ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 243
Скачиваний: 1
Рис. 7.3. Выходная вольт- |
Область |
насыщения |
|
Активная |
||||
амперная характеристи |
х |
|||||||
ка |
для |
высоковольтных |
|
|
|
область |
||
транзисторов |
с |
широким |
|
|
|
|
||
высокоомным |
слоем. |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
U о |
|
|
|
|
Эберс и Молл [981 |
|
|
|
|
|||
в |
1954 |
г. предложили |
0,8 |
|
|
|
||
рассматривать |
сплав |
|
|
|
||||
fis' |
-<к^к|т |
-о |
|
|||||
ные транзисторы в ре |
|
|||||||
жиме |
насыщения как |
|
|
|
|
|||
совокупность |
двух |
О," |
|
|
|
|||
прямо смещенных р-п |
|
|
|
|
||||
переходов — эмиттер |
2,0 |
%0 |
|
і/кз,в |
||||
ного и коллекторного, |
|
|
|
|
||||
которые одновременно инжектируют в базу неосновные носители. Таким образом, в режиме насыщения работают как бы два незави
симых транзистора — нормальный с обычным коэффициентом пере |
|
дачи а |
(эмиттер инжектирует, a коллектор собирает неосновные но- |
, сители) |
и инверсный с коэффициентом передачи а/ (коллектор ин |
жектирует, a эмиттер собирает неосновные носители). Коэффициент
передачи тока в нормальном активном режиме а всегда |
значитель |
но больше инверсного коэффициента а{, так как площадь коллекто |
|
ра 5к всегда в несколько раз больше площади эмиттера 5 э |
и поэтому |
не все носители, инжектированные из коллектора при работе в ин версном активном режиме, попадают в эмиттер. Этот подход можно считать оправданным для сплавных транзисторов, в которых эмит-
терный и коллекторные слои сильно легированы |
{Nа « |
1019 см - 3 ), |
||||||
а база высокоомная |
(Nda |
œ |
1015 см- 3 ). |
В |
кремниевых |
планарных |
||
транзисторах |
коллекторный |
слой более |
высокоомный, |
чем база |
||||
[Nак%ЪЛ01Ъ |
см - 3 , |
Na |
(х) « |
1017 -і- 1016 |
см3 ), |
поэтому |
в режиме |
|
глубокого насыщения |
коллекторный р-п |
переход исчезает, а в кол |
||||||
лекторном слое происходит накопление подвижных носителей (р (х), п (х) > Na«)- В этом случае использование простых уравне ний Эберса—Молла [98], особенно для высоковольтных приборов, нельзя считать полностью оправданным.
Впервые влияние высокоомного слоя на вид выходных харак теристик в режиме насыщения экспериментально наблюдалось в ра боте [971; теория возникновения двух участков на этих кривых рас сматривалась в [99] при допущении одномерности потоков носите
лей |
в коллекторном |
слое. |
|
|
|
||
щих |
Напряжение £/к я |
„ является важным параметром |
переключаю |
||||
транзисторов. |
При работе |
в ключевых схемах напряжение |
|||||
насыщения UКэ н должно быть достаточно малым (UK3H<^ |
0,1 |
В). Па |
|||||
раметр |
и к э п зависит от токов / к н |
и IQ И конструктивных |
параме |
||||
тров транзистора S3, |
tn0, рп. Представляет большой |
практический |
|||||
интерес |
получить |
в |
явном виде |
зависимость / к н = |
I к |
(UK9S)\і., |
|
которая |
учитывала бы |
параметры высокоомного коллекторного |
слоя (рп |
