5.7. Специфика пробоя в биполярных транзисторах

Если любой из переходов транзистора использовать в качестве диода, то пробой этого перехода при обратном напряжении будет иметь такой же характер, как в диоде. В планарных транзисторах база легируется достаточно сильно, особенно в поверхностном слое кристалла. Поэтому для эмиттерного перехода характерен туннельный пробой при напряжении от 1 В до 4 В.

В коллекторном переходе обычно реализуется лавинный механизм пробоя, так как п- коллектор легирован сравнительно слабо. Вероятность теплового пробоя в кремниевых транзисторах мала ввиду малых обратных токов коллекторного перехода. Его можно наблюдать только при высокой температуре либо при очень плохом теплоотводе.

При использовании транзистора эмиттерный переход редко подвергается опасности пробоя, хотя для некоторых применений такую возможность следует иметь в виду.

При работе транзистора в нормальном режиме для пробоя коллекторного перехода транзистора характерны некоторые особенности. Эти особенности проявляются в зависимости пробивного напряжения от тока эмиттера или базы, а также от схемы включения транзистора. Кроме того, для транзистора характерен специфический механизм пробоя  прокол базы, когда происходит смыкание ОПЗ коллекторного и эмиттерного переходов, толщина базы стремится к нулю, а коэффициент передачи − к 1.

При включении транзистора по схеме ОБ ток коллектора в нормальном режиме определяется соотношением

. (5.7.1)

При наличии ударной ионизации электронно-дырочных пар в коллекторном переходе увеличивается любая составляющая коллекторного тока независимо от ее природы. Поэтому соотношение (5.7.1) можно записать в виде

, (5.7.2)

где  коэффициент лавинного умножения. Для лавинного механизма пробоя коэффициент умножения соответствует полуэмпирической формуле:

, (5.7.3)

гдев зависимости от типа базы.

При напряжении пробоя

. (5.7.4)

Таким образом, в схеме ОБ напряжение лавинного пробоя равно напряжению пробоя коллекторного перехода: . Вид выходных ВАХ при пробое представлен на рис. 5.5.7. Отметим, что впланарных транзисторах напряжение пробоя определяется свойствами коллектора, который легирован слабее, чем база.

При включении транзистора по схеме ОЭ заданным электрическим параметром является ток базы. Подставляя в (5.7.2) и решая полученное уравнение относительно тока коллектора, получим:

.(5.7.5)

где .Соотношение (5.7.5) показывает, что пробой происходит при условии:

. (5.7.6)

Сравнение (5.7.6) и (5.7.4) показывает, что в схеме ОЭ напряжение пробоя существенно ниже, чем в схеме ОБ. Из (5.7.3) и (5.7.6) получим:

.(5.7.7)

Для коллекторного перехода кремниевого планарного п-р-п транзистора  = 5. Таким образом, при напряжение пробоя всхеме ОЭ в 2,3 раза ниже, чем в схеме ОБ.

В заключение отметим, что коэффициент усиления тока базы зависит от тока эмиттера (раздел 5.5) и, следовательно, от тока базы. Поэтому разным значениям тока базы в схеме ОЭ соответствуют различные напряжения пробоя, что показано на рис. 5.5.7.б.

С эффектом Эрли связан еще один механизм пробоя в схеме ОЭ. Из (5.7.5) и (5.7.6) следует, что даже при отсутствии размножения носителей в коллекторном переходе () токпри. Это может иметь место из-за эффекта Эрли: при некотором напряженииколлекторый переход смыкается с эмиттерным, и. Этот эффект −прокол базы − проявляется как пробой в схеме ОЭ. Легко показать, что для транзисторной структуры с однородно легированными областями эмиттера, базы и коллектора и соотношением концентраций смыкание ОПЗ эмиттерного и коллекторного переходов произойдет при условии

. (5.7.8)

Если принять, что толщина ОПЗ эмиттерного перехода мала по сравнению с частью ОПЗ коллекторного перехода, расположенной в базе, и напряжение прокола из(5.7.8) получаем

.

Явление прокола можно наблюдать в транзисторах со слабо легированной базой, в которых смыкание ОПЗ происходит при напряжении , недостаточном для развития лавинного пробоя.

При подаче тока базы при включении ОЭ на выходной ВАХ может наблюдаться участок отрицательного дифференциального сопротивления (лавинный транзистор).

Участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением описывается уравнением

.

В мощных транзисторах может реализоваться тепловой пробой коллекторного перехода. Напряжение теплового пробоя .

В схеме ОБ: , а в схеме ОЭ:. Поэтомув схеме ОЭ напряжение теплового пробоя коллекторного перехода меньше, чем в схеме ОБ в раз.