|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы Коэффициенты An и Bjv исторически были первыми величинами, которым уделялось большое внимание вследствие того, что они имеют зависимость от тока эмиттера в широком диапазоне его изменения. 6.4. Эффект оттеснения тока к краю эмиттера Одним из неприятных явлений, сопровождающих эффект высокого уровня инжекции, является оттеснение тока инжектированных неосновных носителей к краю эмиттера. Это явление имеет весьма опасные последствия, поскольку может вывести транзистор из строя. Заключается оно в следующем. По мере роста токов в транзисторе базовый ток растет быстрее, чем ток эмиттера, поскольку Лдг надает с ростом /j-:, и вследст-   TZZZZZZZZZZZZZ   Рис. 6 13. Оттеснение нижектнро-нанных носнтслен заряда к краю ..MHTiejia: а) моде,к. /р.ошистора. па ктором по-:-;к;аип iij.MenGinio с коорднпакл! напряжения на заннракацом слое эмит-горнчго перехода; и) расггределснио плотности тока п Г1Л0СК0СТИ эмиттерного перехода. вне этого возрастает падение напряжения в базе, обусловленное протеканием радиально направленного дрейфового электронного тока базы (в конструкциях транзисторов с кольцевой оазои) (рис. 6.13). Дрейфовое электрическое ноле, иапра13лснное радиально от центральной оси структуры, оттесняет ток неосновных носителей, движущихся к коллектору в направлении к внешнему краю эмиттера. В этих областях плотность тока повышается. При очень высоких плотностях тока инжектирует носители практически только наружная кольцевая область эмиттера с некоей «эффективной площадью эмиттера», значительно меньшей, чем действительная площадь эмиттера. Возникает как бы самозапирание внутренней области эмиттера. Согласно анализу, поведейибмУ Флетчером, эффект оттеснения становится более заметным с увеличением плотности тока, уменьшением степени легироваиия и толщины базы и уменьшением коэффициента передачи тока. Вследствие эффекта оттеснения в области повышенных плотностей токов высокий уровень инжекции наступает раньше. Эмиттерные кольцо  Базовые кольцо Исходмьш материал (подложка] Рис. 6Л4. Различные виды электродов транзисторных структур, предназначенных для создания приборов на большие мощности рассеяния, R которых ослаблен эффект оттеснения тока: а) кольцевая структура; б) гребенчатая структура. Чтобы ослабить эффект опеспеиии, необходимо при задан поп общей поверхности -.\nniepc; получи п> как можно бб.тьшую площадь эмиттирующей ооласти и как можио меньшее расстояние or э.М1ггтсра лх) :л.кп)о:1:1 базы. Эти условия можно выполнить, созда1зая специальные структуры транзисторов: Г10лос;;овые, кольцезые (в которых концентрические кольца -JMiiTTopa п базы чередуются между собой) и для режимов работы при очень больших токах - гребенчатые (рис. 6Л4). Эффект оттеснения сопровождается целым рядом других допо.1-нительных эффектов: 1. Усиление .поверхностной рекомбинации, пр[1вс)дян1ее к уменьшению коэффициента переноса. При уснлении гффекча оттеснения увеличивается ток носителе ii, движущихся но пппрапленню к поверхности, так как линии тока пытссятотся к H;!rjy>k!i!.iM областям эмиттера. В этом случае падение коэффициентов передачи тока .Y. Ai при больших токах должно рассматриваться в связи с эффектом оттеснения. 2. Увеличение в 1,5-3 раза диффузионной емкости эмиттера по сравнению со значением, следующим из одномерной модели транзистора. Меры борьбы с этим явлением связаны с выбором площади коллектора, большей, чем площадь эмиттера {Ас>Ак), 3. Снижение (частичное) граничных частот при высоких плотностях токов. Это явление, в свою очередь, приводит к усилению эффекта оттеснения, так как носители заряда должны проходить больший «диффузионный» путь от края эмиттера к краю коллектора. V- - - - It 4. Внутренняя тепловая нестабильность, обусловленная неоднородным распределением плотности выделяющейся мощности и, значит, неоднородным распределением температуры в плоскости коллекторного перехода, особенно в транзисторах с большой рабочей поверхностью или в структурах, состоящих нз параллельного соединения многих отдельных структур, сильно связанных между собой в тепловом отношении. По мере роста частоты сигнала базовый ток возрастает, и, следовательно, усиливается тенденция к оттеснению тока и в условиях протекания переменного тока, даже при малых постоянных токах базы. Анализ процессов в двухмерной модели показывает, что для силовых транзисторов процессы в базе могут быть охарактеризованы с помощью комплексного, падающего с ростом частоты сопротивления базы, причем во входной цепи транзистора могут возникнуть даже резонансные явления. 6. 5. Электрический прокол в транзисторе Как было показано (§ 1.1), ширина запирающего слоя зависит от приложенного напряжения, причем при увеличении запирающего напряжения область объемного заряда распространяется преимущественно в более выссч<оомную часть. Так, в транзисторе коллекторныГ] переход расширяется в основном в область базы. При дальнейшем повышении запирающего папряжсння и а коллекторе область объемного заряда продолжаег расти, проникая все глубже в область базы, пока, наконец, области объемного заряда эмиттера и коллектора пе сомкнутся. Транзистор оказывается как бы «проколо->1М» - исчезает область базы; соответствующее напря- женне иа коллекторе называется напряжением прокола (Upt) (punch -through voltage). Если воснользопаться графиком распределения концентрации неосновных носителей в базе (рис. 5.5), то легко объяснить суть явлснип, пpoнcxoдяuui при возрастании обратного смещения. При постоянном напряжении UeB-> градиент концентрации носителей с ростом обратного напряжения на коллекторе становится все больше, так что коллекторный ток растет те.