Главная » Книги и журналы

1 ... 11 12 13 14 15 16 17 ... 24

Ubrceo Сдвигаются в этой области влево, т, е. появляется отрицательный наклон характеристики. В точках, расположенных выше б, наклон должен был бы вновь стать положительным, однако этот участок удается измерить только в некоторых случаях, что, по-видимому, связано с дальнейшим уменьшением Ubrcbo за счет модуляции проводимости области базы и коллектора подвижными носителями зарядов. Поэтому целесообразно различать напряжения пробоя, соответствующие малым и большим токам.

Рис. 9.6. Общая схема включения для расчета пробивного напряжения:

Сопротивления R и Rp включают в себя также сопротивления Гд/д г^-/-.

в

SRCBO

0,1 0,2 0,5 1

1000

Рис. 9.7. Завнсн.мость напряжения пробои

к Unncno. от Ris> Rk и Re.

в расчетах принято Л =o,98 = const.

и

в по к, п 1пведе1н1огс)

Первое иапряжсиис и])обоя >станпвлниается иоклоиом dUceIcUс, который ло.гжсн достичь оирсделешюго значения. Оно должно быть равно в общем случае нулю (гочкп а)\ но некоторым причинам, связанным с техпнк-он измерения, нрактнческа можно допустить небольшое положительное зна чей пе. Соответствующее напряжение

обозначается просто как напряжение пробоя (точка а) (breakdown voHage).

Напряжение пробоя в точке б, или' напряжение задержки (sustaining voUage), определяется условием 1с-оо или, что то же самое, опять же равенством нулю производной dUcE/dlc, так как в области между точками а я б имеет место отрицательное дифференциальное сопротивленне. Если этот участок характерист1Н<и отсутствует, то оба напряжения совпадают. Чтобы указать на различие между верхни.м и нижним напряжением пробоя, в обозначения этих напряжений вводятся дополнительные индексы: t/gc£Q-

-УУУ'У;уу-Р'-у^:

Верхнее -напряжение пробоя ii ibrceq - нижйее tianpftiKeHHe пробоя.

Расчет напряжения пробоя Ubrce для общей схемы включения транзистора с учетом сопротивлений эмиттера и базы н входного напряжения Vb (рис. 9.6) мoжef быть проведен только весьма приближенно, даже при упрощающих предположениях :(отсутствие эффекта Ирли, независимость от тока коэффициента An).

Для расчета верхнего напряжения пробоя, соответствующего малым токам коллектора, можно применить соотношение

BRCE

и

BRCBO

Re + яЛ

(9.7)

где введены вспомогательные обозначения

к

сво

(9.8)

2 ехр г - у^2,72

ехр

ехр

/ V

Сво в

Rn + R

и

Па рнс. 9.7 показаны графики зависимости. pacc4HTaiiiH>ic п со-ответстпнн с формулой (9.7) д,-151 различных значенн11 показателя сГсиенп п. Из rpaijiinxon следует, что OTnoHiciine нанряже1И1Н тем мсплно. чем .мсщзше п, т. е. чем сильнее зависит коллекторный ток от к()л,1скторного на11ряжс1и1л. С ростом коэф(1)1п111снта передачи тока otiiohie;nic нанряжетп! упслнчивлется.

Различие между UnncF. и Ubucko вь1ражается тем более ярко, чем больиге Rb по срав!1ению с Rf. + Rk.

Входное напряжение входит нсяп-н.пг образом в Rk так, что с ростом Ub{>0) растет также и Rk, а следовательно, и Ubrce-Если в частном случае получено Rb = ( и то 11:~;г, а Rk опре-

деляется соотнощеинем

А и^(\

к

- А/2,72/

л^AJ) f Ihi

C/iO \

сво iB + Rn)

(9.0)

В зависимости от величины Rb напряжение пробоя Ubrck изменяется между и BRcno(RB=0) и и ВВС eo{Rb-оо) причем эти граничные значения слабо зависят от Uв- Сопротнвлешге же эмиттера Re увеличивает эти значения. Между обоими граничными значениями находятся промежуточные значения,., показанные в виде графиков на рис. 9.8. Эти графики качественно можно представить себе для случаев, когда условие il--Cl не вынолиено, т. е. при больших иа-нряжепиях Ub. Подобные же зависимости можно наблюдать и для кремниевых транзисторов, хотя наблюдается плохое количественное совпадение теории и эксперимента вследствие существенной роли процессов рекомбинации в запирающем слое коллекторного перехода.

