Tranzystory bipolarne

TRANZYSTORY BIPOLARNE
BUDOWA I CHARAKTERYSTYKA OGÓLNA
Obszar roboczy tranzystora bipolarnego stanowi kombinację dwóch złączy p-n w jednej płytce półprzewodnika. W zależności od uszeregowania obszarów o róż­nym typie przewodnictwa rozróżnia się tranzystory n-p-n i p-n-p. Zasady działania tranzystorów n-p-n i p-n-p są jednakowe. Różnice występują tylko w biegunowości zewnętrznych źródeł napięcia i kierunku przepływu prądu. Oba złącza p-n tranzystora bipolarnego są sprzężone ze sobą poprzez cienki obszar, nazywany bazą. Baza ma odmienny typ przewodnictwa od pozostałych obsza­rów, które noszą nazwy: emiter i kolektor. Najbardziej rozpowszechnioną strukturą tranzystora bipolarnego jest obecnie epitaksjalno-planarna (rys. 5.1). W strukturze tej (n-p-n) na podłożu Ť+ o grubości

ok. 140 (xm lub większej jest wytworzona warstwa epitaksjalna typu n o grubości około 7 [im. Dolna część tej warstwy spełnia funkcję kolektora. W górnej części natomiast jest wdyfundowany obszar typu p, stanowiący bazę tranzystora, a najwyżej wytworzony jest kolejny obszar typu n, spełniający funkcję emitera. Emiter jest oddzielony od kolektora warstwą bazy o grubości ok. l y.m w środkowej części struktury i warstwami grubszymi z boków. Każdy z trzech obszarów tranzystora (emiter, baza, kolektor) ma na swojej powierzchni naniesioną warstwę metaliczną (Al, Au), za pośrednictwem której jest łączony z wyprowadzeniem zewnętrznym. Połączenia te realizuje się techniką zgrze­wania eutektycznego bezpośrednio do obudowy lub/i za pomocą drutu (Al, Au) o śred­nicy 20-=-50 (jim. Obszary przejściowe złączy i pozostałe fragmenty powierzchni struktury nie podlegające metalizacji są osłonięte warstwą SiO2, wytworzoną techniką utleniania termicznego krzemu. Warstwa ta zabezpiecza obszar roboczy przed wpływem otacza­jącej atmosfery. Struktury epitaksjalno-planarne wytwarza się jednocześnie dla takiej liczby tranzystorów, jaką można zmieścić na powierzchni płytki podłożowej (np. płytka Ť+ z warstwą epitaksjalną), która jest okrągłym plastrem o średnicy 50-r-125 mm. Po operacjach niezbędnych dla wytworzenia obszarów bazy i emiterów, warstwy ochron­nej SiO2 oraz metalizacji płytka jest dzielona na oddzielne struktury, które są następnie montowane w obudowach w sposób zależny od rodzaju obudowy. W tranzystorach mocy z obudową metalową są one łączone bezpośrednio z podstawą obudowy, nato­miast w pozostałych tranzystorach może ona być również montowana na specjalnym wsporniku lub ażurze. Cała. konstrukcja tranzystora jest zwarta i odporna na znaczne narażenia me­chaniczne w postaci drgań i udarów. Dla działania tranzystora najistotniejsze znaczenie ma obszar środkowy jego struktury, w którym baza ma najmniejszą grubość. Dlatego tranzystor bipolarny można rozpatrywać jako szeregowe połączenie płaskich obszarów emitera, bazy i kolektora (rys. 5.2). Taki właśnie model przestrzenny tranzystora będziemy stosować w dalszym jego opisie.

Rozkład koncentracji domieszek w obszarze roboczym tranzystora jest uzależ­niony od technologii produkcji tranzystorów. Rozpowszechnione obecnie technologie dają rozkłady przedstawione na rys. 5.3.

Najistotniejsze cechy tych rozkładów dają się streścić następująco: ? koncentracja domieszek w emiterze jest dużo większa od koncentracji występującej w bazie, ? koncentracja domieszek w bazie jest eksponencjalnie opadająca w kierunku kolek- tora, ? złącze kolektor-baza ma liniowy rozkład domieszek, natomiast złącze emiter-baza ma rozkład skokowy, ? koncentracja domieszek w obszarze n+ kolektora epitaksjalno-planarnego jest tego samego rzędu co wypadkowa koncentracja w emiterze. Takie rozkłady domieszek zapewniają dużą sprawność emitera i dużą sprawność transportu ładunków przez bazę. Duża koncentracja domieszek w warstwie n+ daje z kolei mały opór szeregowy kolektora.

