46. Эффект оттеснения токов к краю эмиттера. Эффект Кирка.

Рис.12.10 Эффект оттеснения тока к краю эмиттера

При повышенной плотности тока в некоторых структурах транзисторов может умень-ся за счёт эффекта Кирка. Эффект Кирка проявл-ся в планарно-эпитаксиальных структурах транзисторов n⁺-p-n-n⁺. Такие структуры имеют высоковольтные транзисторы, мощные высокочастотные транзисторы. В таких транзисторах коллектор двухслойный, n⁺ слой уменьшает объёмное сопротивление, а n – увеличивает и уменьшает перехода.В таких структурах область объёмного заряда обратносмещенного коллекторного перехода распростр-ся на весь низколегированный эпитаксиальный слой. При повышенных плотностях тока заряд подвижных электронов, пролетая через область объёмного заряда коллекторного перехода, увеличивает отрицательный заряд ионов в p- области базы, а в n – области компенсирует положительный заряд ионов доноров. Но так как область объёмного заряда в n- области гораздо шире, чем в p, то итогом явл-ся уменьшение электрического поля в области объёмного заряда, что вызывает сужение этой области. В результате с ростом тока эффективная ширина базы увеличивается, что приводит к уменьшению , а следовательно и .

Рис.12.12 Эффект Кирка

При высокой плотности тока коллектора область объёмного заряда коллектора смыкается с областью объёмного заряда n-n⁺ перехода. При дальнейшем росте плотности тока поле в области объёмного заряда становиться однородным, поскольку заряд электронов полностью компенсирует заряд положительных ионов доноров. Затем наклон E(x) изменяет знак. При последующем увеличении тока коллекторная граница базы перемещ-ся в n-коллектор, в пределе достигая n-n⁺ границы раздела.

Характер зависимости коэффициентов передачи тока транзистора от различных факторов в схемах с ОБ и ОЭ одинаков, но так как и мало отл-ся от единицы, то небольшие изменения величины приводят к значительным изменениям величины . Например, при увеличении от 0,98 до 0,99 (т.е примерно на 1%) увел-ся от 49 до 99, (т.е. прибл-но на 200%). По этой причине статические ВАХ транзистора в схеме с ОЭ обладают значительно большей нелинейностью, чем в схеме с ОБ.

47. Предельные напряжения биполярных транзисторов

Как известно, эмиттерный переход всегда высоколегированный, особенно у дрейфовых транзисторов, поэтому в режиме отсечки транзистора пробой p-n перехода носит туннельный или смешанный характер, а напряжение пробоя не более 3÷5 В. Так как эти виды пробоя обратимые, то при ограничении транзистор не повреждается. Ограничение этого тока в реальных схемах почти всегда соблюдается, так как входная цепь транзистора – низковольтная.Выходная, то есть коллекторная цепь транзистора может быть высоковольтной. При этом максимальные напряжения на коллекторе необходимо огран-ть на допустимом уровне, который опред-ся как коллекторного перехода, так и режимом работы транзистора.

В некоторых ВЧ и СВЧ транзисторах с очень тонкой базой (0,2 мкм) допустимые и огранич-ся так называемым напряжение прокола базы или напряжением смыкания. При этом напряжении область объёмного заряда коллекторного перехода расшир-ся на всю базовую область – происходит смыкание областей объёмного заряда эмиттера и коллектора, то есть прокол базы. Сквозное сопротивление транзистора резко падает, а ток и - резко возрастает.

Рис.12.13 Пробой при проколе базы

Если он не ограничен внешней цепью, то транзистор перегрев-ся и выходит из строя. - десятки и сотни В. Однако в большинстве транзисторов резкое увеличение тока при больших происходит из-за лавинного умножения носителей в области коллекторного перехода. Как известно, лавинное умножение носителей в обратносмещённом p-n переходе учитывается формулой Миллера:

, где . При .

Рассмотрим схему с общей базой при .

Рис.12.14 Схема включения транзистора

Через коллекторный переход протекает только , поэтому при увеличении до умножаться будут только неосновные носители, переносящие этот ток, для n-p-n транзистора это дырки. Тогда в предпробойной области .

Рис.12.15 Пробой коллекторного перехода

Рассмотрим схему с общим эмиттером при .

Рис.12.16 Схема включения транзистора

Как известно, в этом случае при . При увеличении в основном увеличивается , так как .При этом необходимо отметить, что умножение носителей в обратносмещённом коллекторном p-n переходе начин-ся при напряжении значительно меньшем . При происходит лавинное умножение носителей, когда появляющиеся за счёт умножения носители вновь приводят к умножению. Поэтому при напряжении заметно меньшем могут умножаться некоторые носители в коллекторном переходе. При этом электроны переходят в коллектор лишь увеличивая ток . В тоже время дополнительные, появившееся за счёт умножения дырки, попадая в базу в заданной схеме, не могут уйти через базовый контакт и увеличивают положительный потенциал базы.

Рис.12.17 Лавинный пробой коллекторного перехода

Это вызывает подсмещение эмиттерного перехода в прямом направлении, то есть увеличивает инжекцию прямосмещённого p-n перехода. Часть инжектированных электронов идёт на компенсацию дополнительных дырок в базе, а основная часть, пересекая базу, попадает в коллекторный переход. Там они могут вызвать новое умножение и так далее. В результате может возрастать лавинообразно и при напряжении заметно меньшем . Это напряжение можно найти следующим образом.

, где - не зависит от напряжения .

В данной схеме . Так как , а , то . Резкое нарастание , то есть пробой транзистора наступает при условии . Тогда, обозначая напряжение пробоя в схеме со свободной базой через получаем, что

, , .Таким образом максимальное напряжение в схеме с ОЭ в несколько раз меньше, чем в схеме с ОБ.В реальных схемах с ОЭ между базой и эмиттером всегда включено некоторое сопротивление R_б. Через это сопротивление часть дырок, появившихся в базе за счёт лавинного умножения может отводится через базовый контакт на землю. Поэтому резкое увеличение тока будет наблюд-ся при напряжении и при изменении R_б от 0 до ∞ напряжение пробоя коллектора будет изменяться от до .

Вторичный пробой – явления связанные с разогревом коллекторного перехода и приводящие к резкому увеличению коллекторного тока при одновременном уменьшении коллекторного напряжения. При вторичном пробое транзистора происходит шнурование тока, проходящего через коллекторный переход.

Рис.12.18 Лавинный пробой и релаксационный генератор

48. Зависимость статических характеристик от температуры

. С ростом температуры возрастает .

, мВ/C

Рис.12.19 Реальные статические входные ВАХ в схеме с общим эмиттером при различной температуре (T₁>T₀)

Время жизни с ростом температуры растет, так как растет скорость движения V носителей, что затрудняет их захват ловушками. С ростом растет и . При росте температуры до может вырасти в 2-3 раза.

Рис.12.20 Реальные статические выходные ВАХ в схеме с общим эмиттером при различной температуре

При нагреве транзистора его коллекторный ток увел-ся вследствие роста теплового тока и выходные харак-ки транзистора смещаются вверх в область больших токов. Смещение коллекторных харак-к вверх в правой области их семейства наблюд-ся также и при постоянной внешней температуре. Это смещение может быть обусловлено разогревом транзисторной структуры повышенной мощностью, рассеиваемой коллекторным переходом ( ), и пробоем коллекторного перехода при повышенной величине напряжения на коллекторном переходе.