Для расчета схемы включения существенное значение имеет то обстоятельство, что напряжение пробоя может варьироваться

4 п

fi Широких предеЛйХ вы(ром'соответствующего сопротивления Йвё, а при коротком замыкании достигает наибольшего значения.

Напряжение пробоя, относящееся к области больших токов (/-►оо). lJgf(g, определяется соотношением

brce

и

brcbo

Rs + R

Его величина меньше Ubrce, но больше Ubrceo н б неявном виде входит в уравнения (9.8), поскольку неограниченное возрастание коллекторного тока можно объяснить неограниченным возрастанием

Рнс. 9.8. Экcпcpи^[cитaлl.iiaя ;!апнсимост[ [фоГмниюго иаиряжения i вне 1-: германиевого бо:1Дрс1фо1и)го rpaii Н1ст(>>а ОС870 от сопротивления R}i.

MIcitn. что ведет к 2{) и RkO независимо от проложенного на-пряж*чи1м и и. Лели бы не Гплло Rn. тоHHKaioio надаюпцчо участка -yvoii /сл к-xapaKTi. рнс I нкп не наблк^далось бы. Таким образо\[, этот надаюн1,П11 участок связан глашплм образом не с наличием зависимости 5л- от тока, хотя вследствие этой зависимости ход характеристики видоизменяется.

Наличие у транзистора различных' напряжений пробоя, как это видно из семейства характеристик (рис. 9.9), позволяет сделать некоторые выводы по поводу исно/1ьзоваиня тра11знсто1)а в схемах. Электрическая прочность лранзистора определяется главЕ1ым образом

Белпчнпон ОвисЕо, а не Ubhcbo, хотя это напряжение существенно болыне Ubrce{) й в принципе позволяет значительно расширить рабочую область транзистора.

Однако чтобы обеспечить стабильную работу (отсутствие падающих участков на характеристиках, устранение вторичного пробоя), обычно допускается приложение напряжений Uce<Ubrceo-

Для лучшего йййбЛьзования sceft рабочей области семейства характеристик, рабочую точку (7) часто задают в области больших токов и (/вв=0, но на стабильном участке характеристики. В области малых токов между Ubrceq и Ubrcek имеется переходныйучасток характеристики, связанный с зависимостью UcEfiRsE) (см. рпс. 9.8).

[*ис. 9.9, Вольт-амперные характеристики в области пробоя кремниевого бездрейфового транзистора ОС920 (0=-25Х):

Вторичный пробой

0) r

д) и

и Е И К

и к

и

5(Ю

0; г) (Bj.;--0,6 И: ,7 В- и)

100 т

Так как Ubhcfa) умепьп1ается с ростом коэффициента \си/(е1Н1я Вх, то ие всегда имеет смысл добиваться высоких значеин!! Вх у тра1гзнсторов. Транзисторы с бол! -шпмн зиачеинямн имеют при том л^е самом значении и ВВС во (свойство транзисторной структуры) мен[>шне значсен^я Ubhcko-

Режим работы лри положительном напряжении на базе ведет к пеобходимостн проходить участок с отрицательным сопротивлением, причем в это.м случае транзистор может находиться в различных состояниях, соот-ветстезуюшнх ipcm рабочим точкам ( , / и IV), из которых Т(Л[ка / лежит иа падаюнхем участке характеристики. Прн лереходе от включенного состояния к вы-ллючснному рабочая точка продолжает оставаться 15бли-зн точки IV, а не возвранхаегся в .точку . Однако поскольку п точке IV в транзТГеторе выделяется большая мощность, может произойти разрушение транзистора. Поэтому следует ограничить иапряжеиие Uce значением, которое приблизительно соответствует напряжению в точке IV.

В динамическом режиме работы транзистора проявляются свойства, несколько отличающиеся от свойств, характерных для статического режима, особенно в тех

- f - *г-*ы-у*Я 1- .

- Т-- - -- -Г. - - -

f

1 -

- .1- -

1>

Мучайх, когда в цепи йазы илй sMHtreipa имеютсй контуры, запасающие энергию.

