В общем случае движение носителей в квазинейтральных областях транзистора вне ОПЗ переходов является совокупностью диффузии и дрейфа. Дрейфовое движение вызывается только внутренним электрическим полем,

образованным неравномерным легированием по глубине соответствующих областей. Наиболее часто встречается случай неравномерного легирования базовой области. Тогда при низком уровне инжекции электронов в базе, когда выполняется условие np << |NA|, на дрейфующие электроны будет действовать электрическое поле напряженностью Еб:

Внутреннее поле в базе ускоряет электроны, движущиеся от эмиттера к коллектору. Транзисторы с неоднородно легированной базой, в которой существенна дрейфовая составляющая базового тока, называют дрейфовыми.

Менее распространены бездрейфовые транзисторы с однородно легированной базой, в которой нет внутреннего электрического поля. Таким образом, в активном режиме в транзисторе протекают следующие процессы:

·инжекция основных носителей из области эмиттера через эмиттерный переход в область базы, а из базы – в область эмиттера;

·диффузионное перемещение инжектированных в базу электронов, которые являются там неравновесными неосновными носителями, от эмиттерного перехода до коллекторного;

·экстракция электронов, подошедших к коллекторному переходу, под воздействием его ускоряющего поля в область коллектора.

11.3. Распределение токов в транзисторе

Рассмотрим распределение токов в цепях биполярного бездрейфового транзистора структуры n-p-n в схеме с ОБ.

Рис. 11.5. Распределение токов в цепях биполярного транзистора

работающего в активном режиме в схеме с ОБ

Полный ток через эмиттерный переход (рис. 11.5) равен

где Iэр - дырочный ток; Iэn - электронный ток.

200

Ток, создаваемый инжекцией дырок из базы в эмиттер, замыкается во входной цепи эмиттер-база, где служит источником потерь. Эффективность эмиттера характеризуется коэффициентом инжекции (γ):

В транзисторах обычно концентрация примесей в эмиттерной области значительно больше, чем в области базы, поэтому ток электронов Iэn, инжектируемых в базу, будет практически равен полному току эмиттера Iэ.

Поскольку толщина базы гораздо меньше диффузионной длины электронов в базе, для случая низкого уровня инжекции выражение (11.3) можно привести к следующему виду:

где σб и σэ – удельные электрические проводимости соответственно базы и эмиттера; wб – толщина базы; Lрэ – диффузионная длина дырок в области эмиттера.

В реальных приборах коэффициент инжекции достигает 0,998 и выше. Для увеличения эффективности эмиттера необходимо:

·во-первых, σб << σэ, для этого степень легирования базовой области должна быть в 100 и более раз меньше концентрации примесей в эмиттере;

·во-вторых, толщина базовой области должна быть мала (порядка

10-25 мкм);

·в-третьих, время жизни дырок в эмиттере τрэ должно быть велико.

Часть электронов, инжектированных эмиттером, будет рекомбинировать в базе с дырками. Эффективность перемещения электронов через базу характеризуется коэффициентом переноса, определяющим, какая доля электронов, инжектированных в базу, достигает коллекторного перехода:

где Iкn - ток электронов, достигающих левой границы ОПЗ коллекторного n-р перехода.

Для транзистора с равномерно легированной базой и при малых значениях w/Ln можно использовать следующую аппроксимацию для коэффициента переноса:

201

Коллекторный ток состоит из управляемого тока носителей заряда,

инжектированных эмиттером и неуправляемого тока утечки коллекторного перехода Iко, обусловленного приложенным к нему обратным напряжением.

Обратный ток коллекторного перехода образует неуправляемую часть полного тока коллектора, так как он замыкается в выходной цепи коллектор−база, где служит источником потерь (рис. 11.5).

С учетом рекомбинации в базе для полного тока коллектора в схеме с ОБ можно записать следующее выражение:

где α − статический коэффициент передачи тока, характеризующий полные потери носителей при переходе из эмиттера в коллектор:

Чем выше α, тем больше усиление транзистора по мощности, поэтому

этот коэффициент называют также коэффициентом усиления транзистора в схеме с общей базой. Значение α всегда несколько меньше единицы, если не происходит лавинного умножения носителей в коллекторном переходе.

Лавинное умножение в ОПЗ коллектора при повышенном обратном напряжении приводит к увеличению всех токов, протекающих через переход, в М раз. Лавинное умножение носителей сопровождается шумами и может приводить к нестабильной работе транзистора. Такой режим не используют при усилении электрических сигналов. Он иногда используется в специально сконструированных транзисторах, в этом случае:

где M − коэффициент, характеризующий умножение неосновных носителей, дошедших до коллектора.

По аналогии со схемой ОБ в схеме ОЭ для тока коллектора можно записать следующее выражение для полного тока коллектора:

где I*к0 − начальный сквозной коллекторный ток при Iб = 0, β − коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ.

Значения α и β связаны между собой следующим соотношением:

202

Так как параметр α очень близок к единице, значения коэффициента усиления в схеме с ОЭ составляют порядка 100.

Величина I*к0 в β раз больше начального коллекторного тока Iк0 в схеме с ОБ. Последнее объясняется тем, что дырки − неосновные носители коллекторной области, экстрагированные в базу, не могут уйти через ее вывод и, скапливаясь вблизи эмиттерного перехода, создают положительный пространственный заряд. Это уменьшает высоту энергетического барьера эмиттерного перехода и приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу.

Возможен также режим для схемы с общим эмиттером, при котором Uбэ = 0, т. е. имеет место короткое замыкание между базой и эмиттером. В этом режиме ток, созданный электронами, уходящими из базы, протекая через сопротивление пассивной области базы rб, создает на нем падение напряжения, несколько снижающее высоту энергетического барьера в эмиттерном переходе. Через коллекторный переход в этом случае течет начальный коллекторный ток, величина которого много меньше начального сквозного коллекторного тока, но несколько больше обратного тока коллектора в схеме с ОБ.

11.4.Эффект модуляции ширины базы

Вактивном режиме работы транзистора коллекторный переход находится под обратным напряжением и ширина ОПЗ перехода зависит от

величины приложенного напряжения. Поскольку σб < σк, обедненный слой

расположен преимущественно в области базы и изменение его размеров приводит к изменению ширины квазинейтральной области базы. Модуляция

ширины базы транзистора под действием изменений напряжения смещения коллекторного перехода была впервые исследована Джеймсом Эрли, и поэтому данное явление называется эффектом Эрли.

Величину изменения ширины базы можно определить, дифференцируя выражение для ширины ОПЗ n-p перехода по U:

где NА − концентрация примеси акцепторной примеси в базе.

Изменение ширины базы существенно влияет на физические процессы в транзисторе.

∙Во-первых, с уменьшением w меняется вероятность рекомбинации в базе, и, как следствие, соотношение между током коллектора и током базы.

∙Во-вторых, изменяется градиент концентрации неосновных

носителей в базе, что приводит к увеличению плотности

203