тельным дифференциальным сопротивлением. Обратная ветвь отличается резким нарастанием тока при минимальных обратных напряжениях.

Непосредственно с видом вольт-амперной характеристики связан ряд специфических параметров туннельных диодов: значения токов и напряжений, соответствующих точкам максимума и минимума прямого тока (на рис. 9-38 -токи /д и /в и соответствующие им напряжения i/n и Us).

Отношение токов в максимуме и минимуме /п в характеризует протяженность падающего участка вдоль оси токов. Обычно составляет несколько единиц.

Отрицательное сопротивление - дифференциальное сопротивление на падающем участке вольт-амперной характеристики.

Скачок напряжения At/-разность напряжений, соответствующих точке максимума и точке на восходящей ветви вольт-амперной характеристики при токе, равном току в максимуме.

Эквивалентная схема туннельного диода имеет такой же вид, как у обычных диодов для области СВЧ (см. рис. 9-28). На основании этой схемы рассчитывается входное сопротивление Zbx- Пренебрегая емкостью Си, которую, включив в емкость монтажа, можно отнести к внещней схеме, считают:

ЕХ -

0)Lm-

1 + (mCR) J

(9-53)

1 + ((uCR) J

где R=g-K

Критическая частота /кр - наивысщая частота, на которой отрицательное активное входное сопротивление обращается в нуль:

2nCR

(9-54)

9-5. ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКЦИИ ТРАНЗИСТОРОВ

Плоскостной транзистор

Плоскостной транзистор представляет собой монокристаллнческую структуру, состоящую из трех областей с чередующимися типами проводимости (р-п-р или п-р-п), причем толщина w средней области - базы, разделяющей два р-п перехода, делается меньше диффузионной длины L.

В нормальном режиме работы на один из р-п переходов, называемый эмиттерным, подается прямое напряжение смещения, а на другой - коллекторный - обратное (рис. 9-39). Соответственно крайние области называются эмиттером и коллектором.

Функцией эмиттерного перехода является инъекция (впрыскивание) неосновных носителей в область базы. Для этого область эмиттера (п-типа в случае структуры

п-р-п, показанной на рис. 9-39) делается значительно более низкоомной, чем область базы. При этом электронная составляющая /эи эмиттерного тока, обусловленная потоком электронов из эмиттера в базу, превалирует иад дырочной составляющей lap. обусловленной потоком дырок из базы в эмиттер.

Диффрий

/шттттттт

Эмиттер п \ \ База р I Коллектор п II [1

Рис. 9-39. Энергетическая схема и распределение токов в транзисторе структуры п-р-п при нормальных смещениях. Стрелки указывают направление движения электронов. Сплпнымн линиями изображены электронные составляющие токов, штриховыми - дырочные.

Эффективность Э эмиттера у транзистора структуры п-р-п определяется соотношением

Об W

(9-55>

<Тэ/-э

где - полный ток эмиттера, равный сумме электронной /а и дырочной /эр составляющих;

Од и Од - удельные проводимости областей базы и эмиттера соответственно;

f-э - диффузионная длина дырок в области эмиттера. Поскольку инъектированные эмиттером в область базы электроны оказываются здесь неосновными и неравновесными носителями, они вступают в диффузионное движение, стремящееся выровнять их концентрацию в базе. Малая толщина базы (и)< <L) приводит к тому, что основная часть электронов достигает границы коллекторного р-п перехода, скатывается с потенциального барьера в область коллектора и образует в коллекторной цепи ток / . Небольшая часть электронов успевает рекомбини-ровать в базе с основными носителями (дырками) и образует в цепи базы небольшой рекомбинационный ток /бр. Переход неосновных носителей через область базы

характеризуется коэффициентом переноса Л, показывающим, какая часть инъектиро-еанных носителей достигает коллекторного р-п перехода

(9-56)

Если область базы однородно легирована и обладает неизменным по всему объему удельным сопротивлением, то

1 / W

Я = sch

I L6

(9-57)

где Le - диффузионная длина неосновных носителей в области базы (случай дрейфового транзистора рассмотрен ниже).

Таким образом, введенный в цепь эмиттера ток передается в цепь коллектора с коэффициентом

а =

(9-58)

который называется коэффициентом усиления по току в схеме с общей базой при постоянном напряжении на коллекторе и обычно составляет немногим меньше единицы (0,9-0,999).

Указанное условие постоянства коллекторного напряжения вызвано тем обстоятельством, что при изменении напряжения на коллекторном переходе изменяется ширина обедненного слоя и как следствие изменяется ширина базы w {эффект Эрли). Это явление вызывает увеличение коэффициента переноса П, а вместе с ним и коэффициента усиления а при повышении коллекторного напряжения и усложняет математическое описание характеристик транзистора.

На переданный из цепи эмиттера в коллекторную цепь ток /ня накладывается обычный обратный ток /ко коллекторного перехода, обусловленный тепловой генерацией пар электрон - дырка вблизи коллекторного перехода. Если, как это показано на рис. 4-39, область базы более высокоом-на, чем коллекторная (уровень Ферми в области базы расположен ближе к середине запрещенной зоны, чем в коллекторе), то равновесная концентрация неосновных носителей в базе будет также выше, чем в коллекторе. При этом обратный ток / о по существу состоит из электронов, скатываю-пхихся из базы в коллектор. Обычно / о С С /к я и не оказывает существенного влияния на работу транзистора. Однако сильное увеличение обратного тока при повышении температуры приводит к заметному увеличению мощности, рассеиваемой коллектором, нагревает транзистор и ухудша-

в физике транзисторов принято обозначать эффективность эмиттера символом 1, а коэффициент переноса - Р. Поскольку в радиоэлектронике эти буквы широко применяются для обозначения других величин, в частности через 3 обозначается коэффициент усиления по току транзистора в схеме с общим эмиттером (см. стр. 414), здесь введены обозначения русскими буквами.