ZASADA DZIAŁANIA
W normalnych warunkach pracy złącze emiterowe (emiter-baza) jest spolary­zowane w kierunku przewodzenia, natomiast złącze kolektorowe (kolektor-baza) ma polaryzację przeciwną. Przez spolaryzowane w kierunku przewodzenia złącze emiterowe wstrzykiwane są z emitera do bazy nośniki większościowe emitera. Nośniki te poruszają się w bazie w kierunku kolektora wskutek mechanizmu dyfuzji oraz unoszenia przez siły pola elektrycznego bazy. Docierają one do kolektora przez spolaryzowane zaporowe złącze kolektorowe, którego pole ma kierunek zgodny z polem bazy i wspomaga ruch wstrzykniętych z emitera nośników do kolektora. Dzięki dużej sprawności transportu nośników przez bazę prawie cały strumień nośników ?emitowanych” przez emiter dociera do kolektora?jest zbierany przez kolektor. Wartość strumienia nośników docierających do kolektora może być w prosty sposób regulowana przez zmianę polaryzacji złącza emiterowego. Przy tym niewielkie zmiany napięcia przewodzenia złącza emiterowego powodują znaczne zmiany strumie­nia emitowanego, a w konsekwencji prądu kolektorowego. Wartość prądu kolektorowego jest w zakresie polaryzacji zaporowej złącza kolektorowego niezależna od potencjału kolektora. Możliwe jest więc włączenie w obwód kolektorowy rezystora o dużej rezystancji, na którym zmiany prądu kolektorowego dadzą znaczne zmiany spadku napięcia, znacznie większe od wywołujących je zmian napięcia przewodzenia złącza emiterowego. W ten sposób w tranzystorze można otrzymać efekt wzmocnienia napięcia i mocy sygnału sterującego złącze emiterowe, który to efekt jest najważniejszą właści­wością tranzystora. Dla lepszego uzmysłowienia właściwości wzmacniających tranzystora bipolar­nego rozważmy układ z rys. 5.4. W układzie tym tranzystor n-p-n ma normalną polaryzację złączy. Emiter w związku z tym emituje elektrony w kierunku kolektora, co powoduje przepływ prądu / w kierunku przeciwnym. Przy zmianie napięcia złącza emiterowego o AŁ^ zmienia się wysokość bariery potencjału tego złącza i w rezultacie zmienia się prąd o A/. Na rezystorze R otrzymujemy więc zmianę napięcia

Daje to wzmocnienie napięciowe

Jeżeli przyjmiemy, że złącze emiterowe ma właściwości normalnego złącza p-n, tj.

SPRAWNOŚĆ EMITERA, SPRAWNOŚĆ TRANSPORTU PRZEZ BAZĘ I POWIELANIE ZŁĄCZA KOLEKTOROWEGO
Sprawność emitera jest charakteryzowana stosunkiem prądu nośni­ków większościowych emitera do całkowitego prądu złącza emiterowego

W dobrych tranzystorach sprawność emitera powinna być bliska jedności, tzn. prąd emiterowy powinien być prądem nośników większościowych emitera. Sprawność emitera jest zależna od przewodności obszaru bazy i emitera następująco

i dlatego obszary emitera są znacznie silniej domieszkowane od obszarów bazy. Sprawność transportu nośników przez bazę jest opisywana sto­sunkiem nośników mniejszościowych bazy dochodzącym do warstwy przejściowej złącza kolektorowego do strumienia tych nośników wychodzącego z emitera

