1. Podstawowa struktura tranzystora bipolarnego

Transkrypt

1 RAZYSORY POLAR SMK WYKŁAD 8 a pdstw.: W. Marciiak, W 1978, Przyrządy półprzewodikowe i układy scaloe razystor elemet trasformujący rezystację (trioda 1948 ardee, ratai trazystor ostrzowy). razystor warstwowy = trazystory ipolare o strukturze p--p lu -p-, w których istotą rolę odgrywają dziury i elektroy. Shockley trazystor uipolary (trioda półprzewodikowa) istotą rolę odgrywa jede rodzaj ośików. razystor polowy (F). razystor co ajmiej trójkońcówkowy elemet półprzewodikowy zdoly do wzmaciaia sygałów prądu stałego i zmieego = wzmaciacz (przyrząd umożliwiający sterowaie większej mocy miejszą). razystor wzmaciacz stosoway do liiowego zwiększaia mocy sygału, jak i ieliiowego, dyskretego (skokowego lu kluczującego) sterowaia mocy: - ipolare - uipolare - jedozłączowe (specjale) - tyrystory (specjale) 1. Podstawowa struktura trazystora ipolarego a). Struktura -p-. Polaryzacja złącza pierwotego w kieruku przewodzeia powoduje wstrzykiwaie ośików (elektroów) z oszaru do P ędącego wspólą azą ou złączy. lektroy dostarczae do oszaru P jako ośiki miejszościowe iorą udział w prądzie s drugiego złącza spolaryzowaego w kieruku zaporowym. W te sposó owód wyjściowy ma cechy sterowaego źródła prądowego (wszelkie zmiay prądu płyącego przez pierwsze złącze powodują proporcjoale zmiay prądu s drugiego złącza). 1

2 ). Struktura p--p. Pierwsze złącze spolaryzowae w kieruku przewodzeia wstrzykuje dziury do oszau, skąd są oe odierae przez drugie złącze spolaryzowae w kieruku zaporowym. rzy koleje warstwy trazystora azywae są: - emiter pierwsza warstwa, która dostarcza ośików miejszościowych do drugiej warstwy, - aza druga warstwa, - kolektor warstwa zierająca ośiki wstrzykiwae z emitera do azy. 2. Kostrukcja i techologia trazystora ipolarego ajważiejsze rodzaje kostrukcji: - ostrzowe, wyciągae, stopowe, mesa (stopowo-dyfuzyje), plaare, epitaksjalo-plaare. Poza epiplaarymi i stopowymi (duże wartości apięcia przeicia złącza aza-emiter oraz możliwość realizacji klucza symetryczego) reszta to historia. eorię działaia trazystora ipolarego wymyśloo dla trazystora stopowego o rówomierym rozkładzie domieszek w azie. Przeciwie, trazystory epiplaare mają ierówomiery rozkład domieszek w azie. Stąd trazystory ipolare: - trazystory z jedorodą azą (ezdryftowe lu dyfuzyje) - trazystory z iejedoroda azą (dryftowe ze szczątkową dyfuzją) współcześie podstawowy rodzaj 2

3 Dla działaia trazystora ajistotiejsze zjawisko trasportu ośików w azie (dyfuzja lu uoszeie-dryft). Oie techologie umożliwiają wytwarzaie trazystorów zarówo p--p jak -p- (ajczęściej trazystor Ge stopowy jest typu p--p, a krzemowy plaary typu -p-. W azie trazystora stopowego DA =( D - A ) jest stałe zaś maleje w fukcji x w azie trazystora epiplaarego. razystor epiplaary jest to trazystor -p- ( ++,p +,- ++ ). Podłoże ++ - ardzo silie domieszkowaa płytka krzemu o gruości 150 m = ośik mechaiczy o jak ajmiejszej rezystywości. a powierzhi podłoża osadza się słao domieszkowaą warstwę epit., w której wykouje się oszary emitera i kolektora. 3

4 W procesie dwukrotej dyfuzji lokalej wytwarza się ajpierw warstwę p + (oszar azy), a astępie warstwę typu ++ (oszar emitera i kolektora). Po dyfuzji rozkład kocetracji domieszek jest prawie wykładiczo malejący; kocetracja akceptorów w azie zmieia się od 5*10 23 m -3 a graicy - do ok. 5*10 20 m -3 a graicy -C. astępie aparowuje się 4

