Способы повышения быстродействия ключей на БТ
Читайте также:
|
В схеме с форсирующей емкостью (см. рис. 8.6) при подаче входного открывающего сигнала сопротивление емкости CФ значительно меньше сопротивления резистора RФ, в связи с этим большой ток заряда емкости приводит к возрастанию тока базы и быстрейшему открыванию транзистора. В открытом состоянии транзистора, когда емкость зарядилась практически до напряжения Uвх m , ток базы уменьшается и его величина определяется сопротивлением последовательно включенных резисторов RГ + RФ. При подаче на вход ключа запирающего напряжения Uвх =0 , к базе транзистора приложено напряжение -Uвх m , обусловленное наличием заряженного конденсатора CФ, что приводит к увеличению токов разряда емкостей транзистора.
(1)
| а) | б) |
| Рисунок 3.5 Входные (а) и выходные (б) характеристики БТ в схеме включения с ОБ |
При UКБ = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода. С ростом обратного напряжения UКБ (UКБ
Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости IК = f(UКБ) при заданных значениях параметра IЭ (рисунок 3.5,б).
Выходная характеристика p-n-p-транзистора при IЭ = 0 и обратном напряжении |UКБ 0 основная часть инжектированных в базу носителей (дырок в p-n-p транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при UКБ = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине (например, точка А’ на рисунок 3.5,б). Чем больше заданный ток IЭ, тем большее прямое напряжение UКБ требуется для получения IК = 0.
Область в первом квадранте на рис. 3.5,б, где UКБ 0 (что означает прямое напряжение UЭБ) соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется формулой (3.11) IК = aIЭ + IКБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра IЭ. В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока a можно считать постоянным, не зависящим от значения |UКБ|. Следовательно, в идеализированном БТ выходные характеристики оказываются горизонтальными (IК = const). Реально же эффект Эрли при росте |UКБ| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту a. Так как значение a близко к единице, то относительное увеличение а очень мало и может быть обнаружено только измерениями. Поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх “на глаз” не заметно (на рисунке 3.5,б не соблюден масштаб).
Для улучшения частотных свойств (повышение предельной частоты ) рекомендуется следующее.
1. Уменьшать время пролета инжектированных носителей в базовой области, т.е.
а) уменьшать ширину базовой области WБ;
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 3.12). Концентрацию около эмиттера делают примерно в 100 раз больше, чем около коллектора.
Рисунок 3.12 К образованию электрического поля в базе дрейфого БТ.
Появление поля объясняется просто. Так как концентрация основных носителей в любой точке базы (дырок n-р-n транзистора) приблизительно равна концентрации примесей в этой точке, то распределение примесей Na(х) одновременно будет и распределением дырок p(х). Под влиянием 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.
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 входят в рабочем режиме из эмиттера в базу и будут уменьшать их время 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 Nа(0) до Nа(WБ) учитывается коэффициентом неоднородности базы:
Поэтому [см. (5.93)] можно написать
Для бездрейфовых транзисторовh=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 r ½ ББ.
5. Уменьшать время пролета носителей в области коллекторного перехода.
Следует отметить, что ряд требований несовместимы и необходимо при создании транзисторов применять компромиссные решения.
Источник
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 WБ;
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 NА(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 NА(0) до NА(WБ) учитывается коэффициентом неоднородности базы:
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= IP1 + In1 (на рис. сплошными стрелками показаны составляющие токов, а пунктирными направление движения носителей). Через эмиттерный переход ЭП2 также будет протекать ток I2= IP2 + In2. 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 IК0 =IPК0+ InК0 за счет неосновных носителей в базах динистора. Таким образом, полный ток коллектора равен IК = α1I1 + α2I2 + IК0. Очевидно, что токи, протекающие через все три перехода, должны быть одинаковыми, т.е. I1 = I2 = IК= 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 IК0. 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 UВКЛ он открывается;
— ток включения IВКЛ, протекающий при напряжении UВКЛ;
— ток утечки IУ, который измеряется при U =0,5 ·UВКЛ;
— ток выключения IВЫКЛ. При уменьшении тока I UВКЛ переключается в открытое состояние; время выключения tВЫКЛ – время, в течение которого прибор после уменьшения тока до значения I
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.
Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.
Источник
