Отклонения по току

В разд. 3.4 были уже указаны некоторые токи, которые не принимались во внимание в модели Эберса-Молла: токи, возникающие в ОПЗ переходов, и ток рекомбинации на поверхности базы, учет которого несколько уменьшает величину коэффициента переноса носителей через базу (3.12):

(3.29)

где – скорость рекомбинации на поверхности; – площадь базы, на которой происходит рекомбинация; – площадь эмиттера.

В реальном транзисторе (а, следовательно, и ) нелинейно зависят от тока эмиттера (коллектора) (рис.3.9).

Рисунок 3.9– Зависимость и от тока эмиттера (коллектора)

При увеличении тока до определенной величины которая зависит от типа транзистора, коэффициент передачи тока ( ) растет (рис.3.9, область I). Рост коэффициента передачи тока обусловлен двумя причинами. Во-первых, с ростом , первопричиной которого является снижение высоты потенциального барьера эмиттерного перехода, уменьшается ток рекомбинации в ОПЗ эмиттерного p-n-перехода, а, следовательно, уменьшается , увеличиваются и . Во-вторых, с увеличением начинает выполняться условие высокого уровня инжекции. Известно, что при выполнении этого условия появляется электрическое поле в базе, что приводит к удвоению коэффициента диффузии, и, следовательно, к увеличению коэффициента переноса носителей через базу (3.13), и соответственно росту коэффициентов и . Но при высоком уровне инжекиии наряду с удвоением коэффициента диффузии увеличивается проводимость базы, что в соответствии с(3.7) ведет к уменьшению и (рис.3.9, область II). Еще одна причина, приводящая к уменьшению ( ), связана с расширением квазинейтральной области базы при высоком уровне инжекции (эффект Кирка). Наиболее слаболегированная область БТ – эпитаксиальный коллекторный слой вблизи базовой области (рис.3.10).

Этот низколегированный (эпитаксиальный) слой коллектора выполняет многие положительные функции: увеличивает пробивное напряжение транзистора, уменьшает коллекторную емкость и ослабляет действие эффекта Эрли (3.5.2). Но также благодаря этой области могут наблюдаться нежелательные последствия эффекта Кирка – расширения квазинейтральной области базы.

Поясним этот эффект на структуре мощного биполярного бездрейфового n⁺-p-n⁺транзистора (рис.3.10)

При высоком уровне инжекции (больших плотностях тока эмиттера) мы обязаны считаться с наличием заряда неосновных носителей (в данном случае электронов) в области пространственного заряда коллекторного перехода, который будет складываться с зарядом нескомпенсированных ионизированных акцепторов со стороны базы и вычитаться из заряда нескомпенсированных ионизированных доноров со стороны коллектора, расширяя тем самым квазинейтральную область базы. Таким образом, если при малых плотностях тока выражение электронейтральности ОПЗ N_аБ1·х_dp1=N_dк1·х_dn1, то при высоких плотностях тока она запишется как (N_аБ1+ n) х_dp2 = (N_dк1 – n) х_dn2

Рисунок 3.10– Изменение результирующей плотности примесной концентрации в коллекторном р-n-переходе при учете большой плотности тока

Если без учета заряда свободных носителей в ОПЗ коллекторного перехода ширина квазинейтральной области базы была , а ОПЗ коллекторного р-n-перехода занимала промежуток от до 0, то наличие этого заряда, с которым необходимо считаться при высоком уровне инжекции, увеличивает квазинейтральную область базы до величины , уменьшая часть ОПЗ коллекторного перехода со стороны базы на величину . Увеличение ширины базы приводит к некоторым нежелательным эффектам: уменьшению коэффициента усиления по току, уменьшению граничной частоты работы транзистора и т.д.

Отклонение по току от простой модели Эберса-Молла связано с эффектом оттеснения тока эмиттера на край эмиттера. Остановимся подробнее на этом эффекте, анализируя влияние его на токораспределение в БТ, на примере транзистора с кольцевой базой (рис.3.11, а).

Ток базы I_Б, который протекает от базы к эмиттеру параллельно эмиттерному переходу, представлен на рис. 3.11, а, силовыми линиями 1 и 2. Эквивалентную схему участка транзистора между выводами эмиттера и базы можно представить суммой последовательных сопротивлений базы R_Б и эмиттерного р-n перехода R_jэ (рис.3.11, б). Напряжение, равно сумме падений напряжений на отдельных участках сопротивлении базы и на эмиттерном p-n-переходе U_БЭ=I_Б R_Б +I_Б U_jэ очевидно, что сопротивление короткого участка базы R_Б1 : вывод базы –край эмиттера (силовые линии тока 1) меньше, чем сопротивление длинного участка базы R_Б2 : вывод базы – центр эмиттера (силовые линии тока 2). Так как

U_ЭБ=I_Б R_Б1 +I_Б R_jэ =I_Б R_Б2+I_Б R_jэ2 , то чем меньше напряжения падает на базе, тем большая его величина приложена к эмиттерному p-n-переходу (край эмиттера). Следовательно, высота потенциального баръера эмиттерного перехода на краю эмиттера будет меньше чем в центре эмиттера. Таким образом, ток на краю эмиттера больше чем в центре (рис.3.11, а).

(На рис.3.11, а, где J_n1 и J_n2 – плотности электронных токов на краю и в центре эмиттера, соответственно)

Рисунок 3.11– Схема, поясняющая эффект вытеснения эмиттерного тока:

а - сечение активной области транзистора, работающего в активном нормальном режиме;

б - распределение плотностей эмиттерного и коллекторного токов по длине эмиттера;

в - эквивалентная схема участка транзистора между выводами базы и эмиттера

Высота потенциального барьера уменьшена по отношению к величине барьера центральной части эмиттера, и инжекция у края эмиттера будет сильнее, чем в центре (см. рис.3.11, а). Соответствующее этому распределение плотностей эмиттерного и коллекторного тока показано на рис.3.11, б. Вытеснение тока эмиттера на край эмиттера усиливается с ростом напряжения смещения, и даже при абсолютно допустимых токах в случае равномерногоих распределения наблюдаются локальные перегревы из-за описанного эффекта. По этой причине затруднен расчет значения сопротивления, которое бы имитировало омическое падение напряжения в базовой области. Для снижения сопротивления базы (для борьбы с вытеснением эмиттерного тока) в мощных транзисторах базовые и эмиттерные контакты делают в виде больших гребенчатых структур (рис.3.12).

Рисунок 3.12– Мощный n-р-n-транзистор с гребенчатой структурой: а – разрез, б – вид сверху на металлизацию эмиттера и базы