5 metal (Al) a całą powierzchię płytki, po czym wytrawia się go tak, y powstały ścieżki metalizacji w oszarach kotaktów z emiterem, azą i kolektorem. W te sposó a jedej płytce jedocześie wykouje się kilka tysięcy jedakowych trazystorów. Mikromotaż (po cięciu) przylutowaie mikropłytki do podstawki odpowiediej oudowy, wykoaie ciekim drutem (Au, 25 m) połączeń pól kotaktowych z przepustami i hermetycze zamkięcie oudowy. 3. Podstawowe zasady fukcjoowaia trazystora ipolarego. Przy polaryzacji złącza w kieruku przewodzeia i złącza C w kieruku zaporowym trazystor spełia rolę elemetu czyego. Oraz zjawisk w takim trazystorze przedstawia rys. 5.11: Wskutek polaryzacji złącza (kier. Przewodzeia) z emitera do azy wstrzykiwae są elektroy. W azie istieje tzw. wudowae pole elektrycze (ierówomiery rozkład kocetracji domieszek C), przeciwdziałające dyfuzji dziur skierowae od potecjału dodatiego przy C do potecjału ujemego przy. lektroy z emitera są uoszoe przez w w kieruku kolektora. Po przejściu przez azę dostają się oe do warstwy zaporowej złącza C, w której istieje sile pole wymiatające te elektroy do owodu kolektora. Strumień elektroów wstrzykiwaych z emitera do azy prąd emitera w owodzie wejściowym; strumień elektroów odieraych przez kolektor = strumieiowi elektroów wstrzykiwaych przez emiter = f 1 (U ), f 2 (U C ) => C =, współczyik wzmocieia prądowego = o / =1. razystor jest spolaryzoway z aterii U i U CC (powodują przepływ prądów i C ), w owodzie wejściowym włączoe jest źródło e g małego sygału siusoidalego i e o 5

6 amplitudzie em, który powoduje przepływ prądu siusoidalego i c o amplitudzie cm w owodzie wyjściowym. Moc sygału siusoidalego a wejściu i wyjściu trazystora: 2 2 Pi emri ; Po cmrl Maksimum mocy w ociążeiu spełieie waruku dopasowaia r o =R L, 2 Po cmro 2 ro ro k p 2 Pi emri ri ri r o /r i wyosi kilka tysięcy, gdyż r i jest małą rezystacją przyrostową złącza spolaryzowaego w kier. Przewodzeia, r o ardzo duża rezystacja przyrostowa złązca C spolaryzowaego w kier. Zaporowym kilkaset k. ak więc trazystor jest elemetem trasformującym rezystację i wzmaciaczem mocy. Dokładiejszy model zjawisk wewątrz trazystora musi uwzględiać rekomiację ośików w azie. W oszarze azy słusza jest zasada oojętości elektryczej całego jej oszaru. Jeśli w pewej chwili z emitera do azy wpływa 100 elektroów to ładuek ujemy tych elektroów przyciąga z ajliższego sąsiedztwa 100 dziur. iedomiar tych dziur w sąsiedztwie uzupełaiay jest przez przepływ dziur z astępych oszarów azy, aż 100 dziur wpływa z owodu zewętrzego prze elektrodę azy. Proces rówoważeia się ładuków w azie zachodzi w czasie = s (atychmiast). Jeśli z emitera do azy wpływa 100 elektroów, a szykość rekomiacji par elektrodziura =1para/s, to w pierwszej sekudzie z emitera do azy wpływa 100 el. i w tym samym czasie przez elektrodę azy do owodu zewętrzego wypływa 100 el. (do oszaru azy wpływa 100 dziur). ak, więc w chwili włączeia trazystora = sta ieustaloy. Sta ustaloy w 1 s z emitera wpływa do azy 100 el., wypływa 99 elektroów do kolektora, jede elektro rekomiuje z dziurą. Prąd kolektora w staie ustaloym < prądu emitera. Z zewętrzego owodu do azy wpływa strumień dziur uzupełiających straty ładuku dodatiego spowodowae rekomiacją prąd azy. Podstawowe rówaia prądów w trazystorze: C C ilas oowiązujący trazystory -p- oraz p--p. trazystor tym lepszy (większe wzmocieie) im miej ośików rekomiuje w azie. W dorym trazystorze: C ; << C ; << Współczyik wzmocieia prądowego = C / <1 ( ), = C / ; = C / ; = /(1+ ); = /(1- ). Dalsze uściśleia modelu zjawisk zachodzących w trazystorze wyikają z uwzględieia dodatkowych składowych prądów emitera i azy: 6