Температурная зависимость различна для различных напряжений пробоя. Так, Ubrceo практически не зависит от температуры, Ubrcbo слабо, а Ubrce сильно уменьшается с ростом температуры, что ведет в первую очередь к возрастанию тока /сво [см. уравнение (8.27) .

Само собой разумеется, что все представления о пробое могут быть распространены и на эмиттерный запирающий слой, П|ри этом для сплавных транзисторов получаются, значения напряжения пробоя такого же порядка, что и для коллекторного перехода. значительное различие величин папряжепий пробоя эмиттерного и коллекторного переходов наблюдается у транзисторов, полученных методом диффузии. в этих транзисторах напряжение пробоя эмиттера весьма мало (для германиевых транзисторов порядка 0,5-1 в, для кремниевых --sb) вследствие сильной легировпипости области базы у эмиттера, папряжение же пробоя коллектора по сравпеипю с этими зпачсппями лор.ольпо велико. механизмы пробоя коллектора и эмиттера также паз/тчиы, а именно, пробои эмиттерного по})ехола часто определяется туппельпым {зппсропск'нм) эф(1)ектом.

Попытки попысть мл.-п.1с .11К1чо:г!ч ;::iii:i;i>Kr-ii.i н^юиоя чм:ггтсра

за счет БВСДеИИЯ и рОМС/К уточного с П'.; С()Г>СТ15С;1:):1 n] U/l() TLMCiO l .)

дсйстинтс.и^но iip;ii.L\4;i у ;ir.::i4( i:!io ;:p:i iMMCcivin iii;ii)>Kc:f::H. однако прн этом у.худшалась пнк-окочас ютные саоГк'-; на i p.-.Hiicrop:!.

Ьтлнчнс участков от ранатс;]i.aoro синротип.Юиня на но.п.тамнср ных характеристиках семенства на нерпы и взгчяд представлиегсн вредным яа,-юанем с точки зре1П1я Т1рнме:[с!1;1я, однако ii v\о явлент* .\[ожот быть чоао.тьзоааас). В чаотносги, оно асно.аьзус 1ся п так иа-31>1ваем1>1Х .i;ipanniNX тра!1заггорах, К()Г()[>ыо пюниааьао iipCMiia.ia-чспы для нродо.чжительпо!! работы г- ])Ожал;о лаиапного пробоя. \акне транзисторы имеют подоб'кт точеапым траазисторпм при пи-пряжениях иBRCBo>UcB (рпс, 9.5) падающий участок характсра-cTiiKii, что позволяет создавать быстродсСютпующие трнггериые схемы, поскольку умножение рюсптслсн заряда происходит в течение очень короткого промежутка времени.

Падающнс участки' характеристик часто являются прпчинО]! возникновения нежелательных колебаднн при сравнительно больших пиковых токах. Поэтому рекомендуется параллельно переходу эмиттер- база включать диод, который не дает возможности эмиттерному переходу сместиться в запирающем направлении и устраняет опасность эффекта пробоя. Ряд других явлений, обусловленных эффектом лавинного пробоя, относится главным образом к процессам, протекающим на низких частотах в условиях малой амплитуды сигнала.

9.5. М<зксимдльный коллекторный ток. Вторичный пробой

Коллекторный ток по мере возрастания достигает максимально допустимого значения. Его предельная величина определяется разработчиками приборов в зависимости от области применения. Так, например, в связи с оценкой величины мощности потерь обращается внимание на то, чтобы пе превысить верхнюю допустимую границу величины температуры запирающего слоя. в меза-транзисторах .максимальный ток ограничивается, кроме того, эффектом заливания подвижными носителями области объемного заряда коллектора. Часто причиной ограппчеиия максимального тока является уменьшение коэффициента усиления по току при увеличении тока коллектора.

граница особого рода, особенно в области пробоя, определяется специфическим эффектом, впервые описан-пым снммопсом и торитопом, так называемым эффектом шнурования тока, который в настоящее время в общем случае обозначается как эффект вторичного пробоя. сначала считалось воз.мо/кпым использовать этот эффект 15 ключевом релсиме работы, однако было обнаружено, нто в этом случае в кристалле возт1кают участки п-)0-ила пл сипя, об}словлепныс их очень высокой тепловой а г )y3Koii.

