Различают три режима работы биполярного транзистора. В координатах выходных характеристик (рисунок 7.29, рисунок 7.35) можно выделить три области. Область I – активный или усилительный режим работы транзистора; область II – режим насыщения; область III – режим отсечки тока коллектора.
Усилительный режим характеризуется прямым смещением эмиттера и обратным смещением коллектора: .
Ток коллектора определяется входным током:
– для схемы ОБ;
– для схемы ОЭ.
Заряд неосновных носителей в базе определяется величиной входного тока (рисунок 7.37, а).
= = – схема ОБ;
= – схема ОЭ.
Предельное напряжение в активном режиме ограничивается напряжением и тепловой гиперболой, .
Режим насыщения характеризует работу транзистора в ключевых схемах, и в частности, импульсного ключа в открытом состоянии. Этот режим соответствует прямому смещению эмиттерного и коллекторного переходов:
; ; .
Ток коллектора и эмиттера определяются суперпозицией токов инжекции и коллектирования:
; ; .
Режим насыщения характеризуется избыточным неравновесным зарядом носителей в базе и коллекторе (рисунок 7.37, б):
; ,
где зависит от толщин базы и коллектора и времени жизни носителей в этих областях.
Режим отсечки характеризует закрытый (непроводящий) транзисторный ключ. Этот режим соответствует обратному или нулевому смещению эмиттерного и коллекторного переходов:
; .
Ток утечки закрытого транзистора определяется тепловой генерацией в коллекторном переходе:
– в схеме с ОБ;
– в схеме с ОЭ.
Так как в режиме отсечки оба перехода экстрагируют неосновные носители, то результирующий заряд меньше равновесного (рисунок 7.37, в). Предельное напряжение в режиме отсечки ограничивается лавинным пробоем:
– в схеме с ОБ;
– в схеме с ОЭ.
В некоторых случаях (супербета транзистор, СВЧ-транзистор) максимальное напряжение коллектора ограничено токовым (инжекционным) пробоем или напряжением смыкания. Условием этого вида пробоя является (5.125):
.
Для уменьшения тока утечки при повышенных температурах и расширения рабочего напряжения ключа в схеме с ОЭ вплоть до , эмиттерный переход шунтируют небольшим (по сравнению с входным импедансом) сопротивлением . В мощных транзисторах по схеме Дарлингтона и тиристорах это сопротивление встраивают в виде шунтов по всей площади эмиттера и катода. Встроенный шунт позволяет подавить коэффициент передачи тока на малых уровнях инжекции (рисунок 7.38) и тем самым снизить ток утечки до уровня .
.
Одновременно наблюдается увеличение рабочего напряжения в режиме отсечки до напряжения лавинного пробоя .
а) б) в)
Рисунок 7.37 - Распределение заряда неосновных носителей в транзисторной
структуре: а – активный режим; б – режим насыщения; в – режим отсечки
а) б)
Рисунок 7.38 - Схема транзисторного ключа (а); изменение выходной ВАХ транзистора
при шунтировке эмиттера (б)
Эквивалентная электрическая схема транзистора в режиме насыщения.
Одно из основных применений транзистора – электронный ключ, который используется для построения цифровых логических схем и преобразователей энергии в источниках питания и других электронных устройствах. Схема простейшего транзисторного ключа приведена на рисунке 7.38, а. Свойства ключа в проводящем состоянии (транзистор открыт) определяются режимом насыщения. Чем меньше падение напряжения на открытом транзисторе, тем меньше потери мощности и выше КПД устройства. При увеличении тока базы ток коллектора возрастает линейно в усилительном режиме (рисунок 7.39, а).
а) б)
Рисунок 7.39 - Насыщение тока коллектора (а), и выходные характеристики транзистора (б)
При этом рабочая точка на выходных характеристиках транзистора переходит по траектории А → В → C → D (рисунок 7.39, б). При достижении тока (точка С) ток коллектора насыщается. Величина этого тока ограничена нагрузкой :
.
Индекс sat обозначает режим насыщения (saturation). Ток базы насыщения, соответствующий границе режима насыщения
определяется свойствами транзистора (В) и параметрами схемы (). Если ток базы превышает ток базы насыщения , ток коллектирования коллектора становится большим, чем допустимый ток схемы . В результате накапливается избыточный заряд дырок в p- коллекторе и лишних электронов () в базе, которые смещают в прямом направлении коллекторный переход, что, в свою очередь, вызывает инжекцию электронов в коллектор, а дырок – в базу для нейтрализации заряда и установления стационарного состояния (рисунок 7.40). В режиме насыщения внешние токи эмиттера и коллектора являются суперпозицией токов инжекции и коллектирования,
; .
