Инжектируемых эмиттером

Вольт-амперная характеристика МДМ-структуры при наличии ТОПЗ ( 2.2) нелинейная и состоит из нескольких участков. Величина тока и вид вольт-амперной характеристики зависят от соотношения между концентрациями равновесных и инжектируемых носителей. При малых напряжениях (участок / вольт-амперной характеристики) доля инжектированных носителей мала по сравнению с равновесной концентрацией, поэтому изменение тока подчиняется закону Ома (участок / — линейный).

Процесс изменения прямого напряжения f/np на диоде ( 5.5, в) характеризуется резким броском напряжения в момент 4- Это объясняется высоким сопротивлением базы. По мере увеличения числа инжектированных носителей это сопротивление уменьшается до значения, определяемого прямым током. Промежуток времени, в течение которого прямое напряжение становится равным Г,2[/уст (?/уст—.установившееся значение), называется временем установления прямого сопротивления перехода ?уст.

После подачи через эмиттер импульса в прямом направлении ток коллектора появляется не сразу из-за конечного времени пролета инжектированных носителей до коллекторного перехода и наличия барьерных емкостей ( 6.14, а). Время; на которое появление коллекторного тока отстает от эмиттерного, называют временем задержки /зд. Процесс установления тока коллектора характеризуется временем нарастания 1кр. Это время затрачивается на диффузионное перемещение через базу инжектированных в нее носителей. Следует заметить, что 4д относительно мало и во многих случаях при приближенных расчетах им пренебрегают.

3. Избыточные шумы обусловлены поверхностными явлениями и имеют шумовую мощность, обратно пропорциональную частоте, поэтому их иногда называют шумами типа 1//. С ростом частоты мощность этих шумов падает, и при частоте свыше 5 кГц их влиянием можно пренебречь. При низких (звуковых и инфразвуковых) частотах интенсивность избыточных шумов резко возрастает. В области коллекторного перехода они зависят от флуктуации поверхностной утечки, а следовательно, от толщины перехода и коллекторного напряжения. В области эмиттерного перехода этот шум обусловлен флуктуациями поверхностной рекомбинации инжектированных носителей, поэтому он зависит от тока эмиттера.

В несимметричных р-л-переходах концентрация инжектированных носителей из эмиттера в базу гораздо больше, чем в обратном направлении. Параметром, характеризующим однонаправленность ин-жекции, является коэффициент инжекции у. Для рассматриваемого нами перехода можно записать

Небольшой наклон выходных характеристик в их рабочей части свидетельствует о слабом влиянии напряжения l/K 3 на движение инжектированных носителей заряда к коллекторному переходу, поскольку они перемещаются в толще базы главным образом за счет диффузии, а ускоряющее электрическое поле почти не влияет на движение этих зарядов.

При изменении прямого напряжения, подаваемого на полупроводниковый диод, изменяется концентрация инжектированных носителей заряда, а следовательно, значение отрицательного заряда — Q, накапливаемого в р-области, и положительного заряда + Q в «-области. Такое изменение зарядов в диоде воспринимается внешней цепью как электрическая емкость, которая называется диффузионной емкостью CD,

поскольку она обусловлена диффузией инжектированных неосновных носителей заряда: CD = dQ/dU, где Q — заряд инжектированных неосновных носителей, который может быть найден интегрированием распределения инжектированных носителей (2.56), (2.57). С учетом (2.52), (2.53), (2.36), (2.37) получим

На 2.29, в показано изменение тока при переключении диода. При прямом смещении через диод проходит прямой ток /пр, сразу же после переключения ток изменяет направление на обратное. В начальный момент обратный ток может существенно превышать статический обратный ток /s. По мере рассасывания инжектированных носителей заряда обратный ток стремится к /s и достигает его в течение времени твоо, называемого временем восстановления обратного сопротивления.

При подаче на диод импульса тока ( 2.29, д) напряжение на переходе будет изменяться, как показано на 2.29, е. В начальный момент (t = 0) падение напряжения на переходе будет наибольшим. Напряжение на переходе спадает во времени, достигая при / = туст стационарного значения. Величина туст называется временем установления прямого сопротивления. Снижение падения напряжения на переходе ( 2.29, е) связано с тем, что по мере прохождения прямого тока повышается концентрация носителей заряда в переходе и в результате снижается падение напряжения на нем. После отключения импульса тока напряжение на переходе будет спадать во времени ( 2.29/, е). Длительность спада среза импульса напряжения определяется длительностью процессов рассасывания неравновесных носителей заряда. Нетрудно видеть, что переходные процессы в диодах определяют их быстродействие, являющееся важнейшим параметром приборов, используемых в импульсных и цифровых схемах. Для повышения быстродействия диодов необходимо уменьшить параметры твос и туст, которые определяются процессами накопления и рассасывания инжектированных носителей заряда. Поэтому для увеличения быстродействия в первую очередь необходимо уменьшать время жизни неосновных носителей заряда и диффузионную емкость /?-/г-перехода. Значение твос можно снизить, уменьшая толщину базы диода.

