5.8. Диодное включение транзисторов

В интегральных схемах транзисторные структуры используются для реализации диодных элементов. Возможны 6 способов диодного включения транзистора, показанные на рис.8. На рисунке схематично изображены структура планарного транзистора и распределения неосновных носителей заряда в квазинейтральных областях базы, эмиттера и коллектора для положительного напряжения анод-катод.

При одинаковых параметрах транзисторной структуры характеристики диодов отличаются значениями тепловых токов, барьерной емкости, диффузионной емкости (при равных токах), сопротивления базы и площадью, занимаемой элементом на кристалле.

Рис.8. Способы диодного включения планарного транзистора (структура и распределение неосновных носителей заряда при V > 0): а – база - коллектор (эмиттер оборван); б – база - коллектор (без эмиттера); в – база - эмиттер (без коллекторного контакта); г – база - эмиттер+коллектор; д – база+эмиттер - коллектор; е – база+коллектор - эмиттер –. Пунктир – распределение электронов в пассивной базе.

Сравнительные характеристики транзисторов в диодом включении сведены в таблицу 1. Значения тепловых токов определялись из уравнений модели Эберса-Молла , а диффузионная емкость оценивалась по суммарному заряду неосновных носителей в квазинейтральных областях. При этом принималось во внимание возможное накопление избыточного заряда электронов в пассивной базе (пунктир на рис. 8). Площадь элемента на кристалле уменьшается при исключении из транзисторной структуры п+-эмиттера, либо контактной п+-области коллектора.

Отметим, что минимальное значение диффузионной емкости диода достигается при объединении электродов базы и коллектора (рис. 8е). В этом случае заряд накапливается только в активной области базы и в эмиттере. Поскольку эффективность эмиттера близка к 1, накоплением заряда в эмиттере можно пренебречь, и диффузионная емкость определяется временем пролета электронов через базу, минимальным из всех времен пролета в транзисторе.

Табл. 1. Сравнительные характеристики транзисторов в диодом включении

Способ включения	Тепловой ток	Барьерная емкость	Диффузионная емкость	Сопротивление базы	Площадь
База - коллектор (эмиттер оборван)	I*E0	СC	Большая	RB + RC	Максимальная.
База - коллектор (без эмиттера)	< I2S	< СС	Малая	RB + RC	Минимальная
База - эмиттер (без коллекторного контакта)	< I*C0	СE	Максимальная	RB	Минимальная
База - эмиттер+коллектор	I1S + I2S	СЕ + СС	Большая	RB	Максимальная.
База+эмиттер - коллектор	I2S	СС	Большая	RB + RC	Максимальная.
База+коллектор – эмиттер	I1S	СЕ	Минимальная	RBRC	Максимальная.

Основные результаты

1. Напряжение на коллекторном переходе биполярного транзистора влияет на длину базы (эффект Эрли). Следствиями эффекта Эрли являются: а) конечное выходное сопротивление транзистора в нормальном режиме (сопротивление коллекторного перехода); б) внутренняя отрицательная обратная связь; в) прокол базы.

2. Сопротивление коллекторного перехода обратно пропорционально току эмиттера. В схеме ОЭ сопротивление коллекторного перехода в раз меньше, чем в схеме ОБ.Степень проявления эффекта Эрли характеризуется напряжением Эрли.

3. Прокол базы состоит в уменьшении длины базы до нуля. В схеме ОЭ прокол базы является видом пробоя, а напряжение прокола близко к напряжению Эрли и равно произведению сопротивления коллекторного перехода на ток эмиттера.

4. В эквивалентной схеме Эберса-Молла эффекта Эрли может быть учтен сопротивлением коллекторного перехода и генератором э.д.с. обратной связи в цепи эмиттера.

5. Конечное сопротивление базы вызывает эффект оттеснения эмиттерного тока к контакту базы. Этот эффект проявляется, когда падение напряжения на сопротивлении активной базы сравнимо с температурным потенциалом.

6. Коэффициент усиления тока базы зависит от тока эмиттера. При малом токе эмиттеракоэффициент усиления снижается вследствие возрастания доли тока рекомбинации в эмиттерном переходе и снижения эффективности эмиттера. При высокой плотности тока эффективность эмиттера снижается вследствие изменения граничного условия на границе базы с эмиттерным переходом, что усугубляется эффектом оттеснения эмиттерного тока. Коэффициент переноса при высокой плотности тока снижается при оттеснении эмиттерного тока к периферии эмиттера вследствие увеличения среднего времени пролета электронов через базу и снижения их времени жизни.

7. Ограничение скорости носителей заряда в базе и в коллекторном переходе увеличивает время их пролета через базу и через коллекторный переход, что приводит к увеличению диффузионной емкости . Степень проявления этого эффекта возрастает с уменьшением длины базы. При высокой плотности коллекторного тока ограничение скорости носителей приводит к заполнению коллекторного перехода и п-коллектора электронами, инжектированными из эмиттера. Этот эффект (эффект Кирка) приводит к резкому увеличению диффузионной емкости и снижению быстродействия транзистора.

8. В планарных транзисторах напряжение пробоя определяется свойствами коллектора, который легирован слабее, чем база. В схеме ОЭ напряжение пробоя существенно ниже, чем в схеме ОБ.

9. В интегральных схемах транзисторные структуры используются для реализации диодных элементов. Минимальное значение диффузионной емкости диода достигается при объединении электродов базы и коллектора