gdzie: 'nE> iPE ? składowa elektronowa i dziurowa prądu emitera, inc,ipc ?składowa elektronowa i dziurowa prądu kolektora, iŤco, ipco ? składowa elektronowa i dziurowa prądu nośników generowanych w złączu kolektorowym. Sprawność transportu jest uwarunkowana następującymi czynnikami: długością bazy, szybkością rekombinacji nośników w bazie i polem przyśpieszającym nośniki w bazie. Im długość bazy i czas przebywania w niej nośników jest większy, tym większe są ubytki nośników spowodowane rekombinacją, a więc tym mniejsza jest sprawność. W idealnym przypadku braku jakichkolwiek ubytków nośników strumień przepływający z bazy do kolektora jest równy strumieniowi wpływającemu do bazy z emitera, a więc sprawność jest równa jedności. W rzeczywistych przypadkach spraw­ność jest bliska jedności, gdyż stosuje się bardzo cienkie bazy, znacznie cieńsze od drogi dyfuzji nośników oraz pole elektryczne bazy skracające czas pobytu nośników w bazie. Powielanie złącza, kolektorowego. Przy dużych napięciach zaporowych złącza kolektorowego zachodzi w nim powielanie nośników, które może doprowadzić do przebicia tranzystora. W rezultacie tego powielania prąd kolektora jest większy od prądu nośników większościowych emitera docierających do złącza kolektorowego

gdzie:
M ?współczynnik powielania złącza kolektorowego;
ipc,i*c ? P^dy nośników mniejszościowych kolektora przepływających z kolektora do bazy.
Współczynnik powielania M jest zależny od napięcia kolektora, co wyraża się wzorem empirycznym

gdzie: m = 2-7-6 w zależności od konstrukcji i technologii złącza kolektorowego, UCB ? napięcie kolektor-baza, u(brkbo ? napięcie przebicia złącza kolektorowego przy IE = 0. Wzrost napięcia kolektora powoduje wzrost współczynnika powielania, a to z kolei wzrost prądu kolektora (rys. 5.5).

MODELE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO
Dla ułatwienia interpretacji właściwości tranzystora oraz wnioskowania w spra­wie zachowania się jego w różnych warunkach pracy, jak również dla ułatwienia doko­nywania obliczeń niezbędnych przy projektowaniu układów elektronicznych i to za­równo przy użyciu najdoskonalszych środków ? komputerów, jak i przy projektowa­niu heurystyczno-rachunkowym, rzeczywisty tranzystor zastępuje się modelem złożo­nym z elementów prostszych, szeroko znanych w świecie techniki lub znacznie prostszych od samego tranzystora. Spośród różnych modeli do najpopularniejszych należy zaliczyć: diodowy, małosygnałowy typu hybryd-rc i ładunkowy. Każdy z tych modeli ma ograniczone zastosowanie. Spełniają one jednak niezwykle pożyteczną funkcję i dlatego godne są poznania.
Model diodowy
Tranzystor bipolarny można rozpatrywać jako dwie przeciwstawnie połączone i sprzężone ze sobą diody półprzewodnikowe (rys. 5.7). Symbole diod w modelu repre­zentują wyizolowane złącza tranzystora: emiterowe i kolektorowe. Generatory prądowe

natomiast odzwierciedlają sprzężenie złączy poprzez bardzo wąski obszar bazy. Generator xiE reprezentuje strumień nośników wstrzykiwanych z emitera poprzez bazę do kolektora. Analogicznie generator xric reprezentuje strumień, jaki może być wstrzykiwany z kolektora poprzez bazę do emitera w przypadku polaryzacji rewersyjnej, tzn. gdy złącze kolektorowe ma polaryzację przewodzenia, a złącze emitero­we zaporową. W modelu stosuje się pojęcie bazy wewnętrznej. Jest to węzeł B\ Baza jest połączona z bazą wewnętrzną za pomocą rezystancji rbb,, zwanej rezy­stancją rozproszoną bazy. Rezystancja ta prezentuje fakt istnienia pewne- go spadku napięcia w obszarze bazy, wywołanego prądem bazy. Obszar bazy jest bowiem bardzo wąskim pasemkiem, wzdłuż którego przepływa prąd bazy (rys. 5.8). Rezystancja rbb, może mieć wartość dochodzącą do kilkudziesięciu omów lub nawet więcej. Pojemności barierowe złączy dołącza się do bazy wewnętrznej równolegle do diod. Diody symbolizują zarówno nieliniowości złączy, jak również ich właściwości dynamiczne. Dioda emiterowa ma właściwości złącza ze skokowym rozkładem domie­szek, dioda kolektorowa zaś ? właściwości złącza liniowego. Wpływ diody kolektorowej na prąd emitera jest znacznie słabszy od wpływu diody emiterowej na prąd kolektora, gdyż

gdzie: Mt, dr, yr ? współczynniki powielania, sprawności transportu oraz sprawności emitera w połączeniu rewersyjnym tranzystora. W połączeniu tym kolektor pełni funkcję ?emitera rewersyjnego”, a emiter ? ?kolektora rewersyjnego”. Dla tranzystora w połączeniu rewersyjnym, przy niezbyt dużych napięciach kolektora rewersyjnego, mamy