и / п 0 для п-р-п |
транзистора). В § 4.2 мы рассматривали |
весьма близкую задачу — определение зависимости Вст = /к//б — = / (/ к ) при заданном напряжении ІІКЭ или іУк б . Предположим, для простоты, как и в гл. 4, что: 1) неоднородность в распределе нии плотности тока под эмиттером пренебрежимо мала; 2) в высокоомном слое мало боковое растекание коллекторного тока и считаем задачу одномерной, поскольку толщина этого слоя Іп0 обычно сравнима с размерами эмиттера; 3) в коллекторном слое соблюдается условие квазинейтральности, например для п-р-п
транзистора |
п (х) та р (х) + |
NdK; 4) коллекторный ток значитель |
||
но |
больше |
базового ( / к н ^ |
10/6 )*'- |
|
|
Когда транзистор находится в режиме насыщения, |
напряжение |
||
на |
коллекторном р-п переходе прямое (£/„ р . п ^ 0) и |
концентра |
||
ция дырок на границе этого перехода и квазинейтрального базово
го слоя больше равновесного значения рп, |
т. е. р (х«) > рп |
= |
|
n*/NdK. |
||||||
|
Следовательно, в режиме насыщения в планарных транзисторах, |
|||||||||
как показано в § 4.2, возникает новая составляющая базового |
тока |
|||||||||
Ір |
0О> |
обусловленная |
инжекцией |
дырок |
в высокоомный |
слой. |
||||
(В случае активного режима базовый |
ток |
согласно гл. |
3 |
состоит |
||||||
из составляющих: Ір (х'э) — инжекция |
дырок в эмиттер, |
Іг |
р.п |
— |
||||||
рекомбинация электронов и дырок |
в |
эмиттерном р-п |
переходе, |
|||||||
/би |
+ /бп |
+ lös — рекомбинация электронов—дырок |
в |
|
объеме |
|||||
активной и пассивной |
баз и на поверхности пассивной |
базы.) |
|
|||||||
Распределение инжектированных дырок в высокоомном коллек торном слое описывается формулой (4.53). При сильном насыщении,
когда |
р (x) > |
N du |
и UK р.п |
та срк к , выполняется |
неравенство |
|
р (х'к) |
> l/2NdK |
In (р (х)Ір (Хк) |
и |
распределение дырок согласно |
||
(4.53) |
линейно: |
|
|
|
|
|
|
|
р(х) |
= р ( х к ) - ( | |
/к \/2qDn ) (x-xï). |
(7.12) |
|
Если р (x) > NdK |
только в части высокоомного слоя х'к < х < ; |
|||||
< х', прилегающей к коллекторному р-п переходу, то линейное рас |
||||||
пределение (7.12) справедливо слева от точки х', в которой р (х') |
= |
= NdR (рис. 7.4). В оставшейся части (хк < x < х„) р (x) < |
NdK |
распределение дырок оказывается согласно (4.53) экспоненциальным:
|
р(х)^е2 Л^г і к ехр |
(x—x') . |
(7.13) |
|
|
|
qNdK Dn |
|
|
Это можно доказать следующим |
образом. |
Поскольку |
|
|
NdK |
= Р (хк) - у - NdK In |
+ - |
i - Js- (x' - |
xK ), (7.14) |
*' Режим |
/ к н = 10 /б является |
типичным |
при работе |
транзисторов |
в логических схемах.
180
то, вычитая из уравнения (4.53) уравнение |
(7.14), находим NdK |
— |
|||
— р (х) = |
-~1/2NdK In (NdJp (x)) + V 2 / K (x' |
— |
x)lqDn. Отсюда |
при |
|
p (x) <t,NdK |
получаем |
равенство (7.13). |
|
|
|
В случае слабого |
насыщения (p (x'^INdK |
< |
1) экспоненциаль |
||
ная зависимость (7.13) имеет место во всей толще высокоомного коллекторного слоя.
