпитаксиально-диффузионные, планарные, мезатранзисторы и т. д. В зависимости от распределения примесей в базе транзисторы бывают: диффузионные, при равномерном распределения примесей и дрейфовые при неравномерном распределении примесей. Конструкция транзистора при сплавном и планарном методе изготовления показаны на рис.2. Для того чтобы конструкция работала, как транзистор, необходимо чтобы все инжектированные эмиттером носители заряда доходили до коллекторного перехода. Для этого необходимо: во первых - ширина базы W должна быть значительно меньше диффузионной длины L, т.е. W<<L, толщина базы состовляет (0.1-100 мкм); во вторых - S _Э. << S_к, где S _Э – площадь эмиттерного перехода; S_к – площадь коллекторного перехода.

Особенностью планарной технологии является то, что транзистор изготавливается путем многократной диффузии примесей только только на одну из сторон подложки. Кроме того, если на одной подложке сразу изготовить большое число транзисторов то они оказываются практически электрически изолированными друг от друга за счет двух обратно смещенных р-п переходов образованных между областями коллектора и подложкой. Это положено в основу изготовления интегральных схем.

3.2 Принцип работы биполярного транзистора в активном режиме

и соотношения для его токов

Физическая модель биполярного транзистора и схема его включения в активном режиме показана на рис.

Эмиттер – область, выполненная из сильно легированного полупроводника. Она является инжектором носителей заряда в базу.

База – содержит малую концентрацию примесей ее толщина много меньше диффузионной длины w<<L (толщина базы w=1-10мкм).

Коллектор – это область с высокой концентрацией примесей, он предназначен для поглощения носителей заряда инжектируемых эмиттером.

Биполярный транзистор в активном (усилительном) режиме включают так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Поскольку база имеет малую концентрацию примесей по сравнению с соседними областями, то ЭП и КП располагаются в ее области.

Основные свойства транзистора определяются процессами, происходящими в базе. Принцип работы состоит в следующем.

При смещении ЭП в прямом направлении происходит ввод (инжекция) основных носителей заряда в базу, где они становятся неосновными – этот процесс называется - инжекция. В базе они первоначально группируются вблизи ЭП, а затем за счет диффузии или сил электрического поля происходит движение неосновных носителей заряда от границы эмиттерного перехода, к границе запертого коллекторного перехода. Если распределение примесей в базе постоянно по её длине, то электрическое поле отсутствует и движение осуществляется за счёт диффузии, такие транзисторы называются – диффузионными. Если распределение примесей в базе неравномерно, то возникает электрическое поле, способствующее переносу неосновных носителей заряда от эмиттерного перехода, к коллекторному переходу, такие транзисторы называются дрейфовыми.

Достигнув границы запертого КП неосновные носители заряда попадают в сильное ускоряющее поле и переносятся им в область коллектора, где они снова становятся основными носителями – это экстракция. Для компенсации зарядов накапливающихся в области коллектора, от источника питания поступают заряды противоположного знака, они и создают управляемую составляющую тока коллектора α I _к в коллекторной цепи транзистора.

Кроме того через коллекторный переход протекает обратный, неуправляемый ток, создаваемый собственными неосновными носителями заряда КП – это собственный тепловой ток Iко коллекторного перехода.

Часть неосновных носителей заряда не достигает КП, рекомбинируют с основными носителями заряда в области базы, это создаёт ток базы I _Б.

Для транзистора можно записать следующие соотношения для токов:

I_э= I_к + I_б

. I_б= αI_э + I_ko

где: α=I_k/I_э - коэффициент передачи тока эмиттера (типичные значения a=0,9…0,999); αI_э - управляемая составляющая тока коллектора, - собственный тепловой ток коллекторного перехода, или неуправляемая управляемая составляющая тока коллектора.