Схема инжекции определяет расположение области введения инжектированных носителей заряда относительно об-ратносмещенного р-л-перехода. Некоторые примеры схем инжекции приведены на 3.18, а — е.

рекомбинации, в базу из внешней цепи проходят новые электроны, которые образуют ток базы /д. Толщина базы составляет не более 0,1 мм, а для некоторых транзисторов — не более нескольких микрометров. Область базы обычно выполняется из «-полупроводника с малым содержанием донорных примесей, что свидетельствует о низкой концентрации свободных электронов в базе. Поэтому лишь немногие дырки, попавшие в базу, рекомбинируют с ее электронами. Подавляющая часть дырок (в лучшем случае до 99,8%) под действием теплового движения (диффузии) успевает дойти до коллекторного перехода. Здесь дырки попадают в зону действия • электрического поля, созданного контактной разностью потенциалов и внешним напряжением Ек, приложенным к участку база — коллектор. Так как потенциальный барьер коллекторного перехода не препятствует движению через него неосновных носителей, то пришедшие в базу из области эмиттера и достигшие коллекторного перехода дырки (неосновные носители в я-области) поступают в коллектор, создавая ток коллектора /к- Таким образом, поток дырок, инжектируемых эмиттером, распределяется в транзисторе между двумя областями — базой и коллектором. Следовательно, ток эмиттера равен сумме токов коллектора и базы:

Ток коллектора /к будет почти равен току эмиттера 1Э, так как он в основном определяется количеством носителей, инжектируемых эмиттером (за исключением небольшой части носителей, рекомбинируемых в базе). Поэтому характеристики прямолинейны, почти горизонтальны и расположены на равных расстояниях одна от другой. Характеристики имеют очень слабый наклон, который резко увеличивается лишь в области, близкой к пробою. Это объясняется тем, что с ростом С/Кб будет увеличиваться ширина коллекторного перехода, а следовательно, уменьшаться толщина базы, что приводит к уменьшению количества носителей, успевающих рекомбинировать в области базы, и к росту тока 1К. При большом напряжении ?/Кб может произойти пробой коллекторного перехода.

Если в выходную цепь включить нагрузочный резистор /?„ для выделения мощности ( 2.8, в), то падение напряжения на нем создаст прямое смещение коллектора. В этом случае наряду с собиранием инжектируемых эмиттером электронов будет происходить инжекция электронов самим коллектором. В результате

Все эмиттеры первого располагаются в общей базе. Активные области баз, лежащие под эмиттерами, соединены пассивной областью базы между эмиттерами. Коэффициенты передачи тока через пассивные участки базы должны быть малы для ослабления взаимного влияния эмиттеров, что достигается значительным увеличением пассивной части базы. Поэтому большая часть неосновных носителей, инжектируемых эмиттером в пассивную часть базы, улавливается коллектором независимо от соотношения между диффузионной длиной и расстоянием между соседними эмиттерами. Кроме того, количество электронов, инжектированных в активную базу, гораздо больше числа электронов, инжектируемых в пассивную базу, так как площадь р — п перехода участка эмиттер — активная база гораздо больше площади перехода участка эмиттер — пассивная база.

Распределение токов внутри объема транзистора показано на 5.5, б. Через W обозначена толщина базы. Как указывалось выше, толщина базовой области должна быть небольшой, значительно меньше длины свободного пробега носителя электрического заряда LP или Ln (см. § 2.2). Поэтому значительная часть дырок, инжектируемых эмиттером, пролетает сквозь базу до коллекторного перехода, подхватывается ускоряющим полем, созданным источником ?„, и перебрасывается в коллектор, создавая в его цепи ток а/э, где а — коэффициент пропорциональности. Значение этого тока близко к единице и сильно зависит от толщины Оазы W, размеров переходов и материала полупроводника. Чем большим по площади будет коллекторный переход по сравнению с эмиттерным, тем меньше будет вероятность дырки рекомбинировать в объеме базы. Рекомбинированная часть дырок создает рекомбина-ционную составляющую тока эмиттера, равную (1—<х)/э. «Собирательные» функции коллектора (собирать инжектируемые дырки) и определили его название (от лат. collector — собиратель) и конструкцию.

