Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 25
Текст из файла (страница 25)
В микрорежиме, при малых токах, такое предположение не оправдано и приходится учитывать рекомбинацию в переходе. Тогда соотношение между электронной и дырочной составляющими эмиттерного тока дополнительно меняется в пользу дырочной составляющей. Иначе говоря, коэффициент инжекции дополнительно уменьшается. ЬЛ. Коэффиимеитм уемлемми тока 141 Тот факт, что рекомбинация становится существенной именно в области малых токов, объясняется следующим. Рекомбинационные потери носителей зависят от объема перехода, а значит, сравнительно постоянны. Поэтому на фоне больших потоков носителей роль таких потерь незначительна, а с уменьшением потоков она возрастает.
Большая доля рекомбинационных потерь приходится и на приповерхностный слой. Следовательно, качество обработки поверхности оказывает первостепенное влияние ка величину коэффициента икжекции в области малых токов. Типичные значения коэффициента инжекции с учетом рекомбинации в эмиттерном переходе составляют 0,99 — 0,997 в нормальном токовом режиме и 0,98 — 0,985 в микрорежиме. Коэффициенты усиления при нормальном и инверсном включениях. Перемножая коэффициенты переноса и инжекции, пренебрегая членом второго порядка малости и разлагая в ряд с точностью до членов первого порядка, получаем коэффициент усиления эмиттерного тока: 2 1 (ю) О, и ээ'о1 — е 2(ц+ 1)~,7"о,~ "эо Бэ эээ 28 Подставляя значение и в выражение (5.17) и пренебрегая членом второго порядка малости, получаем коэффициент усиления базового тока. Запишем его в виде: 1 1 о ~.
ю )У41-е '" 2(Ч 4 1)~,зо! Оо 2"э ~Уэ 2Ч (5. 26) Зависимость (5.26) позволяет сделать следующие выводы: и коэффициент усиления транзистора возрастает с уменьшением ширины базы; и при сравнительно большой ширине базы определяющую роль играет коэффициент переноса, при достаточно малой — коэффициент инжекции; и при прочих равных условиях коэффициент усиления дрейфового транзистора больше, чем бездрейфового. Коэффициенты усиления при инверсном включении не поддаются строгому анализу, так как процессы движения носителей при этом двумерные (рис.
5.10). Многие носители, инжек- 142 Глава б. Физические принципы работы транзистора н тиркстора )оо )оо о а 10 1а г)„, В 6) о,оог о,о) ол ) г„, л е) Рнс. 5.11. Зависимость коеффипиента усиления тока от рабочего режима: а — от коллекторного тока; 6 — от коллекторного напряжения тированные коллектором в пассивную область базы, не попадают на змиттер, а рекомбинируют в слое базы и на поверхности.
Поэтому инверсный коэффициент переноса хг в значительной мере определяется отношением площади эмиттера (81) к площади коллектора (8 +32+82) и может быть существенно меньше единицы. К тому же если коллекторный переход почти симметричный, то коэффициент инжекции уг тоже будет небольшим. В таких условиях инверсный коэффициент усиления сг) может составлять 0,7 и менее даже у бездрейфовых транзисторов.
У дрейфовых транзисторов благодаря влиянию тормозящего поля он еще меньше. Заметим, однако, что поскольку заметная часть носителей, инжектированных в пассивную область базы, все же доходит до эмиттера со стороны его боковой поверхности, то при оценке коэффициента хг следует пользоваться не площадью донной части эмиттера (8 на рис. 5.10), а некоторой эффективной площадью Я)+Яз, которая может в несколько раз превышать донную.
Зто способствует увеличению коэффициента хг. С другой стороны, длина траекторий у носителей, попадающих на боковую часть эмиттера, больше, чем ш, что приводит к уменьшению хг. Таким образом, инверсные параметры а) и В) всегда меньше нормальных. Однако в зависимости от структуры транзистора их значения могут меняться в довольно широких пределах. Так, коэффициент усиления В) обычно не превышает 0,5-1,5, но в специальных структурах составляет до 5 — 10 и более. Режимная и температурная зависимости. Коэффициенты а и В зависят от рабочего режима транзистора (т.е.
от тока и напряжения на коллекторном переходе), а также от температуры. Зависимости коэффициента В показаны соответственно на рис. 5.11 и 5.12. в в 2ОО 200 8.4. Коеффициеитас усилеиия тока 143 Спад коэффициента усиления в области малых токов объясняется уменьшением коэффициента инжекции из-за рекомбинации в эмиттерном переходе и поверхностной рекомбинации. Спад в области больших токов объясняется уве- -80 -40 0 40 80 Т,'С личением удельной проводимости базы Прн ВЫСОКИХ КОНцЕНтрацИяХ ИэбЫтОЧ- Рис. 8.18. Зависимость ных носителей. Этот случай равносилен иоеффилиеита тсилеиия увеличению концентрации примеси в базе, что согласно (5.24) приводит к уменьшению коэффициента инжекции.
В аналитическом вйде зависимость В(1) в области малых токов можно записать в следующем виде: (5. 27) где значение В1 соответствует току 1„, а Вз — току 1„1. Показатель степени Ю вЂ” своеобразная характеристика электрофизических свойств транзистора, его способности работать в микро- режиме. В настоящее время можно считать Ф = 6, т.е. зависимость В от тока сравнительно слабая.