Рисунок 7.40 - Энергетическая диаграмма транзистора в режиме насыщения
Напряжение на открытом транзисторе становится меньше, чем падение напряжения на одном прямосмещенном p-n переходе, что особенно важно для сильноточных ключей. В модели Эберса-Молла (рисунок 7.41)
|
где – коэффициент передачи тока транзистора ОБ в инверсном включении;
– сопротивления тела эмиттера и коллектора.
В инверсном включении роль эмиттера играет коллектор (прямосмещенный), а роль коллектора – эмиттер (обратно смещенный), ; . Индекс N означает нормальное включение. Эквивалентная электрическая схема транзистора в режиме насыщения приведена на рисунке 7.41.
Рисунок 7.41 - Эквивалентная схема Рисунок 7.42 - Режим насыщения, как суперпозиция
транзистора в режиме насыщения нормального и инверсного активных режимов
Режим работы транзистора в насыщении моделируется суперпозицией двух активных режимов в нормальном и инверсном включениях (рисунок 7.42).
Выразим токи эмиттера, коллектора и базы в режиме насыщения через токи коллектирования.
;
; (7.59)
.
Ток базы идет на поддержание инжекции из эмиттера и коллектора. Токи коллектирования связаны с напряжением соответствующего перехода.
Откуда следует:
Выразив из (7.59) и подставив в (7.60), получим:
(7.61)
При малых токах коллектора,
Отношение поэтому остаточное напряжение составляет десятки милливольт. В инверсном включении
При , остаточное напряжение составляет доли милливольта. Эта особенность инверсного включения используется в модуляторных ключах. Так как и зависят экстремально от токов коллектирования, а, следовательно, от тока базы, то и зависимость имеет экстремальный характер (рисунок 7.43).
Рисунок 7.43 - Зависимость Рисунок 7.44 - Распределение плотности тока
от тока базы инжекции коллектора в инверсном включении
Как следует из (7.61) для уменьшения необходимо увеличить инверсный коэффициент передачи тока базы или . Как и для нормального включения,
.
Так как площадь коллектора больше площади эмиттера , то при пролете базы теряется больше носителей. Кроме тока коллектирования эмиттера протекают токи рекомбинации в пассивном объеме и на поверхности квазинейтральной базы и ток рекомбинации на площади контактов базовой металлизации (рисунок 7.44)
. (7.62)
С целью увеличения коэффициента необходимо подлегировать область базовых контактов основной примесью для создания тормозящего поля за счет градиента примесей (ДНЗ), , и уменьшения рекомбинационных потерь на базовых контактах и поверхности квазинейтральной базы.
Эффективность коллектора у транзисторов со структурой или аналогична эффективности эмиттера. У транзисторов со структурой уровень легирования базы выше, чем у коллектора, и эффективность коллектора значительно ниже единицы. Поэтому величина коэффициента передачи тока базы у таких транзисторов может быть ниже единицы, . В некоторых применениях, например, модуляторных ключах, инжекционная интегральная логика и других инверсное включение является рабочим режимом и необходимо оптимизировать структуру транзистора для обеспечения на уровне 10 и более.
Рассмотрим эффективность коллектора транзистора со структурой , концентрационный профиль которого приведен на рисунке 7.45.
Рисунок 7.45 - Концентрационный профиль эпитаксиально-планарного транзистора
При прямом смещении коллектора и обратном эмиттера выражение для имеет вид:
,
где – ток прямой инжекции (полезный);
– ток обратной инжекции.
В двухслойном коллекторе существует встроенное тормозящее поле, которое отражает поток дырок, т.е. контакт эквивалентен контакту с нулевой скоростью рекомбинации ( ~ th ). Природа тормозящего поля связана с градиентом концентрации примесей на границе . Электроны «скатываются» по градиенту ; а ионы доноров неподвижны. Возникает двойной заряженный слой с полярностью тормозящего поля для дырок. Продолжив оценку эффективности, получаем:
. (7.63)
В (7.63) значения гиперболических функций заменены аргументами (). Таким образом, даже для условий можно получить приемлемую эффективность коллектора, обеспечив необходимое время жизни дырок в коллекторе . Для повышения коэффициента переноса (7.62) при полосковой топологии эмиттера целесообразно уменьшать расстояние между полосками эмиттера (гребенка) и ширину полоски базового контакта и формировать базу методом диффузии примесей с максимально допустимой поверхностной концентрацией (рисунок 7.45), что обеспечит увеличение тормозящего поля в пассивной базе.