При любой степени насыщения граничная концентрация дырок р (х'к) зависит от плотности коллекторного тока / к и падения напря
жения |
на высокоомном слое Uк |
С л |
по формуле (4.55). |
|
|
|
||||||||||||
|
Граничную |
концентрацию |
дырок р |
(х",) можно выразить через |
||||||||||||||
дырочную |
инжекционную |
составляющую базового |
тока Ір |
(х*) |
= |
|||||||||||||
= у |
( Х к ) 5 э и коллекторный ток |
/ К |
н |
== | у ' к | 5 э . В |
самом |
деле, |
из |
|||||||||||
уравнения |
(4.57) легко находим |
|
• |
|
|
— - |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
Р(Хк) |
|
N,du |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
(7.15) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
qZ |
St |
Dn NdK |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Составляющая базового тока Ір |
(х^) |
связана с полным базовым |
||||||||||||||||
током |
/ б |
простым |
соотношением |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
Ір(Хк) |
= |
Іб — / б — / б — |
IKJB'CT, |
|
|
(7.16) |
||||||||
где |
бет — коэффициент |
усиления |
по току в схеме с общим эмит |
|||||||||||||||
тером |
при Uк |
р . |
п |
^ |
0, |
т. е. |
в активном |
режиме, |
при |
заданном |
||||||||
токе |
коллектора |
/ К н . |
Введем также |
важный |
параметр, |
характери |
||||||||||||
зующий режим |
насыщения, — степень |
насыщения |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ѵ = / б |
ß c ' T / / B |
|
|
|
|
|
(7.17) |
||||
Очевидно, в активном режиме |
Ік |
= В'стІб |
и ѵ = 1 , |
а в |
режиме |
|||||||||||||
насыщения |
/ K H < ß c T |
І§ |
и |
ѵ > 1 . |
Как |
уже отмечалось |
выше, в ло |
|||||||||||
гических схемах |
обычно |
/ к п х |
10/б |
|
и |
поэтому ѵ я» 3 — 5 |
при |
ти |
||||||||||
пичных |
значениях |
ß c ' T = ^ 3 0 = f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Рис. 7.4. Распределение концентрации дырок в высокоомном слое п-р-п транзистора, находящего ся в режиме насыще ния:
1 |
—' участок |
линейного |
рас |
||
пределения |
дырок |
р(х) = |
|||
= |
Р (*к> |
- |
( | / к | / 2 ? О п ) |
( X - |
|
—хк )'• 2 — участок |
экспонен |
||||
циального распределения |
ды |
||||
|
рок |
р(х) |
= е2ЫакехрХ |
|
|
Xl—{\iK\q/Nd«Dn(.x-x')].
181
С учетом (7.17) выражение (7.16) перепишем в следующем виде
|
|
/ в |
/ б 5с |
|
— 1 |
- Z T - ( v - l ) . |
(7.18) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
•бет \ Л<н |
|
|
о с т |
|
|
Подставляя (7.18) в (7.15), окончательно получаем |
|
||||||
Р(Хк) |
V |
1 + |
gS8 |
Dn |
NdK |
а (у - 1 ) 4 Д „ Т р — 1 |
.(7.19) |
|
|
Вст |
|
||||
Из уравнения (4.55) с учетом (7.19) находим падение напряже ния на высокоомном слое, сопротивление которого модулировано инжектированными из базы дырками:
Фт 1 - 1 / |
1 + |
|
* ( V - l ) 4 D n T p |
|
Dn NdK |
о с т |
|||
|
qS3 |
|||
-г |
<?5a Dn NdK |
J |
(7.20) |
|
|
Из формулы (7.20) видно, что при постоянном коллекторном токе / К н с увеличением степени насыщения (ѵ > 1) падение напря жения на коллекторном высокоомном слое UK С л быстро убывает. Напряжение между коллектором и эмиттером в случае режима на сыщения, очевидно, равно
|
|
|
|
U3 р-п ' |
UK р-п ~\~ UK |
I |
|
|
||
или с учетом |
формулы (7.20) |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Iкн In |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
qSaNdK |
Dn |
|
|
|
|
|
|
|
ч qSg Dn |
NdK |
( V - |
l ) 4 D » T p |
+ иэр.п |
— икр.п. |
(7.21) |
||
|
|
) |
ВCT |
|
|
|
|
|||
В |
режиме |
сильного |
насыщения |
(ѵ > |
1), |
когда |
р (хк) |
> NdK, |
||
прямое |
смещение на |
коллекторном |
р-п переходе |
UK р . п |
можно |
|||||
положить равным контактной разности потенциалов ф к к . Для пере ключающих транзисторов типа КТ603, легированных золотом, вре
мя |
жизни дырок в |
коллекторном |
высокоомном слое т р |
« 100 не, |
|||||
1'п |
« |
10 мкм, NdK |
= 1 . 101 СМ" 3, |
Dn |
~ 25 см2 /с. При |
типичных |
|||
плотностях |
коллекторного тока | / к | ^ |
100 А/см2 и при |
степенях |
||||||
насыщения ѵ > |
1,3, как легко проверить с помощью формулы (7.15), |
||||||||
Р (хк) |
> NdK. |
Следовательно, в данном случае можно считать в фор |
|||||||
муле |
(7.21) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UK |
р.п = |
Ф к к = Фг In (IVdK |
Рр (xK)/nf). |
|
|
|
Выражение |
(7.21) |
описывает |
вольтамперные характеристики |
|||||
планарного транзистора при различных фиксированных значениях
182