оиыч о при рассмотрении тепловых проблем (см. 7) делается предположепне о равномерном пагре-I.aimii oo/iacTH запИра1С)щсг() слоя. если же в каком-либо .месте перехода увеличивается плотность тока (а эта опасность возникает в режиме лапппиого пробоя), то резкое локальное повышепие температуры запираюпего слоя обычно Н[И1ги.)дит к необратимому пробою. первоначально предполагалось, что причину вторичного пробоя следует искать в тпрчсторио.м эффекте, по в последнее время были выяснены другие причины.

при спятпп вольтамперной характеристики, соответ-сгвуюпдей 1еФ0, в области падающею участка характе-Г'пстпк обнаруживается, что, начиная с некоторого определенного тока, иапряжсние-к.оллектора резко падает. это явление должно наблюдаться также и в диодах. вторичный пробой обратим только при кратковременных перегрузках; в общем же случае некоторые элект]риче-ские параметры транзистора, а именно коэффициент усиления по току и остаточный ток /св/о после вторичного пробоя изменяются. в критических случаях (часто после

тор

эмиттер или й<5йлектор

......

база) транзистор стаиб-

вится совсем иеработоопособным. Исследование кристаллической структуры таких транзисторов позволяет обнаружить в ней ряд проплавленных участков, которые и являются причиной выхода транзистора из строя.

Современные представления о вторичном пробое опираются на тот факт, что после шнурования тока (pinch-in-effekt) (причины этого эффекта могут быть весьма разнообразными) возникает переходный процесс, при котором коллекторное напряжение резко падает. Следствием образования шнура тока является возникновение в -кристалле нроплавлепного канала.

Можно выделить три круга вопросов, связанных с этапами развития вторичного пробоя:

- причины, объясняюндис локальное повышение температуры в кристалле вследствие стягивания тока в И1нур ;

- механизмы, обьясняюндие резкое уменьшение напряжения;

- модели, объясня10ни1е физическое состояние кристалла после скачка напряжения, т. с. после вторичного пробоя в стабильной области.

В то время как колимоке вопросов, связанных с и 1, miTencnuno исследуется, по поводу процессов, отмеченных в п, 2 и 3 (котор!>!с весьма труд1!0 отделить друг от друга), до сих нор нет яепо1о представления, В настоящее .время имеется но Kpanneii v.cx- тр,1 различных модели этих процессов. Общепризнано, что iiHiypCHiaiHic тока ведет к локальным перегревам. Локальное же ноиын.-ение нлот-ности тока может бьмь связано, е одной сгорошл. с наличном Н(~од-иородностен п c.imom крпста,-пе, которые обусловливают л()11.тып.!с колебания удс\т[,ного eoiipoTins/iLMniH и иаиряжения пробоя, а с яру-1ий стороны, - с наличием иeoдм()poдн(Je гей в roTOBDii т;)анз1К'т()р;0п стр\;а\-р1 (н.тохоГ! кпитагт м n-Kortipbix точках, различная нпн >ина базы, H/ioxoii i\;i;/iOi) nioj I.

Ki)0\:e того, наличие понерочн1>!х электрических полей в базе после пе[1пичпого пробоя может привести к шиуроианпю тока п структуре чраизпстора и без локальных пеодпородиостей. Пер-],()начпльно иыга,-И1Сь обт.иопггь шоричньн ! пробой то.тько этим эффектом.

Процесс шнурования тока может быть качественно пояснен с учетом лавинных процессов в режиме пробоя: в этом режиме в коллекторном запирающем слое образуется больптое количество электронно-дырочных пар, из которых электроны как основные носители притекают преимуществепио в базу. Благодаря этому возникает электрическое поле, направленное к центру симметрии базы, а также неравномерное распределение вдоль плоскости эмиттера напряжения эмиттер - база (рис. 9.10),

прйво^(йт %0% xICa смещена большим прямым иаиряжением и характеризуется более интенсивной лекальной инжекцией. Повышение плотности тока эмиттера приводит уже в коллекторном переходе к сужению области пространственного заряда в центре коллектора и к повышению электрического поля, что способствует дальнейшему развитию процесса пробоя.