ет его работу. Что же касается составляющей /кя, то она оказывается управляемой и придает транзистору свойства усилительного прибора.

Уравнение тока коллектора имеет вид:

/к = а/э + /ко (9-59)

и иллюстрирует возможность управления током коллектора путем изменения тока эмиттера. Поскольку эмиттерный переход находится под прямым напряжением, изменение тока эмиттера сопровождается малым изменением напряжения, т. е. требует затраты небольшой мощности. При этом ток в коллекторной цепи претерпевает практически такое же изменение (а~П, но ввиду обратного смещения коллекторного перехода напряжение питания этой цепи может быть выбрано значительным, что позволяет при соответствующем нагрузочном сопротивлении получать на нем большое изменение напряжения и мощности.

Важнейшим процессом, определяющим электрические характеристики транзистора, является механизм переноса неосновных носителей через область базы. В соответствии с двумя используемыми типами этого механизма различают ..диффузионные (бездрейфовые) и дрейфовые транзисторы.

Диффузионная модель транзистора

Приведенное выше качественное описание принципа работы транзистора предполагало диффузионный механизм переноса неосновных носителей через область базы.

Движение неравновесных носителей в однородном полупроводнике, вызванное неравномерной их концентрацией, описывается уравнением непрерывности, которое устанавливает связь между изменением концентрации п электронов во времени и плотностью In электронного тока в дифференциальном элементе объема области базы:

дп dt

-f-div/ . (9-60)

где Пр - равновесная концентрация

электронов в базе р-типа; т -время жизни электронов.

Это уравнение предполагает электрическую нейтральность любой точки области базы (см. стр. 385). Математическое выражение принципа нейт{>альности для базы р-типа имеет вид:

р = Р + , (9-61)

где р - концентрация основных носителей; Рконцентрация акцепторов. Из этого принципа, в частности, следует, что всякое изменение концентрации неосновных носителей сопровождается аналогичным изменением концентрации основных носителей (Др=Ди). Однако во многих случаях п<С Р причем относительное изменение концентрации . основных носителей оказывается

пренебрежимо малым (Др/pCl) и не имеет практического значения.

Ради уменьшения математических трудностей обычно сводят задачу к одно-

Р.чс. 9-40. График коицеитрации неосновных носителей в области базы транзистора при нормальных смещениях (t3=const).

мерной, предполагая, что концентрация электронов изменяется только в направлении оси X, перпендикулярной плоскостям эмиттерного и коллекторного переходов (рис. 9-40). При этом уравнение непрерывности приобретает вид:

дп Пт, - п дп

(9-62)

где Dn - коэффициент диффузии электронов. Описываемую этим уравнением модель транзистора называют одномерной теоретической моделью (ОТМ).

Для получения определенного решения уравнения непрерывности п(х) необходимо задаться граничными условиями, характеризующими концентрацию электронов на приэмиттерной (х=0) и приколлекторной {x=w) границах области базы. Эти концентрации п(0) и n(w) однозначно связаны с приложенными к переходам напряжениями:

п(0) = Пре ; (9-63а)

п(ш) = Пре , (9-636)

где W э и u,j - напряжения; действующие непосредственно на эмиттерном и коллекторном переходах, и могут быть функциями времени, т. е. включать переменные составляющие A-qfkT.

При обратном напряжении (и< 0) концентрация неосновных носителей на приколлекторной границе весьма мала, и часто считают n(w)=0. Но зато вследствие-эффекта Эрлисама величина w зависит от напряжения и. Учет эффекта Эрли делает уравнение непрерывности нелинейным и при наличии переменной составляющей напряжения коллектора заставляет ограничиваться приближенными решениями. Вместо граничного условия, учитывающего зависимость w=f(u), обычно предполагают, что гг)=const, а зависит от коллекторного на-

пряжения сама концентрация неосновных носителей. Тогда, ограничиваясь малыми-переменными составляющими, при обратном напряжении на коллекторном переходе вместо (9-63 б) принимают:

n(w, t) = npe к м, (t),

эмиттерном переходе;

(9-63в)

лекторного напряжения; у. - размерный коэффициент [е-], значение которого увеличивается с повышением удельного сопротивления области базы-.

Решением уравнения непрерывности-является зависимость кодцентрации неосновных носителей п от координаты х (в пределах толщины базы 0<xw) и от времени t (если напряжения и и и) содержат переменные составляющие).

Постоянная составляющая избыточной концентрации (п - Пр), также переменная составляющая при малых синусоидальных напряжениях на переходах выражаются гиперболическими функциями координаты X типа

n{x,t) = Ash

-f Bch

, (9-64).

где постоянные A и В определяются из-граничных условий, а со обозначает угловую частоту приложенных к р-п переходам напряжений.

Характер зависимости п{х) при и >0 и <0 показан на рис. 9-40. Плотность тока в любом сечении, перпендикул.ярном оси X, однозначно связана с градиентом концентрации неосновных носителей соотношением (9-12), так что после определения функции п(х, t) без труда вычисляется плотность тока неосновных носителей в любом сечении базовой области. При х=0 и X-W определяются плотности эмиттерного и коллекторного токов неосновных носителей.

Постоянные составляющие этих токов-в режиме усиления {Uq >0 и Uq <0) рав.-ны:

/ эп=

.<0-l)

cth r~ -

(9-65)