КОНСТРУКЦИЯ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ ПО ШИРИНЕ ЗАПРЕЩЁННОЙ ЗОНЫ ИСТОЧНИКАХ ТОКА ИЛИ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РАЗНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ БАЗА - ЭМИТТЕР ПРИ РАЗНОЙ ПЛОТНОСТИ ТОКА

Полезная модель относится к электронике и предназначена для применения в интегральных микросхемах, содержащих стабилизированные по ширине запрещенной зоны источники тока или напряжения, использующие разницу между напряжениями база - эмиттер двух биполярных транзисторов с разной плотностью токов эмиттеров.
Известно применение в таких стабилизированных источниках биполярных транзисторов одинаковой конструкции, в которых протекают токи разной величины. См., например, патент США №3617659, НКИ 323/4, МКИ G05F 1/58, опубликованном 2 ноября 1971 г.[1]. Подобные решения не обеспечивают высокой стабильности формирования разности напряжений база-эмиттер, так как в ней присутствует не только возникающая из-за различия плотностей токов разность напряжений на p-n переходах, но и разница падений напряжений на паразитных сопротивлениях областей базы и эмиттера.
В некоторой степени этот недостаток удается снизить за счет увеличения разности плотностей токов посредством параллельного включения нескольких транзисторов в цепь с меньшим током и подключением их базового узла через резистор, компенсирующий разницу падений напряжений на паразитных сопротивлениях. Такое решение описано в патенте США №3781648, НКИ 323/4, МКИ G05F 1/58, опубликованном 25 декабря 1973 г.[2].
Данное устройство содержит биполярные транзисторы n-p-n структуры, эмиттер первого транзистора с большей плотностью тока подключен к шине отрицательного полюса напряжения питания, а эмиттер второго транзистора с меньшей плотностью - к этой же шине через токозадающий резистор, база второго транзистора через резистор компенсации подключена к соединенным базе и коллектору первого транзистора с большей плотностью тока. Остальные элементы устройства обеспечивают равенство напряжений на узлах коллекторов первого и второго транзисторов и постоянное соотношение втекающих в эти узлы токов.
Разность напряжений база - эмиттер, прикладываемая к токозадающему резистору, соответствует формуле:
-23
-19
Э1
Э2
где T - абсолютная температура, k=1,38·10 Дж/град - постоянная Больцмана, q=1,6·10 Кл - заряд электрона, J/J - отношение плотностей эмиттерных токов транзисторов.
Формула (1) не учитывает дополнительные падения напряжений на паразитных сопротивлениях базовых и эмиттерных областей транзисторов, создаваемых токами в их базах и эмиттерах. Дело в том, что в устройстве обычно применяются транзисторы одинаковой конструкции и транзистор с большей площадью эмиттерного p-n перехода обычно представляет собой несколько параллельно включенных транзисторов, поэтому, он имеет меньшее сопротивление базы и эмиттера. Предполагается, что более существенная для работы устройства разность падений напряжений на базовых паразитных сопротивлениях сводится к нулю за счет того, что базовый ток транзистора с меньшей плотность тока, протекая в резисторе компенсации, создает на нем выравнивающую прибавку напряжения. Разность-же падений напряжений на эмиттерных паразитных сопротивлениях линейно зависит от величин эмиттерных токов и может быть скомпенсирована за счет соответствующего увеличения сопротивления токозадающего резистора.
Недостатком устройства - аналога является низкая точность компенсации разности падений напряжений на паразитных сопротивлениях базовых областей транзисторов. Это обусловлено разнородностью конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, влияющих на сопротивления резисторов и базовых областей транзисторов.
Технический результат полезной модели заключается в уменьшении данного недостатка.
