5.1.3. Влияние режимов работы бт на токи электродов

Связь коллекторного и эмиттерного переходов обеспечивается базовой областью, т.е. зависит от характера движения носителей в этой области. В бездрейфовом БТ оно имеет диффузионный харак­тер, т.е. определяется градиентом концентрации носителей в базе, а в дрейфовом БТ зависит еще от имеющегося в базе электрическо­го поля. Таким образом, влияние режимов работы (напряжений пе­реходов) на токи в значительной мере определяется изменением закона распределения концентрации носителей в базовой области от эмиттера к коллектору.

Бездрейфовый транзистор. На рис. 5.6 показано распределе­ние концентрации носителей в базе бездрейфового БТ. Левая гра­ница базы соответствует х = 0, а правая – х = W_Б. В состоянии равно­весия БТ U_ЭБ = U_КБ = 0. Прямая 1 соответствует равновесной кон­центрации неосновных носителей.В нормальном активном режиме прямое напряжение на эмиттерном переходе вызывает появление избыточных носителей р_изб(0) > 0, а об­ратное напряжение на коллекторном переходе – уменьшение концентрации по сравнению с равновесным значени­ем. Это изменение тоже можно назвать избыточной концентрацией, если приписать ей отрицательный знак (p_изб(W_Б) < 0). Расчет (см. § 3.4) показы­вает, что при абсолютном значении обратного напряжения |U_кб| > 3 φ_Т = 0,075 В концентрация неосновных носителей около коллекторного перехода практически падает до ну­ля, а точнее до значения, которое должно обеспечивать ток через переход. Это отражает тот физический факт, что все подошедшие к коллекторному переходу неосновные носители захватываются уско­ряющим полем перехода и переносятся в коллекторную область. Распределение концентрации в базе (кривая 2) отражает наличие градиента концентрации, который определяет направление диффу­зионного движения носителей от эмиттера к коллектору.

Плотность диффузионного дырочного тока в базе в произволь­ном сечении х

j_p(x)=qD_pdp(x)/dx(5.23)

Если потери на рекомбинацию в базе пренебрежимо малы, то плот­ность тока j_р от координаты не зависит и остается постоянной. Но это предположение означает, что dp/dx = const, т.е. распределение р(х) прямолинейное. Потеря носителей из-за рекомбинации означа­ет уменьшение плотности тока, уменьшение производной и, следо­вательно, отклонение распределения концентрации от прямолиней­ного вниз. Это отклонение при коэффициенте переноса, близком к единице (æ_Б ≈ 1), на рис. 5.5 в одном масштабе изобразить невозмо­жно, но принципиально оно существует.

В инверсном активном режиме (ИАР) переходы БТ поменя­лись ролями и распределение р(х)изображается прямой 3 (почти прямой). В режиме насыщения (РН), когда оба перехода включе­ны в прямом направлении, концентрации у границ обоих перехо­дов выше равновесного значения, так что распределениер(х) изображается прямой 4. Это распределение можно представить как сумму распределений 2 и 3 нормального и инверсного режи­мов, что и будет потом использовано для получения электричес­кой модели БТ. Наконец, в режиме отсечки (обратные напряже­ния на обоих переходах) концентрации у границ переходов прак­тически равны нулю, а в базовой области ниже равновесного зна­чения (кривая 5). Градиенты у границ переходов определяют ве­личину токов переходовI_КБ0иI_ЭБ0.

Знание характера распределения концентрации носителей поз­воляет наглядно представить влияние напряжений на переходах I_ЭБ и I_КБ на токи электродов I_Э, I_К и ток базы I_Б = I_Э – I_К. Однако при­веденное рассмотрение идеализированное, так как неявно предпо­лагалась в тексте и на рис. 5.6 независимость ширины базовой областиWб от напряжений переходов.

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 называютэффектом 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) напряженииU_ЭБ соответствует переходу от распределе­ния 1 к распределению2. 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_Бприведет также к росту коэффициента пере­носа æ_Бв базе. В случае поддержания постоянства тока эмиттера это будет сопровождаться уменьшением тока базыI_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

Дрейфовый транзистор. В дрейфовом БТ из-за наличия элект­рического поля в базе E_Б ток инжектированных носителей (дырок в р-n-р-транзисторе) состоит из диффузионной и дрейфовой состав­ляющих:

I_Эp (x)=S_Э q D_p dp_Б / dx+S_Э q μ_p p_Б(x )E_Б (5.24)

Вследствие малости потерь в базе из-за рекомбинации суммар­ный ток I_Эp практически остается постоянным (не зависит от коорди­наты), т.е. I_Эp (x) = const. Однако соотношение составляющих не ос­тается неизменным. Поясним этот вывод.

Коллекторный переход по-прежнему производит экстракцию неосновных носителей из базы, поэтому их концентрация у коллек­торного перехода (x =W_Б) очень мала и практически равна нулю (р_Б(W_Б)≈ 0). У этой границы базовой области дрейфовой составля­ющей тока можно пренебречь. Градиент концентрации приx =W_Бможно вычислить из (5.24), считаяр_Б(W_Б)≈ 0:

dp_Б(W_Б)/dx= I_Эp /S_Э qD_p (5.25)

Однако у границы базы с эмиттерным переходом (х = 0) из-за уве­личения р_Б(W_Б) обе составляющие в (5.24) становятся соизмери­мыми. Поэтому при постоянстве I_Эp вычисленное по формуле (5.23) значение градиента при х = 0 должно быть меньше, чем при x = W_Б no формуле (5.25). Таким образом, в отличие от бездрей­фового БТ распределение р_Б(x) в дрейфовом БТ должно быть вы­пуклым (рис. 5.8).

Очевидно, чем больше напряженность внутреннего поля в базе E_Б, тем меньше градиент концентрации в начале базовой области и меньше вклад в полный ток диффузионной составляющей тока в этой части базы.

Следует обратить внимание на то, что распределение концент­рации в инверсном активном режиме для дрейфового БТ качественно отличается от распределения в нормальном актив­ном режиме. Объясняется это тем, что внутреннее поле для дырок, инжектируе­мых из коллектора в базу, является тормозящим. а не ускоряющим, как в нормальном активном режиме для дырок, ин­жектируемых из эмиттера в базу. Поэтому криваяр_Б(x) будет не выпуклой, а вогнутой, а значения концентра­ции увеличатся в несколько раз (рис. 5.9).

Распределение концентрации в базе в режиме насыщения (двухсторонней инжекции) можно приближенно представить как сумму распределений при нормальном и инверсном режимах. При этом вид распределения и результирующий избыточный заряд бли­зки к инверсному режиму в отличие от бездрейфового БТ, где оно имеет вид трапеции (рис. 5.10).