Powielanie w kolektorze rewersyjnym przy niezbyt dużym napięciu wstecznym jest bowiem do pominięcia, a transport ?rewersyjny” nośników przez bazę jest małosprawny z powodu hamującego wpływu pola bazy na ruch nośników większościowych emitera rewersyjnego w kierunku kolektora rewersyjnego. Sprawność emitera rewersyjnego jest równa ?, ponieważ złącze kolektorowe jest liniowe i przewodności obszarów przy­ległych do warstwy przejściowej tego złącza są sobie równe, a więc

Model diodowy umożliwia określenie przebiegu charakterystyk statycznych tranzystora na podstawie znajomości przebiegu charakterystyki prądowo-napięciowej złącza p-n. W tym zastosowaniu modelu pomija się pojemności i dla uproszczenia pomija się również rbb? Tak spreparowany tranzystor nazywa się niekiedy idealny. Jego charak­terystyki statyczne opisują tzw. równania Ebersa-Molla, będące analityczną formą modelu diodowego tranzystora idealnego dla prądu stałego

Dla szacowania przebiegu charakterystyk w najbardziej typowych warunkach pracy tranzystora można dokonać dalszego uproszczenia modelu diodowego (rys. 5.9) przez pominięcie generatora a, Ic, gdyż a, <^ a, i przyjęcie Fc = ? l, gdyż złącze kolektorowe jest spolaryzowane zaporowo.

Na rys. 5.10 przedstawiono typowe przebiegi charakterystyk tranzystora pracu­jącego w układzie ze wspólną bazą (OB): zależność prądów od napięcia emiter-baza przy stałym zaporowym napięciu złącza kolektorowego oraz zależności prądu kolektora od napięcia kolektor-baza przy napięciu emiter-baza jako parametrze. Zależności prądów od napięcia UEB przypominają charakterystykę złącza. Występuje w nich pewien próg, określany napięciem UT, po przekroczeniu którego następuje duży wzrost prądów. Przy napięciach przewodzenia złącza emiterowego mniejszych od UT prądy tranzystora są natomiast relatywnie małe i dlatego przyjmuje się, że tranzystor pracuje w stanie przytkania. Dla napięć zaporowych złącza emiterowego prądy są zwykle pomijalnie małe i dlatego takie warunki pracy są określane jako stan odcięcia. Zależność prądu kolektora od napięcia kolektora ma dwa charakterystyczne zakresy ? aktywny i nasycenia. Zakres aktywny, to zakres dotychczas określany jako normalny. W tym zakresie złącze emiterowe jest spolaryzowane w kierunku przewo­dzenia, złącze kolektorowe zaś ? w kierunku zaporowym. Stan nasycenia charakteryzuje się z kolei tym, że oba złącza tranzystora mają polaryzację w kierunku przewodzenia. W zakresie aktywnym prąd kolektora jedynie nieznacznie wzrasta z napięciem kolektora, odpowiednio do wzrostu współczynnika powielania M, który jest głównym czynnikiem powodującym zmiany. W zakresie nasycenia natomiast występuje strome opadanie charakterystyki. To opadanie jest spowodowane polaryzacją przewodzenia złącza kolektorowego. Wraz z obniżeniem bariery potencjału złącza kolektorowego poniżej napięcia dyfuzyjnego następuje wstrzykiwanie nośników większościowych z obszaru kolektora do bazy. Strumień tych nośników jest skierowany przeciwnie do strumienia nośników większo­ściowych emitera i silnie zależy od wartości napięcia przewodzenia złącza kolektoro­wego.

Na rysunku 5.11 przedstawiono typowe charakterystyki statyczne tranzystora pracującego w układzie ze wspólnym emiterem. Ich przebieg jest również zgodny z rów­naniami Ebersa-Molla, z tym że w równaniach tych należy podstawić wartości napięć z uwzględnieniem relacji

Zakres nasycenia w tym układzie pracy występuje oczywiście po tej samej stronie osi napięć uce co i zakres aktywny, gdyż przy napięciach kolektora mniejszych od napięcia bazy złącze kolektorowe jest w^Fanie przewodzenia.