Тело коллектора.

Область базы

Напрадление поля

Рис. 9Д0. Эффект шнурования тока:

а) схематическое изображение движения носителей заряда в области шнуро-памии тока;

б) распределение виутрсипего напряжения эмит1ер -база вдоль радиуса SMH гтера г.

Крииая / отсутстпие уф {текта пшуропания. запирающий слон заперт; 2 - наличие #ф(1)скта пшуровапия, центр riannpaiomero слоя CMenten в пропускном папраплрпни и начмплст инжектировать носители заряда в базу.

Процесс нтуроваиия происходит чрезвычайно быстро, п no:JTOMy возникает быстрое переключеппе транзистора нз одного режима в другой.

[сходя нз этих представлений был рассчитан критический ток, 11[)н KOTopo.Nt возникает опасность шнурования тока;

<

и

и

BRCno

п

кр hi кр

(9.11)

где Рп -удельное сопротивление материала базы.

Это^ зпачеиие критического тока не должно быть превышено (по крайней мере, оно справедливо для германиевых транзисторов). С ростом температуры оно уменыилется. Отношение максимальной плотности коллекторного тока 5сомаис в центре коллекторного запирающего слоя к плотности тока Sc макс без учета эффекта шнурования составляет

S----- t I рд/

; Р= Awni (9.12)

с макс 1 --

О^.п..... р i

со макс

причем при р;:0,8 плотность тока в иентре шнура уже удваивается. 19-1323 289

Ура!вненне (9.12) справедливо только для базовых токов, которые относятся к области ко;1лекторных характеристик, лежащей между /в=0 и /е=0. Но эффект шнурования наблюдается как при положительных, так и при отрицательных напряжениях Ueb, однако при положительных напряжениях он наступает при таких больших токах 1с кр, которые даже при самых критических условиях не могут быть достигнуты. Более критичным является режим при запертом эмиттере, В этом случае напряжение вторичного пробоя тем меньше, чем более отрицательно напряжение Deb (рис. 9.9, точки V и V/).

Одновременно с повышением плотности тока в центре транзистора изменяется также тепловое сопротивление и тепловнге постоянные времени, так как плотность мощности возрастает в зависимости от координаты вследствие неоднородного распределения плотности тока в запираюнхем слое.

Для принятой модели нагреваемой зоны были проведены расчеты, в которых главное внимание было уделено зависимости роста температуры во времени для очень малой области в непосредственной близи от расплавляемой зоны. Было показано, что энергия пробоя связана с динамическим тепловым сои]ютивлсннем.

Шнурование тока может быть связано не только с наличием поперечного поля в базе, т. е. ил1еть электрическую природу, по также и с впутреиией тепловой неустойчивостью транзистора, т. с. иметь тепловую приходу, связанную с па.шчпем пеод пород постен структу-П)1, снособствуюп1Их развитию эффекта шнуровании тока. Этот факт, в частпоети, позволяет обтлидипь экспериментальпые резул1>таты, показывающие, что вторичный пробои может возникать и в условиях отрица-тельного тока базы, т. е. на характеристиках, лежащих ниже характеристики, соответствующей 1в = 0.

Тепловая стаб[1льпость. нообхо.ти.мая для стабильно!! э.чсктричс-ской работы н описываемая оирсдслеииыми к1М1тсриямп, иол \чей-нь[мн для раз/[ИЧ[1ы\ уелов1[Г1. характеризуется прежде bcci о тем, что BiiVTpii t] )aniHCTo;)a плотность тока ивляегси постоянно!! вели-

ЧН!!0! . в !1рОТИВ0Н0ЛоЖП0СТ1> ЭТ!!.\! !! рС Д!! 0, 10ЖеП И Я \! 6l)bT0 И И!! . [С ПО,

что !!еоД1!Ородное рас1!ределенне то!<а в транзисторе [!pi!Bo:u!T не то.тько к более жестким критериям етаОи.Т!>ностл, !!0 и к возпикио-BC!!i!!0 неетаб!!лы1осте11 (в1!утреи1!яя т01!Л()вая не\ето! н1ИВ0(-Т1>). хотя В![еин!яя схе.\!а еще устойчива. Пробле.\!а !!СустоГ!Ч!1востн замК[1утого термоэлектрического процесса, связанного как с подводом элекгр!!-ческой мощности и преобразованием ее в теплову!0 энергп!о. так н с отводом тепла при заданных гра!1нчнь[\ услов1!ях, расс.\!атр1!ва-лась с различ!!ых точек зре!11!я. причем во всех случаях колебания температуры от точки к точке вводятся как исходное начальное условие, которое может быть обусловлено как поперечны.м полем в базе, так и упомянутыми уже неоднородностями кристалла или конфигурации пр!1бора.