м быстрее, чем дальше проникает запирающий слой коллектора в базу. Если же в эмиттере ток не протекает (холостой ход), то на эмиттере при приложении запирающего напряжения к коллектору появляется отрицательное напряжение - плавающий потенциал UeBF [уравнение (2.216)], так как концентрация неосновных носителей на границе эмиттер - база лежит ниже термодинамически равновесного значения. Повышение коллекторного запирающего напряжения приводит к сужению базы и, следовательно, к уменьшению напряжения 1,, пока, наконец, при проколе напряжения свЕв* становятся линейно зависимыми. Величина капфйжейиЯ ирокола Vpt зависит 6t кой-центрации примесей вблизи переходов, а та-кже от профиля распределения концентрации примеси в базе. Для резкого несимметричного коллекторного перехода напряжение прокола определяется соотношением (6.44) где Wq-минимальная технологическая толщина базьь Напряжение прокола характеризует состояние базовой области - ее легирование и плосшнараллельность запцрающих слоев. Это напряжение слабо зависит от состояния поверхности и вообще не зависит от схемы включения. Оно очень чувствительно к наличию в базе участков с шириной, меньшей, чем средняя ширина базы W, и очень слабо зависит от температуры, поскольку По = Мв (const). Напряжение прокола имеет сравнительно большую величину, если по крайней мере хотя бы часть базы слабо легирована. И а пряжение прокола сплавных германиевых низкочастотных транзисторов колеблется между значениями 5 и 50 В, причем транзисторы со сплавным эмиттером и коллектором или диффузионным эмиттером и коллектором имеют напряжение прокола меньше, чем Upt у сплавно-диффузионны.х транзисторов. Особенно чувствительны к эффекту прокола транзисторы с тонкой базой (германиевые высокочастотные транзисторы), которые часто имеют напряжение прокола только порядка 10 В. Для кремниевых транзисторов условия получения больших Upt более благоприятные, если учесть,J4T0 кремний имеет меньшую величину в и подвижность основных носителей. Однако следует заметить, что поскольку в кремнии и коэффициент диффузии неосновных носителей меньше, то для получения больших характеристических частот /i требуется создавать малую толщину базы, что приводит к снижению напряжения прокола. Дрейфовые транзисторы и, прежде всего, транзисторы с высокоомным эпитаксиальным слоем (в том числе и меза-транзисторы) с концентрацией носителей в базе, увеличивающейся по направлению к эмиттеру, имеют большие напряжения прокола, так как изменение ширины запирающего слоя происходит в основном в зоне коллектора. В таких транзисторах возникает новый эф- y.--V* . фш-=-файШШеМе йОсйтёлей в коллективе* кбтоый может привести к резкому возрастанию тока при напряжении, превышающем определенное критическое значение. Однако и для планарных кремниевых /г-р-п транзисторов (наблюдались участки на вольтамперных характеристиках, свидетельствующие об уменьшении сопротивления коллектора при }словиях, при которых может проявляться только эффект прокола. Эффект прокола является обратимым процессом, если имеется достаточное отраничение тока; в это!М случае прокол не приводит к разрушению транзистора. 6.6. Эффект усиления тока в коллекторе В то -время как эффект прокола связан с процессами, процсходящими внутри базовой области, увеличение электрического поля непосредственно в запирающем слое коллектора приводит к эффектам размножения носителей (см. § 1.5), которые могут быть (и часто ими и являются) причинами развития пробоя. При этом речь Нейтральная Запирающий слой область коллектора оллектора  1=1 *1 с сср ссп Рис. 6,15. Схема протекп-пия токов в коллекторной области для поясиеиия эффектов усиления тока в коллекторе. I X идет как об умножении числа носителей как в запирающем слое, так и об усилении тока в нейтральной области коллектора. Оба процесса невозможно отделить друг от друга. Ниже приводится полуколичественное их рассмотрение (рис. 6.15). Переменный ток дырок, достигающих запирающего слоя коллектора, равен 1,. Эти дырки рождают в запирающем слое вследствие размножения новые пары носителей заряда. Поэтому на выходе коллекторного запирающего слоя а" = /рс появляется ток большей величины сср который вследствие конечного времени пробега носителей через запирающий слой несколько запаздывает 198 гСгнотенйК) к току /ср. Ток 1, втекает в нейтральную область коллектора, внутри которой происходят явления, подобные имеющим место в эмиттере (эффективность эмиттера!). А именно, при наличии относительно высокоомного материала кол- лектора вследствие протекания тока 1, возникает определенное, хотя и слабое, электрическое поле, которое, в свою очередь, приводит к появлению дополнительного дрейфового тока электронов 1,, Поэтому протекающий -Lcn больше, через границу х = 1 общий ток / Сер вытекающий из запирающего слоя коллек- чем ток /, , тора. Процесс усиления тока вследствие обоих эффектов может быть описан с помощью следующих коэффициентов: сср ОсЬ= (6.45) собственный коэффициент усиления коллектора, (6.46а) коэффициент умножения в запирающем слое коллек- тора (6.466) - эффективность коллектора. На практике важнейшими случаями являются режимы работы транзистора либо при таких низких частотах, что запаздывания тока за счет размножения носителей в запирающем слое коллектора несущественны, либо при таких напряжениях на коллекторе, когда электрическое поле в запирающем слое медо, так что размножением носителей можно пренебречь, но следует учитывать время пробега носителей через запирающий слой коллектора (малые напряжения, высокие частоты). В первом случае оба коэффициента Л4 и а* становятся действи- тельными (а* обозначается при этом Л), а 7W совпадает о вышеприведенньш [уравнение (1.93)] коэффициентом 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 [ 29 ] 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 |