Кекоторое время назад характерными значениями были Ф = 3 и даже 1т' = 2. Если положить 1„з11„= 10, то при 1т = 6 получаем Вз = 0,3 В; при М = 2 значение Вз будет на порядок меньше. Зависимость В от напряжения Уа обусловлена, во-первых, так называемым эффектом Эрли, и, во-вторых, предпробойными явлениями в коллекторном переходе. Сущность эффекта Эрли состоит в следующем.
При изменениях обратного коллекторного напряжения меняется ширина коллекторного перехода (, (см. рис. 5.3). Изменения величины („ приводят к изменению ширины базы дк если переход расширяется, то база сужается и наоборот. В наихудшем случае Лв = -Л(„(прокол базы). Изменения ширины базы влияют на целый ряд параметров транзисторов, поэтому эффект Эрли часто приходится принимать во внимание.
С увеличением напряжения У, ширина базы из-за эффекта Эрли уменьшается, а значит, коэффициент В растет. Когда напряжение У„приближается к пробивному, ток коллектора, а 144 Глава З. Ф~анчесние принципы работм траиаиетора и тнриетора значит, и коэффициент усиления дополнительно возрастают благодаря ударной ионизации в коллекторном переходе.
В этом диапазоне напряжений коэффициент усиления можно записать в виде (5.28) В = Ма/(1 — Ма), где М вЂ” коэффициент ударной ионизации. При условии Ма = 1, когда В -+ о, наступает специфическая разновидность пробоя, свойственная включению ОЭ, т.е. режиму заданного тока базы. Приравнивая значение М = 1/(1-(У~Ум)" ) значению 1/а, нетрудно получить напряжение такого пробоя (рис.
5.11, б): и =и "Т а, (5.29) где Ум — напряжение лавинного пробоя (при котором М = оо); и — показатель степени, значение которого для кремния лежит в диапазоне от 3 до 5. Напряжение Ув значительно меньше напряжения лавинного пробоя Ум, свойственного включению ОБ, т.е. режиму заданного тока эмиттера. Например, если а = 0,99 и и = 3, то Пробой может иметь место не только в результате лавинной ионизации, но и в результате сужения базы по мере роста коллекторного напряжения (эффект Зрли, см. выше). Если коллекторный переход расширится настолько, что ширина базы сделается равной нулю, то переходы транзистора сомкнутся и ток будет беспрепятственно проходить из эмиттера в коллектор, т.е.
наступит пробой. Такой эффект называют эффектом смыкания, а соответствующее напряжение — напряжением смыкания. Анализ показывает, что напряжение смыкания имеет вид: У,„= (ЧФа/2 з о з) и'о 3 (5. 30) где Ма — концентрация примеси в базе, и~с — ширина базы при У„= О. Такой вид пробоя свойствен транзисторам с особо тонкой базой. Например, если Ма 10ьз см з и юо = 0,7 мкм, то У,„= 3,5 В. Зависимость коэффициента В от температуры обусловлена главным образом температурной зависимостью времени жизни т(Т). С ростом температуры время жизни растет, а вместе с ним 145 5.5. Статические характернетики растет диффузионная длина 1.5, т.е. уменьшается рекомбинация в базе во время пролета носителей. Зто приводит к увеличению коэффициента В. Кроме того, с ростом времени жизни замедляется рекомбинация и в эмиттерном переходе, а это способствует увеличению коэффициента инжекции и коэффициента В.
5.5. Статические характеристики Исходя из того, что биполярный транзистор есть совокупность двух встречно-включенных взаимодействующих р — и-переходов, можно представить его в виде эквивалентной схемы или, как говорят, физической модели. Одна из таких моделей показана на рис. 5.13. Ее называют моделью Молла-Эберса. Модель Молла — Эберса. Эта иг1з аягг модель характеризует только активную область транзистора. Если дополнить модель резисторами, отражающими наличие пассивных областей базы и коллектора, ее использование сильно усложняется, и она теряет биполярного транзистора свою наглядность.
Модель Молла — Эберса хорошо отражает обратимость транзистора — принципиальную равноправность обоих его переходов. Зта равноправность особенно ярко проявляется в режиме двойной инжекции, когда на обоих переходах действуют прямые напряжения. В таком режиме каждый из переходов одновременно инжектирует носители в базу н собирает носители, дошедшие от другого перехода. Токи инжектируемых носителей обозначены через 1, и 1з, а токи собираемых — через ам11 и аг1з, где агг и аг — коэффициенты передачи тока соответственно пРи ноРмальном и инвеРсном включениЯх. Токи агг11 и аг11 обеспечиваются в рассматриваемой модели с помощью источников (генераторов) токаг.
1 Источник или генератор тока — понятие, широко используемое в теории злектричееких цепей. Это — дузльиый аналог источника или генератора з. д. с. Последнему в идеальном случае евойетвенно нулевое внутреннее сопротивление, а идеальному источнику тока бесконечно большое. он ззаеетко» задает ток в цепи независимо от ее сопротивления. 146 Глава З. Физические приливны работ«э транзистора и тнристора Запишем соотношения, вытекающие из рис. 5.13: 1 э 1 \ а у 1 3 1„= аи1, — 1з. (5.31а) (5.316) Будем считать, что ВАХ каждого из р — п-переходов описывается выражениями: 11 = Г о(е '~~ — 1); 12 1 о(е 1) (5.32а) (5. 326) 1эо эо 1 — аиат (5.33а) ко 1 «о = 1 — а, а, (5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