7 p składowa prądu dyfuzji dziur z azy do emitera gdzie rekomiują z elektroami (jedakowy wkład do prądu emitera i prądu azy; tylko w złączu iesymetryczym ++ -p + strumień dyfuzji dziur z azy do emitera << strumieia dyfuzji elektroów z emitera do azy), r składowa prądu rekomiacji w oszarze warstwy zaporowej C0 w trazystorze krzemowym prąd ośików miejszościowych geerowaych w warstwie zaporowej złącza C. Para elektro-dziura jest wymiataa; elektro podąża do kolektora, dziura do azy. Prąd te dodaje się do prądu kolektora, a odejmuje od prądu azy. W owodzie kolektora płyie prąd: C = + C0, W owodzie azy: Wzmocieie trazystora: = r + r + p - C0. =( C - C0 )/, =( C - C0 )/( + C0 ) 7

8 4. Rozkład ośików admiarowych w azie Szerokość efektywa azy, W odległość pomiędzy prawą krawędzią warstwy zaporowej i lewą krwędzią warstwy zaporowej C. Rówaie prądu elektroów w azie: J q qd d / dx (*) (składowe uoszeia i dyfuzji) a) jeśli pomiiemy składową dyfuzyją trazystor dryftowy - J q W staie ustaloym: J =cost=j 1 d W dx W A ( x) J W A A (0) exp( x / W A / W ; / qd k ; q J W q ); l[ A (0) / ( W )] A stala wartosc w calej azie ) jeśli pomiiemy składową uoszeia trazystor ezdryftowy J qd d / dx ( W J x ( x) C; qd ( x) J J W ) qd ( W C (0) C 0; x) / qd ) 0 2 i (0) p0 (0) exp U / exp( U / ) A(0) Porówajmy kocetrację w ou typach trazystorów dla jedakowego prądu azy: ( x) (1 x / W ) ( x) ; dla x 0 : (0) dyf dyf (0) dryft ( W J W C qd (0)(1 x / W ) dryft ; dla (0) cost : J dryft J W porówywalych trazystorach ezdryftowym i dryftowym (jedakowe kocetracje domieszek w emiterze i azie dla x=0), przy jedakowych apięciach U prąd emitera jest razy większy w trazystorze dryftowym. Liiowa zależość (x) dla trazystora z jedorodą azą (ezdryftowy) ulega tylko iezaczej zmiaie po uwzględieiu zjawiska rekomiacji ośików w azie. Dokładiejszy rozkład kocetracji ośików admiarowych w azie trazystora dryftowego uzyskuje się rozwiązując rówaie prądu w postaci ogólej (uoszeie + dyfuzja). dyf 8

9 c). uoszeie i dyfuzja dy Py Q; P ; dx / qd y( x) [( Q / P)(exp( Px 1) C]exp( Px); C Q J J W ( x) {1 exp[ (1 x / W )]} qd ; y (**) y( W ) 0; Prąd uoszeia przeważa ad prądem dyfuzji. ylko w oszarze azy sąsiadującym z kolektorem prąd dyfuzji odgrywa istotą rolę. 5. Współczyik wzmocieia prądowego, Zając rozpływ prądów w trazystorze moża określić zależość współczyika wzmocieia prądowego od parametrów materiałowych i puktu pracy: C C ; prad elektroow a poczatku azy; e / ; C / e współczyik sprawości wstrzykiwaia emitera (jaka część całkowitego prądu emitera staowi strumień ośików wstrzykiwaych do oszaru azy), współczyik trasportu (rekomiacji w azie) jaka część strumieia elektroów wstrzykiwaych do azy jest odieraa przez kolektor. 9