Технический результат достигается тем, что в конструкции биполярных транзисторов, используемых в стабилизированных по ширине запрещенной зоны источниках тока или напряжения для формирования разности напряжений база - эмиттер при разной плотности тока, состоящей у каждого транзистора из коллекторной области, в которой расположена область базы, содержащая область эмиттера с контактом к ней и контакт к базе, причем, при отношении токов в транзисторах как 1 к P у транзистора с меньшим током площадь области эмиттера в S раз больше, чем у транзистора с большим током, у обоих транзисторов области эмиттеров и баз имеют прямоугольную форму, а контакты к каждой базе расположены по одну сторону от области эмиттера, контакт к которой у каждого транзистора выполнен по всей поверхности области с минимально - допустимым отступом от краев, размеры областей эмиттеров вдоль оси эмиттер - контакт к базе и расстояния между областями эмиттера и контактами к базе у транзисторов с большим и меньшим током относятся как 1 к квадратному корню из произведения S на P, а поперечные размеры их областей эмиттера как и областей базы относятся как 1 к квадратному корню от S деленного на P.
Указанное выполнение элементов устройства позволяет достичь равенства падений напряжений на паразитных сопротивлениях базовых областей транзисторов за счет обеспечения обратной пропорциональности этих сопротивлений базовым токам транзисторов.
Отличительными признаками полезной модели являются форма и соотношение геометрических размеров элементов конструкции биполярных транзисторов.
БЭ
Э
Б
Полезная модель поясняется чертежами. Фиг. 1 с изображением конструкции биполярных транзисторов, используемых в стабилизированных по ширине запрещенной зоны источниках тока или напряжения для формирования разности напряжений база - эмиттер при разной плотности тока. Фиг. 2 показывает разрез физической структуры p-n-p транзистора вдоль оси эмиттер - контакт к базе. Фиг. 3 представляет электрическую схему одномерной рассредоточенной модели p-n-p транзистора. На фиг. 4 изображены полученные моделированием графики изменения напряжения U в области базы относительно эмиттера, плотности эмиттерного тока J и величины базового тока I вдоль оси эмиттер - контакт к базе - X.
Э1
Э2
ЭБ1
ЭБ2
Э1
Э2
Б1
Б2
Конструкция первого и второго биполярных транзисторов 1 и 2 соответственно с большей и меньшей плотностями эмиттерного тока, состоит из коллекторной области, в которой расположена область базы, содержащая область эмиттера с контактом к ней и контакт к базе. При отношении токов в транзисторах 1 и 2 как P к 1 у транзистора 2 с меньшим током площадь области эмиттера в S раз больше, чем у транзистора 1 с большим током. У обоих транзисторов 1 и 2 области эмиттеров и баз имеют прямоугольную форму, а контакты к каждой базе расположены по одну сторону от области эмиттера, контакт к которой у каждого транзистора 1 и 2 выполнен по всей поверхности области с минимально - допустимым отступом от краев. Размеры L и L областей эмиттеров вдоль оси эмиттер - контакт к базе и расстояния L и L между областями эмиттера и контактами к базе у транзисторов 1 и 2 относятся как 1 к квадратному корню из произведения S на P, а поперечные размеры W и W их областей эмиттера как и областей базы - W и W относятся как 1 к квадратному корню от S деленного на P.
Э1
Э2
ЭБ1
ЭБ2
Э1
Э2
Б1
Б2
Для определенности на чертеже изображена конструкция транзисторов при соотношениях эмиттерных токов и площадей эмиттерных p-n переходов у транзисторов 1 и 2 соответственно как 2:1 и 1:8. При этом L:L=L:L=1:4, a W:W=W:W=1:2.
Устройство работает следующим образом.
Б1
Б2
Б1
Б2
Разность напряжений база - эмиттер, возникающая у транзисторов в результате различия плотностей эмиттерных токов, кроме разности напряжений на эмиттерных p-n переходах включает в себя разность падений напряжений на сопротивлениях базовых областей R и R, создаваемых протекающими в них токами баз I и I.
Б2
Б1
Непременным условием правильного функционирования устройства является работа обоих транзисторов в нормальном активном режиме. Это с достаточной точностью обеспечивает пропорциональность базовых токов транзисторов их эмиттерным токам. Если ток в эмиттере первого транзистора в P раз больше тока в эмиттере второго, то в таком же соотношении будут их базовые токи. Следовательно, два правых члена формулы (2) будут практически взаимно исключены, когда сопротивление базы второго транзистора R будет в P раз больше базового сопротивления первого транзистора R.
