Эффект Эрли

Вреальном БТ изменение напряжений на переходахU_ЭБ и U_КБ вызывает изменение толщины обедненных слоев перехода и сме­щение границ базовой области, т.е. изменение ширины базовой области. Это явление называют эффектом Эрли. Особенно заметно изменение ширины базы при подаче обратных напряжений на пере­ходы. В нормальном активном режиме, когда на эмиттерном перехо­де прямое напряжение, а на коллекторном обратное и сравнительно большое по величине, толщина коллекторного перехода значитель­но больше, чем эмиттерного, и влиянием смещения границы эмиттерного перехода можно пренебречь. Поэтому увеличение (по моду­лю) обратного напряжения U_КБ будет приводить к расширению коллекторного перехода и сужению базовой области.

К каким же последствиям может привести эффект Эрли? Для оп­ределенности рассмотрим увеличение обратного напряжения U_КБ, приводящее к уменьшению ширины базовой области W_Б.

1. Уменьшение W_Б вызовет рост градиента концентрации неос­новных носителей в базе и, следовательно, рост тока эмиттера. На рис. 5.7 увеличение модуля |U_КБ| от |U_КБ1| до |U_КБ1| при постоянном (заданном) напряжении U_ЭБ соответствует переходу от распределе­ния 1 к распределению 2. Так как θ_Э2 > θ_Э1 (увеличение градиента), то I_Э2 > I_Э1.

2. В ряде случаев при изменении U_КБ требуется сохранить ток эмиттера. Чтобы вернуть I_Э от значения I_Э2 к значению I_Э1, необходимо уменьшить напряжение на эмиттерном переходе до зна­чения, при котором градиент вернется к исходному значению (θ_Э3 = θ_Э1), а распределение изобразится прямой 3 (A'C), параллель­ной прямой АБ.

3. Уменьшение W_Б приведет также к росту коэффициента пере­носа æ_Б в базе. В случае поддержания постоянства тока эмиттера это будет сопровождаться уменьшением тока базы I_Б. Однако мож­но доказать, что I_Б также уменьшится, но в меньшей мере, если I_Э не возвратится к исходному значению.

4. Увеличение коэффициента переноса при уменьшении W_Б оз­начает некоторый рост статических коэффициентов передачи α и β.

5. Рост α и I_Э при уменьшении W_Б приведет к увеличению колле­кторного тока (5.11): I_К = α I_Э + I_КБО. Так как α ≈ 1 и его рост относи­тельно мал, даже если он достигнет предельного значения (α = 1), то основное влияние окажет рост I_Э.

6. В ряде случаев требуется при уменьшении ширины базы из-за эффекта Эрли сохранять неизменным ток базы. Для компенсации произошедшего уменьшения I_Б необходимо дополнительно увели­чить I_Э (т.е. общий поток инжектированных в базу носителей) в соот­ветствии с формулой (5.17):

I_Б = (1–α)I_Э –I_КБ0

5.2. Электрическая модель биполярного транзистора в статическом режиме (модель Эберса - Молла)

Модель основывается на известных уравнениях для токов через переходы в нормальном активном (5.11) и инверсном активном ре­жимах работы БТ:

I_KN = α_NI_ЭN + I_КБО (5.26)

I_ЭI = α_II_KI + I_ЭБО (5.27)

где I_KN, I_ЭN – токи коллектора и эмиттера при нормальном включе­нии БТ (прямое включение эмиттерного перехода, обратное – кол­лекторного); I_ЭI, I_KI – токи эмиттера и коллектора в инверсном вклю­чении БТ (прямое включение коллекторного перехода, обратное – эмиттерного); α_N, α_I – коэффициенты передачи тока эмиттера и кол­лектора при нормальном и инверсных включениях; I_КБО, I_ЭБО – на­чальные токи коллектора (при I_ЭN = 0) и эмиттера (при I_KN = 0)

Уравнения (5.26) и (5.27) отражают важнейшую особенность БТ: инжектированный любым переходом носитель, пройдя через базовую область, проходит через другой переход при любом зна­ке напряжения на последнем. Другими словами, переходы не представляют барьера для подходящих к ним неосновных носи­телей базовой области, т.е. обеспечивается взаимодействие обоих переходов.

Это дало основание Эберсу и Моллу использовать принцип су­перпозиции и рассматривать токи эмиттера и коллектора как сумму двух составляющих. При этом одна составляющая каждого тока за­висит от напряжения на эмитгерном переходе, а вторая – от напря­жения на коллекторном переходе

На рис. 5.11,а показана модель Эберса-Молла для БТ типа р-n-р, а рис. 5.11,б поясняет связь элементов модели со структурой транзистора. Штриховой линией на рис. 5.11,б выделена основная (идеализированная) часть модели, которая содержит два диода и два зависимых источника тока. Точками Э, Б, К отмечены выводы электродов реального БТ – эмиттера, базы и коллектора, а Э', Б' К' – «внутренние» точки идеализированного БТ. Между точками Э и Э' изображается омическое сопротивление эмиттерной области R_ЭЭ', между К и К' – сопротивление коллекторной области R_KK',а между Б и Б' – сопротивление базовой области для базового тока R_ББ'. Соот­ветственно токи эмиттера I_Э и коллектора I_K протекают через Rээ' и R_KK' и создают на них падение напряжения.

Один диод (D_Э) будем называть эмиттерным диодом, а второй (D_K) – коллекторным. Оба диода в модели включены в прямом на­правлении, так что изображенная модель соответствует режиму насыщения БТ Прямые напряжения на диодах при указанных на рис 5.11 направлениях токов

U_Э’Б’ = U_ЭБ – I_ЭR_ЭЭ’ – I_БR_ББ’ (5.28)

U_К’Б’ = U_КБ + I_KR_KK’ – I_БR_ББ’ (5.29)

где U_ЭБ и U_КБ – напряжения источников питания.

Токи диодов I_Э и I_K определяются по известным уравнениям ВАХ:

(5.30)

(5.31)

где I'_ЭО и I'_КО – обратные (тепловые) токи диодов при таких обрат­ных напряжениях U_Э'Б' и U_К'Б', когда | U_Э'Б'| >> m_Эφ_Т, a |U_К'Б'| >> m_Кφ_Т; m_Э и m_К – коэффициенты неидеальности ВАХ диодов (m_Э = 1..2, m_К = 1..2), учитывающие влияние рекомбинационно-генерационных токов в р-n-переходах. В простейшем случае полагают m_Э = m_К = 1 (см. § 3.5.1).

В формулы (5.30) и (5.31) независимо от типа БТ (р-n-р или n-р-n) напряжения подставляются с плюсом при прямом включении пере­хода (диода) и со знаком минус – при обратном. Положительным на­правлением токов диодов считается направление их прямых токов, т.е. от p-области к n-области.