Особое влияние оказывают неоднородности структуры кр!1сталла, находящ[1еся внутри запертого перехода, на эмнссто света, которая особенно хорошо наблюдается на кремниевых переходах. В герма-

ниевых переходах из-за сильного* поглощения света она не наблюдается, хотя в определенных явлениях (в мнкроплазмах) также может наблюдаться излучение света.

Эмиссию света можно разделить на три группы:

1. В плоскопараллельных запирающих слоях в очень чистых кристаллах наблюдается чаще всего рекомбина-ционное излучение (излучение в плоскости запирающего слоя, в котором происходит лавинный пробой),- которое проявляется в виде равномерного свечения запирающего слоя (макроплазма). Характеристика в области пробоя таких переходов хорошо совпадает с расчетной,

2. Чем более иеодиородеи запирающий слой и чем больше в нем структурных дефектов, тем сильнее становится тенденция к образованию светящихся точек, которые могут видоизменяться иод воздействием различных факторов, но при больших токах частично воспроизводимы. При этом речь идет о дискретных источниках излучения- мнкроплазмах. Включение микроплазм происходит внутри некоторой нестабильной области, в которой они действуют подобно импульсным источникам, хаотично включаясь и выключаясь, являясь источниками шумов. Отдельные микроплазмы возникают в действующих .малых каналах благодаря oco61)I.m евонства.м лавинного процесса.

3. При высоких плотностях тока, которые имеют место в области вторич!И)го пробоя н после него, одна из мпкроплазм становится светяп1снся точкой красного цвета, а другие плазмы исчезают и лавинообразование в них прекращается, так как плотность тока вблизи красной точки гораздо больи1е, чем в области .микроплазм. Тел1 временем красная светящаяся точка меняет свое положение Ji имеет тенденцию персмеи^аться в область другой проводимости. Эта область в отличие от микроплазм и макроплазмы называется мезо-плазмой. Именно она непосредственно связана с образованием в кристалле расплавленной зоны. Эта мезо-плаз.ма наблюдалась в различных типах кремниевых транзисторов.

Из этих исследований можно сделать общий вывод, что в кристалле имеются определенные места, через которые преимущественно протекает ток и которые могут быть исходными областями для дальнейшего развития пробоя.

Возникшее повышение плотности тока и связанное с ним повышение температуры может в зависимости от

. У к нестабйЛьйбСТйЙ. fljkJ-

являющимся в том, Что транзистор, введенный импуль-, сом в область пробоя, вновь быстро выключается. Поэтому имеется определенная граница температуры, которая должна быть достигнута, прежде чем нестабильность проявится надежно.

Согласно (Представлениям, изложенным Мельхиором и -Стреттом, эта температура связана с температурой, при которой концентрация собственных носителей достигает значения концентрации примеси в высокоомном материале, т. е. в условиях высокой температуры возникает высокая концентрация носителей, которые перестраивают область пространственного заряда, а также снижают ее запираюпхие свойства: уменьшается занираюн1ее напряжение, наступает пробой перехода. Конечно, температуры, необходимьгс для количественного описания процессов, находится значительно 1шже температур плавления кристалла.

Наряду с этими объяснениями можно с уверенностью сказать, что при рассмотрении эффекта шнурования тока в сочетании с последующим подъемом температуры следует учитывать также:

- поперечное поле в базе;

- виутреииюю тепловую неустойчивость, связаппую с начальными дефектами, обусловлепиыми поперечным полем в базе и пеодиородиостями мик1роплазмы.

После протекания переходного процесса в кристалле образуется стабильная расплавленная зона. Внешне это проявляется в у.меиьшеиии иапряжепия до опюсительпо малых величии. Новые точки V\ VI (рис. 9.9) отп(Кятся к меньшим токам, чем исходное зпачепие токов в точках V, VI. В связи со сказанным выше становится понятным, какое большое значение имеет устране\п1е вторичного пробоя.

