Транзистора в режиме насыщения нормального и инверсного активных режимов
Режим работы транзистора в насыщении моделируется суперпозицией двух активных режимов в нормальном и инверсном включениях (рисунок 7.42).
Выразим токи эмиттера, коллектора и базы в режиме насыщения через токи коллектирования.
;
;
(7.59)
.
Ток базы идет на поддержание инжекции из эмиттера и коллектора. Токи коллектирования связаны с напряжением соответствующего перехода.
Откуда следует:
Выразив
из (7.59) и подставив в (7.60), получим:
(7.61)
При малых токах коллектора,
Отношение
поэтому остаточное напряжение
составляет десятки милливольт. В
инверсном включении
При
,
остаточное напряжение составляет доли
милливольта. Эта особенность инверсного
включения используется в модуляторных
ключах. Так как
и
зависят экстремально от токов
коллектирования, а, следовательно, от
тока базы, то и зависимость
имеет экстремальный характер (рисунок
7.43).
Рисунок
7.43 - Зависимость
Рисунок 7.44 - Распределение плотности
тока
от тока базы инжекции коллектора в инверсном включении
Как
следует из (7.61) для уменьшения
необходимо увеличить инверсный
коэффициент передачи тока базы
или
.
Как и для нормального включения,
.
Так как площадь
коллектора больше площади эмиттера
,
то при пролете базы теряется больше
носителей. Кроме тока коллектирования
эмиттера протекают токи рекомбинации
в пассивном объеме и на поверхности
квазинейтральной базы и ток рекомбинации
на площади контактов базовой металлизации
(рисунок 7.44)
.
(7.62)
С целью увеличения
коэффициента
необходимо подлегировать область
базовых контактов основной примесью
для создания тормозящего поля за счет
градиента примесей (ДНЗ),
,
и уменьшения рекомбинационных потерь
на базовых контактах и поверхности
квазинейтральной базы.
Эффективность
коллектора у транзисторов со структурой
или
аналогична эффективности эмиттера. У
транзисторов со
структурой
уровень легирования базы выше, чем у
коллектора, и эффективность коллектора
значительно ниже единицы. Поэтому
величина коэффициента передачи тока
базы у таких транзисторов может быть
ниже единицы,
.
В некоторых применениях, например,
модуляторных ключах, инжекционная
интегральная логика
и других инверсное включение является
рабочим режимом и необходимо оптимизировать
структуру транзистора для обеспечения
на уровне 10 и более.
Рассмотрим эффективность коллектора транзистора со структурой , концентрационный профиль которого приведен на рисунке 7.45.
Рисунок 7.45 - Концентрационный профиль эпитаксиально-планарного транзистора
При прямом смещении
коллектора и обратном эмиттера выражение
для
имеет вид:
,
где
– ток прямой инжекции (полезный);
– ток обратной
инжекции.
В двухслойном
коллекторе существует встроенное
тормозящее поле, которое отражает поток
дырок, т.е.
контакт эквивалентен контакту с нулевой
скоростью рекомбинации (
~
th
).
Природа тормозящего поля связана с
градиентом концентрации примесей на
границе
.
Электроны «скатываются» по градиенту
;
а ионы доноров неподвижны. Возникает
двойной заряженный слой с полярностью
тормозящего поля для дырок. Продолжив
оценку эффективности, получаем:
.
(7.63)
В (7.63) значения
гиперболических функций заменены
аргументами (
).
Таким образом, даже для условий
можно получить приемлемую эффективность
коллектора, обеспечив необходимое время
жизни дырок в коллекторе
. Для повышения коэффициента переноса
(7.62) при полосковой топологии эмиттера
целесообразно уменьшать расстояние
между полосками эмиттера (гребенка) и
ширину полоски базового контакта и
формировать базу методом диффузии
примесей с максимально допустимой
поверхностной концентрацией
(рисунок 7.45), что обеспечит увеличение
тормозящего поля в пассивной базе.