Стационарные режимы работы транзистора

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)

 

(7.58)

              ;

                                                                                      

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.