В первую очередь были предприняты попытки устранить нeoдиqpoдпocти, особенно вблнзи эмиттера, что обеспечивало бы равпомерпое распределение тока в эмиттере. Равпомерпость легко можно контролировать наблюдением рекомбинациоппого излучения в ино :)а-коасиой области, возникающего в эмиттериом переходе, смещенном в прямом паправлеиии. Далее, тепловая обратная связь может быть уменьшена, если расстояние между эмиттером и коллектцром, т. е. ширина базы, увеличивается, что ведет, однако, к ухудшению электрических свойств транзистора.

Увеличение нейтральной области коллектора в т*ран-зисторах со слаболегированным коллектором приводит

к повьгшекйю устойчивости 1ранзйстора лро+йв в^орйчй(?-го пробоя, но одновременно увеличивает последовательное сопротивление коллектОра. Прежде всего это относится к эпигаксиальным транзисторам, работающим прп больших-плотностях тока. В этом же смысле можно сказать, что дополнительное сопротивление эмиттера также оказывает стабилизирующее влияние на транзистор.

Если рассмотреть влияние внен1ией схемы па стабильность транзистора, то можно отметить, что наибольшей склонностью к вторичному .пробою обладают транзисторы с индуктивной нагрузкой, работающие в ключевом режиме.

I:--Г

i

9.6. Остаточное напряжение на коллекторе. Напряжение насыщения транзистора

Как только коллекторный переход транзистора, работающего в нормальном активном режиме, смещается в пропускном паправлеиии, то /с резко падает. Из рассмотрения семейства характеристик /с = /(ск)/ видно,

что п|Ти достаточно сил1>иом пасьицепии ток /с уже больше по зависит от /я, а зависит от Ucjr, т. е. транзистор уже пе управляется током. При некотором заданном токе коллектора иа транзисторе остается еие определен-пое остаточное папряжение (Ucer)- (Напряжете iiacbi-прения обозначается Uces)-

Если определять количественно переход транзистора из области одного режима работы (На) в область другого режима ( /), то в этом случае необходимо гц)-строить кривую, соответствующую L/j-./j, 0. Однако

вследствие наличия последовательных сопротивлепиг! практически трудно осуществить этот граничный режим. Поэтому па практике приняты различные упрощенные определепия:

а) под напряжением насыщения Urns понимается на-

пряжение, которое при заданном токе -коллектора /

с

ведет к условию U -О (внеш-

нее короткое замыкание) (рис. 9.И). Так как динамическое сопротивление коллекторного перехода для Ucb = Q еще относительно велико и поскольку именно в ключевом :)ежиме для достижения высокого коэффициента полез-

k-z- -114.- - -я- --x- - -- ,

,1 . - vi-r

- V - ж г

ного действия необходимо ввести транзистор в режим с возможно меньшим сопротивлением, то для обеспечения этого условия вводится еще другое определение;

б) для надежно запертого коллектора [т. е. при (-fJcEl В)] устанавливают такой ток базы Ibi (соответствующий ему ток коллектора /ci), что рабочая точка еще лежит в активной области, а затем уменьшают Uce. поддерживая неизменным ток базы 1ви и наблюдают уменьшение /с до тех пор, пока при Uce=Ucer он не

(например 1Ъ) 5)

Осе

Рис. 9.11. Вылодные .характеристики транзистора в области входа транзистора в режим наеьиценпи:

а) определенно VqEs усл11В!Ти q- 0. При токах базм, болыпих I, коллек-

тп11пыП ток с' hU Р ио увел11Ч11в:1етсп. При зад;;И11>м сопротивлении

н;]Г1)узкп Rj и У^ц можн р.ссчит.пь ток - oiHocnnuiHcH к т(,чке в?(ода тр1и-

.iHcioiii в 1)бл;кт1* н.1Сып!,ешЯ; 6) >inpeделение qBR 3:Д:в,-Ись парой anaiiCHiift СИ,- Ci Oii 1 * f Pbix коллекторной лг)(-\-од cmv злмерт, fi[);r постояи-п jm тпке 6:iJf,r /у^ умепьи 1<)1- Lc/- Л :ех пор, п^К.ч не ешнет равным 0,9/ Соотвегс1ву1ищсе эгпму ItKv н.1Прлж< иие IJqeR н.ив[в:по1 <-ст.моШым напряжением на коллекторе.