10 e ; e p r (1 K L) 1 Dp ; K D A W (1 e D W 1 AWW (1 e ) U L exp( ) (***) 2 id 2 Wioski: - pożądae jest, ay e ~1 ( e <1), czyli K+L<<1 = składik L (prąd rekomiacji w w.z. ) ma zaczeie dla małej wartości i dla trazystora krzemowego. Silie zależy od U - e rośie z U czyli z prądem emitera. Dla dużych L moża pomiąć w porówaiu z K. = składik K zależy od A / D, pożądae jest ay A << D (dlatego emiter jest ardzo silie domieszkoway D =10 26 m -3, A =5*10 23 m -3 ). Składiki K, L są tym miejsze im większa jest wartość współczyika (około 7). W trazystorach z jedorodą azą (ezdryftowy) =0, (1-exp(- ))/ =0 =1 rak pola wudowaego wpływa iekorzystie a wartość współczyika e. - = C / = C /( C + r ); defiiując Q ładuek ośików admiarowych w azie, t = Q / C ; r = Q / r : = r /( r + t ) = gdyy ie yło rekomiacji w azie to prąd C spowodowały w czasie t usuięcie całego ładuku Q zmagazyowaego w azie. t czas przelotu ośików przez azę. = gdyy został przerway przepływ prądów C, (rak wymiay ładuku azy z kolektorem i emiterem) wówczas ładuek Q malały w fukcji czasu wskutek rekomiacji ośików. r czas życia ośików ( s). = w każdym trazystorze t << r ; ~1 (<=1) (Jeżeli przelot przez azę jest 100 razy szyszy iż ich rekomiacja to a 100 elektroów wstrzykiętych do azy ( ) 99 dotrze do kolektora ( C ) a jede zrekomiuje w azie z dziurą ( r )) = r - parametr materiałowy, t zależy od kostrukcji trazystora Rysuek 5.21 przedstawia zależość współczyika wzmocieia prądowego od prądu emitera. ) ; Początkowy wzrost związay jest z coraz lepszą sprawością wstrzykiwaia emitera w miarę wzrostu prądu emitera. W zakresie dużych prądów wzmocieie maleje wskutek zmiejszaia się wartości współczyika (duży ładuek ośików wstrzykiwaych do azy wytwarza pole elektrycze kompesujące pole w, uoszeie ośików jest coraz 10

11 słasze i rośie czas przelotu). W trazystorach wysokoczęstotliwościowych zwiększaie się czasu przelotu wzrost efektywej szerokości azy efekt Kirka. 6. Zakresy pracy i układy włączaia trazystora ipolarego Opis fukcjoaly zestaw rówań wiążących apięcia i prądy a końcówkach elemetu. Ogóle relacje pomiędzy potecjałami poszczególych elektrod trazystora: U C >U >U dla trazystora -p- U C <U <U dla trazystora p--p apięcie aza-emiter typowo (złącze p- spolaryzowae w kier. Przewodzeia) V dla Ge oraz V dla Si. W wielu układach (impulsowych) trazystor może pracować przy iych warukach polaryzacji = cztery wariaty polaryzacji = cztery zakresy pracy trazystora: - złącze kier. przew. złącze C kier. zaporowy...zakres aktywy ormaly - złącze kier. przew. złącze C kier. przew...zakres asyceia - złącze kier. zapor. złącze C kier. zapor...zakres zatkaia - złącze kier. zapor. złącze C kier. przew...zakres aktywy iwersyjy (emiter kolektorem, kolektor emiterem) 11

12 Kofiguracja trazystora (aza jedą z końcówek wejściowych, kolektor jedą z końcówek wyjściowych): - wejście,, wyjście,c układ ze wspólą azą (W) - wejście,, wyjście,c układ ze wspólym emiterem (W) - wejście,c, wyjście C, układ ze wspólym kolektorem (WC) Schemat działaia trazystora: lektroy wstrzykiwae są z emitera do azy... oowiązuje iezależie od układu włączeia. Różice charakterystyk i parametrów w poszczególych układach włączeia są skutkiem różych puktów widzeia. = C +, = C /, = C / W: WP= C / = W: WP= C / = WC: WP= / =( C + )/ = +1 Wzmocieie prądowe zmieia się w zależości od układu włączeia od do +1 czyli od jedości do kilkuset. 7. Praca ieliiowa statycza (modele, charakterystyki, parametry) 12

