7.4.3. Зависимость коэффициента усиления от напряжения на коллекторном переходе

Влияние напряжения на коллекторе проявляется двумя эффектами: сужением ширины физической базы за счет расширения ОПЗ коллектора, что приводит к увеличению эффективности эмиттера и коэффициента переноса (эффект Эрли), и ударной ионизацией носителей в поле ОПЗ коллектора (лавинное размножение). Физическая толщина базы (рисунок 7.22)

,

где для транзистора с высокоомной базой.

Уменьшение толщины базы приводит к снижению рекомбинационных потерь при пролёте базы ( ) и увеличению эффективности эмиттера из-за увеличения плотности тока прямой инжекции (увеличивается градиент концентрации неосновных носителей заряда в базе). На малых токах коллектора величина В определяется потерями в ОПЗ эмиттера и на его поверхности ( ), поэтому влияние эффекта Эрли незначительно. На средних и больших уровнях инжекции изменение коэффициента усиления значительно больше (рисунок 7.23). Увеличение напряжения на коллекторе и уменьшение толщины физической базы сдвигают эффекты БУИ в область больших токов (7.24), (7.31). При малых напряжениях на коллекторе увеличение последнего приводит к подавлению эффекта квазинасыщения (7.36). В области высоких напряжений коэффициент передачи тока базы В стремится к бесконечности с асимптотой . Максимальное значение соответствует значению . При этом напряжении

а, следовательно, ток коллектора .

Величина максимального напряжения значительно ниже величины максимального напряжения в схеме с общей базой, которое ограничивается напряжением лавинного пробоя . Напряжение может быть определено из условия ,

г де

Из этого условия следует: (7.47)

Рисунок 7.23 - Зависимость B(I_C) при различных напряжениях (а) и зависимость B(U_C) при различных токах (б)

7.4.4. Зависимость коэффициента усиления от температуры

Температурная зависимость коэффициента усиления определяется следующими причинами.

1. Различными ширинами запрещенных зон эмиттера и базы, а следовательно, разными энергиями активации токов прямой и обратной инжекции.

2. Разной энергией активации тока рекомбинации в ОПЗ эмиттера и диффузионного тока прямой инжекции.

3. Зависимостью подвижности и времени жизни носителей заряда от температуры.

4. Усилением неравномерности плотности тока эмиттера и эффектов БУИ за счет увеличения паразитных сопротивлений и .

Для кремниевых транзисторов с уровнем легирования ширина запрещенной зоны эмиттера становится меньше, чем в базе (7.19).

В силу этого эффективность эмиттера экспоненциально возрастает с температурой на всех уровнях инжекции(7.18),

~ .

Причиной увеличения эффективности является разная энергия активации тока прямой инжекции ( ) и тока обратной инжекции ( ) (рисунок 7.24).

Рисунок 7.24 - Температурная зависимость тока примой и

обратной инжекций

Рисунок 7.25 - Зависимость подвижности неосновных носителей в базе от температуры

На малых уровнях инжекции основной вклад в ток базы дает ток рекомбинации в ОПЗ эмиттера (7.45)

~ . (7.48)

При довольно частом случае для кремниевых транзисторов m = 1,6 , ~ , что вызывает более сильный рост В на МУИ с температурой, чем . Однако с ростом тока коллектора вклад этого механизма в увеличение В(Т) ослабляется.

С увеличением температуры возрастает время жизни носителей заряда в базе, но одновременно снижается подвижность, которая определяется механизмом рассеяния на фононах или колебаниях атомов решетки кристалла (рисунок 7.25) , где для кремния изменяется от 2,6 для электронов (p-n-p) и 2,3 для дырок (n-p-n) при < 10¹⁵ см^–3 до 1,2 и меньше при > 10¹⁷ см^–3. Поэтому диффузионная длина с ростом температуры может возрастать, что приведёт к увеличению коэффициента переноса (доминирует увеличение времени жизни), либо уменьшается (доминирует уменьшение подвижности или коэффициента диффузии ).

С ростом температуры эффекты больших уровней инжекции сдвигаются (германиевые, кремниевые транзисторы) в сторону меньших значений токов коллектора. Это обусловлено усилением неоднородности токораспределения эмиттера из-за увеличения сопротивления , .

Кроме того с ростом температуры уменьшается значение критических плотностей тока эффективности (7.24), Кирка (7.30), (7.31) и эффекта квазинасыщения (7.36) из-за увеличения удельного сопротивления тела коллектора, что ведет к уменьшению В(Т) на больших токах коллектора.

Таким образом, на МУИ и СУИ коэффициент усиления увеличивается с ростом температуры, а на БУИ – уменьшается (рисунок 7.26).

Рисунок 7.26 - Зависимость В(I_C) при различных температурах (а) и температурной

чувствительности от тока коллектора кремниевых транзисторов (б)

Для повышения термостабильности коэффициента усиления кремниевых транзисторов необходимо умеренно легировать эмиттер ( < 2∙10¹⁹ см^–3) для нейтрализации эффекта сужения ширины запрещенной зоны эмиттера, использовать структуру с диффузионным или с дрейфовым переносим носителей заряда в базе в зависимости от температурной чувствительности времени жизни. Если время жизни слабо зависит от температуры, то предпочтительней структура бездрейфового транзистора с однородно легированной базой с относительно высокой концентрацией примесей в ней, обеспечивающей слабую температурную зависимость коэффициента диффузии . На малых уровнях инжекции необходимо снизить температурную чувствительность (7.48), т.е. в ОПЗ эмиттера должны доминировать глубокие рекомбинационные центры ( ), при которых m = 2. Как правило, кремниевые термостабильные транзисторы имеют небольшой коэффициент усиления по току (В < 30).

В гетерогенных транзисторах с широкозонным эмиттером с увеличением температуры коэффициент усиления уменьшается в отличие от гомогенных. Такое поведение обусловлено меньшей энергией активации тока прямой инжекции по сравнению с током обратной инжекции,

~ .

Эта сильная температурная зависимость компенсируется ростом с увеличением температуры. В гетерогенных транзисторах в плоскости гетероперехода существует высокая концентрация рекомбинационных центров, поэтому влияние тока рекомбинации в ОПЗ эмиттера проявляется на средних и больших уровнях инжекции. В этом случае температурная зависимость коэффициента усиления и его значение существенно зависит от технологии получения гетероперехода.