§ 2.8. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИНЖЕКЦИОННЫМ ПИТАНИЕМ

Биполярные транзисторы с инжекционным питанием — класс полупроводниковых приборов, появившихся в результате развития интегральной технологии. На их основе выполняются экономичные логические элементы, запоминающие устройства, аналого-цифровые преобразователи и т. д. Компоненты, выполненные на основе биполярных транзисторов с инжекционным питанием, имеют высокую степень интеграции, потребляют малую мощность, нормально функционируют при изменениях в широких пределах напряжения питания и потребляемой мощности, хорошо согласуются с существующими устройствами, построенными на биполярных транзисторах.

Отличительной особенностью биполярных транзисторов с инжекционным питанием является наличие дополнительной области с электропроводностью того же типа, что и у базы транзистора, и, следовательно, дополнительного . Дополнительная область носит название инжектора. Таким образом, транзистор с инжекционным питанием, представляет собой четырехслойную структуру (рис. 2.29, а), в которой можно выделить два транзистора , соединенных между собой так, как показано на рис. 2.29, б. Дополнительный -переход между областями называют инжекторным.

Предположим, что эмиттер и база транзистора разомкнуты, а к инжекторному p-n-переходу подключено напряжение Е, смещающее его в прямом направлении (рис. 2.29, в). Пусть также к коллектору приложен запирающий потенциал . Тогда из области инжектора в область эмиттера инжектируются дырки, а из эмиттера в инжектор — электроны.

Для упрощения считаем, что вследствие различных удельных проводимостей областей инжекция имеет односторонний характер, и учитываем только дырки, инжектированные в эмиттер. В эмиттерной области у инжекторного p-n-перехода возникает избыточная концентрация дырок, которые в соответствии с принципом электронейтральности в течение компенсируются электронами, поступающими в цепь эмиттера от внешнего источника.

Рис. 2.29. Планарный биполярный транзистор с инжекционным питанием: а - структура; б - двухфатисторная модель; в подключение напряжений; г - условное обозначение транзисторов с инжектором n-типа; д - условное обозначение транзисюра с инжектором р-типа; е - эквивалентная схема

Вследствие диффузии носители заряда движутся от инжекторного p-n-перехода в глубь эмиттера.

Достигнув эмиттерного p-n-перехода, дырки захватываются его полем и переходят в область базы, частично компенсируя заряд отрицательно заряженных ионов акцепторной примеси. Часть электронов, пришедших к переходу вместе с дырками, компенсирует заряды положительно заряженных ионов донорной примеси. Это приводит к снижению потенциального барьера эмиттерного p-n-перехода и уменьшению его ширины, т. е. последний смещается в прямом направлении.

В результате смещения эмиттерного p-n-перехода оставшаяся часть электронов, пришедших с дырками, перемещается в область базы, что эквивалентно их инжекции из области эмиттера. Дырки в базе, не рекомбинировавшие с ионами, обеспечивают ее электронейтральность.

Рис. 2.30. Выходные характеристики транзистора с инжекционным питанием (а): соединение четырех транзисторов (б)

Эти носители заряда диффундируют в глубь базы к коллекторному и, достигнув последнего, аналогичным образом смещают его в прямом направлении. Таким образом, и эмиттерный, и коллекторный переходы транзистора n-p-n-типа смещены в прямом направлении, что, как известно из теории транзисторов, характеризует режим насыщения транзистора . В режиме насыщения сопротивление транзистора и падение напряжения на нем малы и его можно рассматривать как замкнутый ключ.

Все сказанное справедливо для случая, когда максимальный источника внешнего напряжения, создающего на коллекторе потенциал , меньше или равен (рис. 2.30, а).

Если теперь базу соединить с помощью ключа П с эмиттером, то дырки, достигшие эмиттерного p-n-перехода, переходят в базу и компенсируются электронами из внешней цепи. В этом случае потенциальный барьер эмиттерного перехода остается неизменным и инжекция электронов в цепь базы через эмиттерный p-n-переход отсутствует. В цепи базы будет протекать ток, вызванный движением электронов, «расходуемых» на рекомбинацию дырок:

где - коэффициент передачи эмиттерного (инжекторного тока транзистора .

В коллекторной цепи практически отсутствует (равен ), так как коллекторный переход смещен в обратном направлении. Транзистор работает на границе активного режима и режима отсечки.

Это состояние соответствует разомкнутому ключу. Напряжение зависит от сопротивления в коллекторной цепи и источника внешнего напряжения, к которому оно подключено.

Итак, в рассматриваемых режимах биполярный транзистор с инжекционным питанием является ключом, который находится в замкнутом состоянии при разорванной цепи базы и в разомкнутом, если последняя соединена с эмиттером. Это позволяет представить его на эквивалентной схеме обычным биполярным транзистором, между эмиттером и базой которого включен источник тока (см. рис. 2.29, е). Если вывод базы замкнут с эмиттером, то в этой цепи протекает ток

Когда база разомкнута, ток коллектора определяется параметрами внешней цепи, к которой подключен коллектор, и равен или меньше .

Условные обозначения инжекционных транзисторов приведены на рис. 2.29, г, д.

В применяемых на практике устройствах у одного транзистора обычно имеется несколько коллекторных областей (многоколлекторный транзистор). В ряде конструкций и инжектор является общим для группы транзисторов.

Выходные характеристики транзистора с инжекционным питанием показаны на рис. 2.30, а. Если цепь базы разомкнута , то максимальный ток внешнего источника напряжения меньше или равен . Его сопротивление и падение напряжения на нем малы. При замкнутой цепи базы коллекторный p-n-перёход транзистора смещен в обратном направлении и в его цепи протекает только обратный ток , который мало зависит от приложенного напряжения.

При максимальном токе внешнего источника коллекторного напряжения, большем , транзистор будет находиться в активной области даже при . Падение напряжения на нем зависит от приложенного напряжения.

Для иллюстрации возможности использования биполярных транзисторов с инжекционным питанием рассмотрим упрощенную схему соединения между собой четырех транзисторов (рис. 2.30, б). Когда база транзистора разомкнута, он находится в состоянии насыщения и в его коллекторной цепи течет ток , определяемый инжекцией и коэффициентом передачи транзистора .

Если , то падение напряжения на транзисторе мало и он эквивалентен замкнутому ключу. Транзистор , наоборот, закрыт, так как цепь его базы через замкнута на эмиттер (точнее, он находится на границе отсечки и активной области). В цепи его коллектора протекает обратный ток . Так как этот ток невелик, то база транзистора находится в насыщенном состоянии; транзистор заперт.

Когда базу транзистора замыкают на эмиттер, т. е. подают такой потенциал, чтобы состояния вссх транзисторов изменяются на противоположные. Таким образом, используя транзисторы с инжекционным питанием, можно строить различные логические элементы.

Из сказанного ясно, что при использовании схем, выполненных на основе транзисторов с инжекционным питанием, необходимо иметь дополнительный источник напряжения. Он обеспечивает смещение в прямом направлении инжекторного перехода. В качестве его используют источники напряжения с включенным последовательно резистором, задающим ток .

Схемы на транзисторах с инжекционным питанием нормально функционируют при изменениях питающих токов в широких пределах. С увеличением тока их быстродействие увеличивается, но при этом возрастает потребляемая мощность.