13 Opis trazystorów: a) schematy zastępcze (dokłada aaliza umerycza), ) charakterystyki (uproszczoa aaliza graficza), c) kilka podstawowych parametrów (proste oliczeia szacukowe). Praca trazystora: - ieliiowa (statycza, dyamicza) - liiowa (dla małych sygałów małej i dużej częstotliwości) Modele ieliiowe statycze razystor składa się z dwóch złączy połączoych szeregowo przeciwstawie (-p, p-). ajprostszy model trazystora połączeie dwóch diód (rys. 5.26a). Prądy płyące przez te diody związae są z apięciami: [exp( U / ) 1]; [exp( U / ) 1] d s dc Cs C aki model ma ses, gdy wzajeme oddziaływaie złączy jest do pomiięcia (polaryzacja złączy w kier. zaporowym zakres zatkaia). Gdy trazystor pracuje w zakresie ormalym, to przez złącze C płyie ie tylko prąd wsteczy tego złącza, lecz rówież prąd ośików wstrzykiwaych przez złącze, czyli prąd d rówolegle do diody C (rys. 5.26). W przypadku pracy trazystora w zakresie asyceia oraz iwersyjym kolektor rówież wstrzykuje ośiki do azy, które wpływają a wartość prądu płyącego w złączu (włączeie źródła DC rówolegle do diody. Wzmocieie iwersyje w kieruku iwersyjym << miejsze iż w kieruku ormalym. Schemat zastępczy ers-molla pokazay a rys. 5.26c jest słuszy dla wszystkich czterech zakresów pracy. Prądy płyące przez końcówki trazystora są: ; [exp( U / ) 1] [exp( U / ) 1]; C s C Cs[exp( U C / ) 1] s[exp( U / ) 1] W modelu ersa-molla wszystkie zależości prądowo-apięciowe moża wyzaczyć mając tylko cztery łatwe do zmierzeia parametry: s, Cs,,. Cs C 13

14 Poieważ udowodili oi, że s = Cs, liczę parametrów moża zmiejszyć do trzech. Model ersa-molla stosoway jest w dwóch wariatach: - zmiee iezależe prądy wstrzykiwae przez emiter i kolektor (model iiekcyjy) - zmiee iezależe prądy zierae przez kolektor i emiter (model trasportowy). / ; C / ; s[exp( U / ) 1]; Cs[exp( U C / ) 1] Dokładość powyższego modelu uproszczoego moża zwiększyć uwzględiając: - zależość współczyików, od prądu emitera i kolektora oraz od apięć polaryzacji ou złączy, - istieie rezystacji szeregowych emitera, azy i kolektora doprowadzeń i oszarów poza warstwami zaporowymi), - korekcję zależości wykładiczych przez wprowadzeie współczyika m 1: [exp( U / m ) 1] 7.2. Charakterystyki statycze. Sta statyczy (pukt pracy) trazystora traktowaego jako czwórik ieliiowy opisyway jest czterema wielkościami: prądem i apięciem wejściowym 1, U 1 oraz prądem i apięciem wyjściowym 2, U 2. Zmiaa każdej z tych wielkości powoduje zmiay trzech pozostałych. stieje możliwość wyoru dwóch zmieych iezależych i oserwacji ich wpływu a pozostałe dwie = rówaie czwórika (12). Praktycze zaczeie mają 3 pary rówań: - impedacyje: U 1 =f( 1, 2 ); U 2 =f( 1, 2 ); - admitacyje: 1 =f(u 1, U 2 ); 2 =f(u 1,U 2 ); - mieszae: U 1 =f( 1,U 2 ); 2 =f( 1,U 2 ). ajardziej dogody zestaw rówaia mieszae. 14

15 Charakterystyki statycze związek wielkości zależej i jedej z dwóch iezależych przy stałej wartości drugiej wielkości iezależej traktowaej jako parametr. - charakterystyki wejściowe U 1 =f( 1 ) U 2 =cost, - charakterystyki zwrote apięciowe U 1 =f(u 2 ) 1 =cost, - charakterystyki przejściowe prądowe 2 =f( 1 ) U 2 =cost, - charakterystyki wyjściowe 2 =f(u 2 ) 1 =cost Dla każdej kofiguracji trazystora W, W, WC) wielkości 1, 2, U 1, U 2 ozaczają zupełie ie prądy i apięcia. a) charakterystyki statycze w układzie W 1 =, U 1 =U, 2 = C, U 2 =U C. teresują as astępujące rodziy charakterystyk: U =f(,u C ): U =f( ) U C wejściowa, U =f(u C ) zwrota C =f(, U C ), C =f( ) U C przejściowa, C =f(u C ) wyjściowa. Wszystkie rodziy charakterystyk pokazuje rys