3. I_б= I_э - I_к=(1-α_s)I_э - I_ko, если I_э=0, то I_б= -I_k0 .

Вопрос 23

Коэффициент передачи тока эмиттера. Ток эмиттера, строго говоря, определяется I_э=I_эn+I_эр, где I_эn и I_эр – электронная и дырочная составляющие тока эмиттера. Полезной составляющей в этой сумме является та, которая создает ток коллектора, для транзистора n-р-n-типа это I_эn. Качество эмиттерного перехода характеризуют коэффициентом инжекции: g= I_эn/(I_эn+I_эр), или его называют эффективностью эмиттера.

Число неосновных носителей инжектированных в базу и достигших коллекторного перехода характеризуют коэффициентом переноса c=(I_к-I_к0)/I_эn.

Коэффициентом передачи тока эмиттера называют отношение тока коллектора вызванного инжекцией неосновных носителей заряда через эмиттерный переход к полному току эмиттера a= (I_к-I_к0)/I_э. Отсюда следует, что a = gc.

4.3. Распределение концентрации носителей в базе. Влияние напряжений на переходах на токи транзистора

В результате инжекции из эмиттера концентрация неосновных носителей в базе возрастает. Неравновесная концентрация электронов в начале базы (у эмиттерного перехода) и в конце базы (у коллекторного перехода) определяется выражениями:

n₁=n₀exp(U_эб/j_т), n₂=n₀exp(U_кб/j_т).

В активном режиме U эб > 0, Uкб < 0, поэтому концентрация в начале базы n₁ > n₀, а в конце базы n₂ < п₀. Поскольку плотность тока диффузии в любом сечении базы одинакова, из (2.13) следует, что градиент концентрации в базе величина постоянная:

(dn/dx)=const.

Это значит, что распределение концентрации электронов в базе линейно (линия 1 на рис. 4.5а). Увеличение прямого напряжения U_эб приводит к росту градиента концентрации (линия 2 на рис. 4.5а). При этом растет диффузионный ток эмиттера в соответствии с (2.13), а вместе с ним растут его составляющие: ток коллектора и ток базы.

Рассмотрим влияние напряжения на коллекторном переходе. С ростом напряжение U_кб напряжение на коллекторном переходе становится более отрицательным (запирающим). При этом толщина коллекторного перехода увеличивается (см. параграф 2.5). Расширение коллекторного перехода приводит к уменьшению толщины базы и росту градиента концентрации (линия 2 на рис. 4.56). Это явление называется модуляцией толщины базы или эффектом Эрли. Увеличение градиента концентрации вызывает рост тока эмиттера, т.е. проявляется влияние внутренней обратной связи. Следует заметить, что увеличение напряжения Uкб и, соответственно, Uкэ незначительно увеличивает ток эмиттера и ток коллектора, т.е. внутренняя обратная связь слабая.

 

 

Вопрос 24

4.4 Режимы работы биполярного транзистора

В зависимости от сочетания знаков и значений напряжений на р-n-переходах различают следующие области (режимы) работы транзистора:

активный режим — напряжение на эмиттерном переходе прямое, а на коллекторном - обратное. В таком режиме - Iвых=Кi_вх, К – коэффициент передачи тока. Такой режим используется при работе транзистора в усилителях или генераторах.;

режим отсечки — на обоих переходах обратные напряжения (транзистор заперт). Через транзистор протекает малый тепловой ток коллекторного перехода I_К=i_к0. Такой режим используется в электронных ключах на транзисторах и соответствует разомкнутому состоянию ключа;

режим насыщения - на обоих переходах прямые напряжения (транзистор открыт). Через транзистор протекает максимальный ток, ограниченный сопротивлением коллекторной цепи – это ток коллектора насыщения I_Кнас=Е_к/R_к. Такой режим используется в электронных ключах на транзисторах и соответствует замкнутому состоянию ключа;

инверсный режим — напряжение на эмиттерном переходе обратное, а на коллекторном - прямое. Входным током можно считать ток коллектора I_к, а выходным – ток эмиттера I_э. I_э = α_II_к, где α_I – коэффициент передачи транзистора в инверсном режиме. Однако коэффициент передачи в таком режиме мал α_I <<1, а потому в усилительных схемах такой режим не применяется. Инверсное включение применяют в схемах двунаправленных переключателей, использующих симметричные транзисторы, в которых обе крайние области имеют одинаковые свойства.