На 5.8, б показано токораспределение внутри транзистора. Поскольку толщина базы невелика и значительно меньше пути свободного пробега дырки Lp, то основная часть дырок, инжектируемых эмиттером, пролетает сквозь базу до коллекторного перехода и подхватывается ускоряющим полем Ек. В коллекторной цепи образуется ток, величина которого пропорциональна числу дырок, достигших коллектора. Кроме этого, в цепи коллектора протекает собственный обратный ток коллекторного перехода [KQ, обусловленный экстракцией неосновных носителей из области базы в область коллекторов. Общий ток в коллекторной цепи

имеется вторая составляющая фототока: уход дырок из базы приводит к образованию в ней нескомпенсированного отрицательного объемного заряда и к снижению потенциального барьера эмиттера, в результате чего увеличивается число дырок, инжектируемых эмиттером в базу, а следовательно, и число дырок, переходящих из базы в коллектор.

заряда. Неосновные носители заряда базы (дырки) через коллекторный переход переходят в коллектор и обратный ток перехода увеличивается на ток, образованный дырками базы (часть фототока, аналогичная фототоку диода). Однако в фототранзисторе в отличие от фотодиода имеется вторая составляющая фототока: уход дырок из базы приводит к образованию в ней нескомпенсированного отрицательного объемного заряда и к снижению потенциального барьера эмиттера, в результате чего увеличивается число дырок, инжектируемых эмиттером в базу, а следовательно, и число дырок, переходящих из базы в коллектор.

дел 2.2). Поэтому значительная часть дырок, инжектируемых эмиттером, пролетает сквозь базу до коллекторного перехода, подхватывается ускоряющим полем, созданным источником Ек, и перебрасывается в коллектор, создавая в его цепи ток а/э, где а — коэффициент пропорциональности. Значение этого тока близко к единице и зависит от толщины базы W, размеров переходов и материала полупроводника. Чем большим по площади будет коллекторный переход по сравнению с эмиттерным, тем меньше будет вероятность дырки рекомбинировать в объеме базы. Рекомбини-рованная часть дырок создает рекомбинационную составляющую тока эмиттера, равную (1 — ос)/э. «Собирательные» функции коллектора (собирать инжектируемые дырки) и определили его название (от лат. collector— собиратель) и конструкцию.

пути свободного пробега дырки Lp, то основная часть дырок, инжектируемых эмиттером, пролетает сквозь базу до коллекторного перехода и подхватывается ускоряющим полем Ек. В коллекторной цепи образуется ток, значение которого пропорционально числу дырок, достигших коллектора. Кроме того, в цепи коллектора протекает собственный обратный ток коллекторного перехода /к0, обусловленный экстракцией неосновных носителей из области базы в область коллекторов. Общий ток в коллекторной цепи

Теперь рассмотрим процессы, происходящие при протекании прямого тока через транзистор. Прежде всего интересен так называемый режим больших токов, когда концентрация инжектируемых эмиттером дырок становится сравнимой с равновесной концентрацией электронов в базовой области. При этом используется термин — высокий уровень ин-жекции, всегда характерный для силовых структур. Особенностью данного режима является возникновение электрического поля в области базового слоя. С одной стороны, это приводит к уменьшению сопротивления базового слоя и, следовательно, к уменьшению коэффициента ин-жекции, с другой — повышается скорость перемещения носителей через базу, что увеличивает коэффициент переноса. Так как коэффициент передачи тока транзистора от эмиттера к коллектору а является произведением двух упомянутых величин, их противоположное воздействие приводит к появлению точки максимума а при увеличении рабочего тока транзистора с тенденцией заметного уменьшения в области больших токов. Аналогично аедет себя коэффициент передачи тока базы р, имеющий однозначную связь с коэффициентом а ( 2.5). Таким образом, спад коэффициентов передачи токов определяет предельно допустимый ток биполярного транзистора. Значение р в режиме больших токов составляет для силовых транзисторов всего несколько единиц, что требует значительных затрат мощности управляющего сигнала для поддержания открытого состояния ключа.

Зависимость й21б от тока эмиттера. При рассмотрении этой зависимости ( 3.2,а) видно, что на начальном участке (вблизи 0) концентрация инжектируемых эмиттером носителей мала и большая часть их рекомбини-рует в области эмиттерного перехода. Соответственно эффективность эмиттера у невелика, мало и hz\s- Это характерно для кремниевых транзисторов, где вследствие