Вплив режимів роботи на параметри транзисторів

Залежність h_21Б від струму емітера. При розгляді цієї залежності (мал. 2,а) відзначимо, що на початковій ділянці концентрація інжектованих емітером носіїв мала і велика частина їх рекомбінує в області емітерного перехіду. Відповідно ефективність емітера g невелика, мале і h_21Б. Це характерно для кремнієвих транзисторів, де внаслідок малого значення n_i струми генерації-рекомбінації істотні. З ростом струму емітера інжекційний струм (~ ехр qU/kТ), росте швидше рекомбінаційного (~ ехр qU/kТ) і gзбільшується.

З подальшим збільшенням струму емітера відбувається ріст h_21Б  з наступної причини. При інжекції дірок у базу транзистора для збереження электронейтральності через електрод бази входить така ж кількість електронів. Розподіл електронів повторює розподіл дірок (див. мал. 1,в) так само, як у базі діода. Нерівноважні електрони не можуть дифундувати під дією градієнта концентрації від емітера до колектора, тому що з емітера немає припливу електронів і порушиться электронейтральність бази поблизу емітера.

Внаслідок рівності нулю струму електронів існує електричне поле, що перешкоджає дифузії електронів. Електричне поле в базі прискорює рух дірок до колектора. З цієї причини ефективний коефіцієнт дифузії дірок при високих рівнях інжекції подвоюється

.

 Таким чином, зі збільшенням I_э швидкість дифузії дірок через базу росте, що приводить до зменшення об'ємної і поверхневої рекомбінації, а, відповідно, до збільшення коефіцієнта переносу (2.13)і росту h_21Б.

При більш високих струмах емітера виникають протидіючі явища. По-перше, збільшення концентрації електронів у базі (що входять для компенсації заряду дірок) приводить до росту інжекційного струму електронів з бази в емітер, тобто до зменшення ефективності емітера. По-друге, з ростом концентрації інжектованих дірок може зменшуватися їхній час життя, що приводить до зменшення коефіцієнта переносу (ця причина не визначальна, так як t може і збільшуватися).

Рис. 2. Залежність h_21Б від струму емітера (а) і напруги на,колекторі (б) і зміна концентрації носіїв у базі при зміні U_к (I _э = const) (в)

Унаслідок цих причин залежність h_21Б (I_э) (мал. 2,а) має максимум. Ріст h_21Б на початковій ділянці пояснюється збільшенням gза рахунок більш швидкого зростання інжекційного струму емітера в порівнянні з рекомбінаційним. Подальший ріст h_21Б обумовлений збільшенням коефіцієнта переносу b за рахунок збільшення коефіцієнта дифузії. Причиною наступного зменшення h_21Б є зменшення g (ріст електронної складової   I_э).

Вплив колекторної напруги на роботу транзистора. Оскільки колекторний n-p- перехід включений у зворотному напрямку, то з ростом U _к відбувається розширення області об'ємного заряду переходу. Як відзначалося вище, для одержання g»1 необхідно брати матеріал бази з малою концентрацією основних носіїв. Тому розширення колекторного n-p- переходу відбувається в область бази і ширина бази зменшується. Згідно (2.13) це приводить до росту h_21Б з збільшенням U_к.

Ефект зміни ширини бази під дією U_k має не тільки позитивне (ріст h_21Б), але і негативне значення. Якщо, наприклад, транзистор працює в режимі постійного струму емітера (I_Э =const), то при зміні ширини бази під дією U _к градієнт концентрації інжектованих носіїв повинен залишатися постійним, тому що I_э~Ñ_р (2.7). Тому зменшення W приводить до зменшення концентрації інжектованих носіїв на границі база — емітер (мал. 2,в, U ’’_k>U’_k), а це еквівалентно зменшенню напруги на емітерному n-p- переході (2.12). Таким чином, має місце зворотний зв'язок між напругою на колекторі і напругою на емітері, а саме збільшення напруги на колекторі приводить до зменшення напруги на емітерному n-p- переході.

Отже, можна відзначити два небажаних ефекти, що з'являються при великих I_э і U_k: зменшення g з ростом I_э і наявність зворотного зв'язку між U_k і вхідним сигналом. Причиною обох ефектів є мала концентрація основних носіїв у базі, яку не можна збільшувати, тому що при цьому зменшиться g.

Обидваці ефекти можуть бути усунуті в конструкції транзистора з гетеропереходом у якості емітера. Один з варіантів енергетичної діаграми такої структури показаний на мал. 3. Тому що в якості емітера використовується матеріал з більшою шириною забороненої зони, чим матеріал бази, потенціальний бар'єр для дірок значно більший, ніж для електронів. Це дозволяє здійснювати практично однобічну інжекцію електронів у базу при будь-яких струмах емітера. Отже, g при великих I_э не зменшується.

Рис. 3. Енергетична діаграма п-р-п- транзистора з гетеропереходом при робочих зсувах

Якщо в звичайному транзисторі для одержання g»1 необхідно область емітера легувати домішкою значно сильніше, ніж область бази, то в транзисторі з гетероемітером можна одержати g»1 і при зворотному співвідношенні. Тому область бази в такому транзисторі може бути легована значно сильніше, ніж область емітера і колектора. З ростом напруги на колекторі область об'ємного заряду розширюється в слаболеговану область, тобто в даному випадку в область колектора. Отже, ширина бази не змінюється при зміні U_к і зворотний зв'язок між входом і виходом відсутній. Якщо розрив енергії в зоні провідності більше ширини забороненої зони напівпровідника бази, то інжектовані в базу електрони можуть віддавати надлишкову енергію електронам валентної зони і переводити їх у зону провідності (Рис. 3.), тобто відбувається множення числа інжектованих носіїв. У цьому випадку коефіцієнт передачі струму h_21э може бути більше одиниці, в чому ще одна перевага транзистора з гетеропереходом у якості емітера [7].

Перші зразки діючих транзисторів з гетероемітером вже отримані, і викладені вище розуміння в загальному перевірені. Однак на шляху їхнього впровадження у виробництво стоять значні технологічні труднощі. Основною проблемою є створення бездефектної границі розділу в гетеропереході, тому що на дефектах відбувається значна рекомбінація інжектованих носіїв і g зменшується.