Вопрос 25

4.5 Схемы включения биполярного транзистора

В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК) (рис. 2.2, а, б, в).

Наиболее часто применяется схема ОЭ, так как позволяет получить наибольший коэффициент усиления по мощности. Она имеет достаточно высокие коэффициенты усиления по напряжению (с инвертированием фазы входного напряжения на 180°), по току и относительно высокое входное сопротивление.

Схему ОК называют также эмиттерным повторителем, так как напряжение на эмиттере по полярности совпадает с напряжением на входе и близко к нему по значению. Эта схема усиливает ток и мощность, но не усиливает напряжение (К_и < 1). Она обладает наибольшим из всех трех схем включения входным сопротивлением и наименьшим выходным сопротивлением, поэтому часто используется как буферный усилитель для согласования низкого сопротивления нагрузки с высоким выходным сопротивлением каскада, иначе говоря, применяется как трансформатор сопротивлений. Эмиттерный повторитель эквивалентен генератору напряжения, которое мало изменяется при изменении сопротивления нагрузки.

Схема ОБ обеспечивает усиление напряжения и мощности, но не усиливает ток (коэффициент усиления по току меньше единицы, но близок к ней). Подобно схеме ОЭ, она имеет высокое выходное сопротивление. В отличие от схемы ОЭ входное сопротивление этой схемы очень мало; последнее обстоятельство делает ее непригодной для усиления больших напряжений. Обычно схема ОБ применяется для усиления напряжений на очень высоких частотах.

Вопрос 26

4.7 Вольтамперные характеристики (ВАХ) биполярного транзистора

Аналитически ВАХ, т.е. зависимости токов транзистора от напряжения на его выводах i=f(u). задаются уравнениями (1), (2). Однако, эти зависимости для наглядности представляют в виде графиков. Графики, необходимы для графического выбора режима работы транзистора и определения его параметров. Наибольший интерес, для биполярного транзистора, представляют:

1. входные ВАХ – это зависимость входного тока I₁ от входного напряжения U₁ при постоянстве выходного напряжения U₂, т.е. I₁=f(U₁)|_U2=const;

выходные ВАХ – это зависимость выходного тока I₂ от выходного напряжения U₂ при постоянстве входного тока I₁, т.е. I₂=f(U₂)|_I2=const.

ВАХ измеряют в предположении, что приложенные напряжения и токи во времени постоянны, а потому их называют статическими ВАХ.

Рассмотрим эти характеристики для n-p-n – транзистора, для двух схем включения - с ОБ и ОЭ.

Вольтамперные характеристики транзистора в схеме с ОБ

Входные ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОБ это I_э=f(U_эб)|_Uкб=const. Ток эмиттера I_э связан с движением основных носителей заряда.

При U _КБ = 0 и U _ЭБ > 0 характеристика имеет вид обычной ВАХ p - n – перехода смещенного в прямом направлении.

При подаче запирающего напряжения на коллектор (), входные характеристики, незначительно смещаются влево, это обусловлено эффектом модуляции ширины базы и состоит в том, что толщина базы w уменьшается, что ведет к росту тока эмиттера- .

3. При U _ЭБ < 0, I_б=I_к0. Этот ток мал и на ВАХ его не показывают.

Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ – это зависимость I_к=f(U_кб)|_Iэ=const. Ток коллектора связан с движением неосновных носителями заряда.

При смещении КП в обратном направлении:

Если , то Iк=Iко, что соответствует обычной характеристики р-n-перехода, включенного в обратном направлении и соответствует режиму отсечки в работе транзистора.

При U_кб >0, - это линейный (активный) режим работы транзистора.

