39. Составляющие токов в структуре биполярного транзистора. Коэффициент передачи тока эмиттера и его зависимость от конструктивных параметров транзистора.

Рис.10.6. Токи в транзисторной структуре

Ток эмиттера состоит из тока электронов , инжектированных из эмиттера в базу, и тока дырок , инжектированных из базы в эмиттер, то есть . Инжекция дырок из базы в эмиттер восполняется их приходом из базового контакта, то есть замыкается через внешнюю батарею смещения . Часть электронов, составляющих , проходит через область базы в коллекторный переход, образуя электронную составляющую тока коллектора . Другая часть электронов тока ответвляется в базу и рекомбинирует, образуя ток рекомбинации базы . Около базового контакта переносится потоком дырок, подтекающих из базового контакта для восполнения потерь дырок за счет рекомбинации, кроме того через базовый контакт протекает дырочная составляющая обратного тока обратно смещенного коллекторного перехода .Таким образом, коллекторный ток состоит из двух составляющих: электронной и дырочной - неосновных носителей коллекторной области: . Полный ток базы: .Из-за высокой несимметричности эмиттерного перехода пренебрежимо мал. - называют тепловым или обратным током коллектора, то есть , . Баланс токов в транзисторе .

Коэффициент передачи тока эмиттера и его зависимость от конструктивных параметров транзистора. Степень влияния тока эмиттера на ток коллектора характеризуется коэффициентом передачи тока эмиттера :

Дифференциальная форма . Коэффициент является внешним параметром транзистора, так как его величина определяется по приращениям токов во внешних электродах транзистора. В то же время величина определяется совокупностью трех внутренних параметров структуры транзистора. Внутренними параметрами транзистора являются следующие: Коэффициент инжекции или эффективность эмиттера _. Он указывает, какую

долю в полном токе эмиттера составляет полезная электронная составляющая , которая увеличивает коллекторный ток. Такое Чем больше коэффициент , тем эффективнее ток эмиттера управляет током коллектора. Коэффициент переноса носителей через базу (каппа) показывает, какая часть электронов, инжектированных эмиттером в базу, доходит до коллекторного перехода:

. Он характеризует ослабление в базе потока электронов, диффундирующих от эмиттера к коллектору вследствие его рекомбинации. Эффективность коллектора обычно характеризует умножение носителей в коллекторном переходе, например за счет ударной ионизации: . Очевидно, что произведение этих трёх коэффициентов равно коэффициенту передачи тока :

_. Величина каждого внутреннего коэффициента определяется конструктивными параметрами структуры транзистора. Для нахождения этих коэффициентов необходимо найти составляющие токов транзистора. Сначала рассматриваем бездрейфовый транзистор. Так как эмиттерный переход работает при прямом смещении, то его ток, как и в обычном p-n переходе обусловлен диффузией основных носителей из областей базы и эмиттера. Как известно, диффузионные токи p-n перехода определяются градиентом концентрации инжектированных неравновесных носителей в области, прилегающие к p-n переходу. Область эмиттера обычно достаточно протяженная. Поэтому инжектированные из базы дырки распределятся в ней по экспоненциальному закону.

Рис.10.7. Распределение неравновесных носителей в области эмиттера. _. Тогда дырочная составляющая тока эмиттера: _. Конструкция транзистора всегда такова, что - мало, так что . Как известно, в этом случае распределение неравновесных носителей в тонкой базе будет почти линейным:

Рис.10.8. Распределение неравновесных носителей в базе транзистора _. При , тогда _. В этом случае для бездрейфового транзистора электронная составляющая тока транзистора _.

Тогда _. Учитывая, что , , а также соотношение Эйнштейна и ,

Для получения базовую область стараются делать тонкой – десятые доли мкм, а степень легирования эмиттерной области выбирают максимально возможной. Обычно она ограничивается лишь предельной растворимостью примеси 10²³см^-3. Для бездрейфовых транзисторов _. Поэтому почти всегда для них .

Часть электронов, инжектированных эмиттером в базу по мере диффузии к коллектору, рекомбинирует в базе. Рекомбинационные потери приводят к неравенству и , а так как эти токи чисто диффузионные, то они определяются градиентами электронов в базе около эмиттера и коллектора соответственно. Для нахождения этих градиентов нельзя пользоваться допущением о линейности распределения носителей в базе. Поэтому используют полную формулу для тонкой базы:

;

В формуле для не учтено влияние поверхностной рекомбинации электронов. Такая рекомбинация наблюдается вследствие того, что электроны от эмиттерного p-n перехода диффундируют примерно прямолинейно. При этом часть из них попадает на поверхность кристалла, где высока рекомбинация. Для снижения влияния поверхностной рекомбинации на величину коэффициента переноса в реальных структурах транзисторов площадь коллекторного перехода делают большей, чем площадь эмиттерного перехода.

Рис.10.9. Схематическое изображение сплавного транзистора

Эффективность коллектора в нормальном режиме работы транзистора близка к единице, так как отличается от достаточно малым током . Однако при повышенном обратном напряжении коэффициент коллекторного умножения учитывает лавинное умножение носителей в области объемного заряда коллекторного перехода. В этом случае

, _. Чаще всего транзисторы работают в таком режиме, при котором умножение в коллекторе отсутствует и .

В бездрейфовых транзисторах , _.

Транзистор в принципе имеет симметричную структуру. Поэтому он может работать и в инверсном режиме, в котором на коллекторный переход подаётся прямое смещение, а на эмиттерный – обратное. Инверсный коэффициент передачи тока определяется соотношением . Обычно, , где - коэффициент передачи тока при нормальном включении. Это объясняется следующими причинами:1) степень легирования коллектора меньше степени легирования эмиттера, поэтому ,2) так как , то возрастает роль поверхностной рекомбинации, поэтому .

Рис.10.10. Токи в структуре сплавного транзистора при инверсном включении

- но может быть и меньше 0,5.