БП
БА
Сопротивление каждой базовой области имеют две составляющие - это сопротивление пассивной базы R, то есть ее части, расположенной между контактом к базе и краем эмиттерной области, и сопротивление базы активной R, лежащей под эмиттером.
БП1
БП2
ЭБ1
Б1
ЭБ2
Б2
В данной конструкции сопротивления пассивных баз транзисторов R и R пропорциональны отношениям расстояний между контактами к базам и краями эмиттерных областей к ширинам баз L/W и L/W. Это происходит в результате прямолинейности линий тока в каждой базе и равномерного их распределения по всей ее ширине.
Э
Б
К
Б
Б
В каждой активной базе распределение токов по ширине с достаточной точностью можно тоже принять равномерным, однако сами величины токов возрастают с приближением к базовому контакту по мере интегрирования составляющих базового тока, распределенных по площади эмиттерного р-n перехода. На чертеже фиг. 2 составляющие эмиттерного, базового и коллекторных токов обозначены соответственно как Δi, Δi и Δi, а ток базы I представляет сумм всех Δi.
В таких условиях очень сложно определить величину эквивалентного сопротивления активной базы, которое сильно зависит от величины тока, влияющей на его перераспределение по длине области эмиттерного р-n перехода.
Э
Э
К
N
Э
N
АБ
ПБ
Для исследования вольт - амперных характеристик транзисторов была использована одномерная рассредоточенная модель, см. фиг. 3. В этой модели активная область транзистора представлена разделенной на фрагменты поперечными оси эмиттер - контакт к базе разрезами. В схеме каждого фрагмента диод отображает соответствующую часть эмиттерного p-n перехода с током Δi, вертикальную составляющую сопротивления эмиттерной области ΔR, и генератор составляющей коллекторного тока Δi=α·Δi, где α -нормальный коэффициент передачи эмиттерного тока. Эквиваленты составляющих сопротивлений активной базы ΔR включены между узлами катодов эмиттерных диодов таким образом, чтобы в них кроме собственных базовых токов фрагментов протекали и токи предшествующих в последовательной цепи. Сопротивление всей пассивной базы в модели представлено одним резистором R.
Моделирование транзисторов позволило получить графики, представленные на чертеже фиг. 4.
Э1
Э2
Э2
Э2
Э1
Э1
БА2
БА1
Б1
АБ1
Б2
БА2
Исследования показали, что, если эмиттерные токи у пары транзисторов остаются в постоянном отношении и отношения длин эмиттерных областей к их ширинам обратно пропорциональны эмиттерным токам, то отношение эквивалентных сопротивлений активных баз транзисторов тоже будет постоянным и обратно пропорциональным отношению эмиттерных токов. То есть, если I=P·I и L/W=P·L/W, то R=P·R и это обеспечивает равенство падений напряжений на паразитных сопротивлениях областей активных баз, потому что I·R=I·R.
Из всего этого следует, что размеры рассматриваемых областей транзисторов должны отвечать следующим уравнениям.
Совместное решение уравнений (3) и (4) позволило определить соотношения размеров эмиттерных областей транзисторов.
,
В следующей таблице приведены эти соотношения для ряда пригодных для использования вариантов значений параметров P и S.
0
0
P
S
Разброс величин P и S можно выразить через их номинальные значения P, S и относительные погрешности δ и δ:
.
Подставив эти выражения в формулу (2), получим:
Это позволяет определить относительную погрешность разности напряжений на эмиттерных p-n переходах транзисторов
ΔUБЭ
Числитель в выражении (7) можно считать постоянной величиной, определяемой точностью работы схемы, формирующей токи в транзисторах, и точностью воспроизведения отношения эффективных площадей эмиттерных p-n переходов, а знаменатель возрастает и относительная погрешность δ уменьшается с увеличиваем номинальных значений параметров P и S. Следовательно, конструктивные параметры транзисторов наряду с другими факторами существенно влияют на точность работы устройства.
Таким образом, конструкция биполярных транзисторов, используемых в стабилизированных по ширине запрещенной зоны источниках тока или напряжения для формирования разности напряжений база - эмиттер при разной плотности тока, обеспечивает высокую точность работы содержащих их устройств за счет компенсации влияния паразитных сопротивлений областей базы на величину формируемой разности напряжений.