При U_кб>U_{кб max} наблюдается резкое возрастание коллекторного тока т.е.-пробой транзистора. Возможно два вида пробоя: лавинный – за счет ударной ионизация носителей заряда, и прокол базы – за счет смыкания коллекторного и эмиттерного переходов.

При коллекторный переход смещён в прямом направлении, а ток обусловленный неосновными носителями заряда стремиться к нулю.

При работе транзистора в активном режиме выходной ток определяется из соотношения I_к=aI_э+I_к0, где I_к0- тепловой ток коллекторного перехода транзистора с ОБ. Однако это выражение не учитывает наклона выходных ВАХ связанного с модуляцией толщины базы. Для учета этого эффекта, которое наиболее сильно проявляется при работе транзистора в активном режиме, в выражение вводят дополнительное слагаемое

I_к=aI_э+I_к0+U_кб/r_{к диф},

где r_{к диф} =DU_кб/DI_к|_Iэ=const – дифференциальное сопротивление запертого коллекторного перехода в схеме с ОБ.

Вопрос 27

Усилительным параметром транзистора, включенного по схеме с общей базой, является - коэффициент передачи тока эмиттера . Различают три вида параметров :

Статический - , где - абсолютные значения.

Дифференциальный - α_ДИФ = a₀ = DI_Э/DI_К½_{Uкб = const}. Практически в активном режиме при не слишком больших уровнях инжекции величина α мало меняется с изменением эмиттерного тока, и без большой погрешности можно полагать α_ДИФ=α. Поэтому в дальнейшем дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока также будем обозначать α.

Комплексный (динамический) - , где - комплексные амплитуды. Комплексный коэффициент передачи, зависит от частоты; ; - постоянная времени транзистора; D – коэффициент диффузии.

Амплитудно и фазо- частотные характеристики a(jw) имеют вид

, j_a(w)= - arctg(wt_a).

Выводы: с ростом частоты - 1. передаточные свойства биполярного транзистора ухудшаются; 2. появляется фазовый сдвиг (задержка) между выходным и входным сигналами.

Вопрос 28

Вольтамперные характеристики транзистора в схеме с ОЭ

Входная ВАХ - .

Если Uбэ>0, переход база-эмиттер смещен в прямом направлении. Ток через переход связан с движением основных носителей заряда.

При Uкэ=0, входная ВАХ транзистор совпадает с ВАХ р-п перехода смещённого в прямом направлении.

При Uкэ>0, ВАХ смещается вправо, это связанно с тем, что через переход база-эмиттер протекает ток коллектора, создающий на нём напряжение.

Если Uбэ<0, то I_б0= -I*_к0. I*_к0>> I_к0 поэтому его показывают на ВАХ. Ток связан с движением неосновных носителей заряда.

Выходная ВАХ: I_К=f(U_КЭ)|_Iб=const. Выходной ток I_К связан с движением неосновных носителей заряда.

Выходные характеристики транзистора включенного по схеме с ОЭ имеют ряд отличий по сравнению с транзистором, включенным по схеме с ОБ.

1. За счёт U_кэ=U_кб+U_бэ ВАХ с ОЭ смещаются вправо.

2. Наклон рассматриваемых характеристик значительно больше чем прежде. Это связано с тем, что U_бэ, зависит от тока Iк протекающего через эмиттерный переход.

3. При U_кэ>U_кэmax, происходит пробой коллекторного перехода, причём, U_{кэ max}(ОЭ) < U_кбmax(ОБ).

4. При J_б=0, I_кэ=I^*_ко>>I_ко

Установим взаимосвязь между Iб и Iк. Учитывая, что:

I_к =aI_э+I_к0+U_кб/r_{к диф к} =a(I_к+I_б)+I_к0+U_кб/r_{к диф}

Разрешим последнее относительно Iк. Получим

I_к=a I_б /(1-a) +I_к0/(1-a) +U_кб/r_{к диф}(1-a) или I_к =bI_б+I^*_к0+U_кб/r^*_{к диф к}