достигнет значения 0,9/ci. Это определение Uceb, выбранное из практических соображений, чаще всего дает значения, меньшие, чем следующие из определения а), однако преимущество этого случая заключается в большей простоте измерения.

Следует отметить, что в транзисторах с большим остаточным напряжением (кремниевые транзисторы, меза-транзисторы без энитаксиального слоя) это напряжение может иметь значения, большие, чем -Uce== 1 В.

Напряжение насыщения реального транзистора зависит от напряжения насыщения внутреннего: транзистора [уравнение (8.20)] и от падений напряжения на по-

- - и*

следовательных сопротивлениях

и

О

(9.13)

(режим активный, нормальный).

Подобное же выражение можно получить и для инверсного режима. На рис. 9.12 показана зависимость Ic=f{UcEs) [уравнение (9.13)], которую можно использовать для непосредственного отсчета напряжения насыщения.

Напряжение насыщения коллектора сильно зависит от сопротивления базы и от Гсс, т. е. в конечном счете от геометрических и физических величин. Поэтому его

т

т

ис. 9.12. Напряжение пасницеиня различиь[Х транзисторов:

0С614 - германиевый лрейфов1.1Й транзистор; 0C81I - ге1)маниов!>[й бсздре1 [1)овын т )апзпсто :).

	0С811
	\ 10

\[ожно у.меньш[ть выбором определен [loii гео.метрин, а также за счет создания конструкции с эпитаксиальным слоем. Напряжение насьпцения внутреннего транзисгора имеет порядок нескольких Uy. Поэтому сопротивлепне пронускапия такого транзистора, работаюпего в ключевом режиме, было бы относительно мало и, следовательно, малы мощности потерь во включенном состоянии. Только из-за наличия последовательных сопротивлений {гс-с и Гв) иапряжеиие насыщения достигает значений 1-2 В, что й наблюдается для транзисторов без энитаксиального слоя и вообще для кремниевых транзисторов.

Величина напряжения насыщения транзисторов, имеющих меза-структуру (рис, 9.13), а также сильно несимметричных транзисторов с плоскостной структурой также может быть значительной. Схема замещения таких

0руцтур npeACTzmket С(ой параллельное соединение внутреннего транзистора и диода коллекто1р-база (схема с параллельным диодом может оказаться необходимой и для сплавных транзисторов с высоким сопротивлением базы). Для этой схемы коллекторное напряжение

Рис. 9.13. Геометрия меза-траизистора и соответствующие структур иые экви!и1леитиые схемы замещения:

а) геометрия Mcsa-транзистора (s - расстояние эмиттер - база);

б) структуримн схема замещеипя. состояи;ая из транзистора и диода кото рая учнтмнпет процессы в переходе база-коллектор;

в) эк1-,ивп/11Ч1тн;1и схема замещения по постоянному току с учетом поеледопп тельных С1>фотицл цн11 (с'С П) сопр:)ТИвлепия базы г ] н последователь ного соп[1отивления диода г

Uce при достижении области насыщения возрастает на величину диодного тгапряжения (/л/>0):

и

так как диод начинает пропускать ток. Поэтому такой идеальный транзистор пе может быть даже введен в режим насыщения, а напряжение пасыиге-иия меза-транзисторов при большом сопротивлении базы и сопротивлении коллектора (г^,. г^) относительно велико.

Из рис. 9.11 косвенным образом следует, что остаточное напряжение тем меньше, чем круче характери-

стика Ef (-BE )urRo более полога пропускная

характеристика коллектора. Так как крутизна входной характеристики определяется расстоянием эмиттер - база и эффективной плоцдадью эмиттера, то возникает необходимость выполнения требования малого расстояния эмиттер - база.

Что кacaetcя темлературной зависимости, to Длй случая /с = 0 [уравнение (8.20)] справедливы следующие,соотношения:

нормальный режим

инверсный режим

83 мкВ С

(9.14)

и

In А

откуда следует возрастание Uces с ростом температуры.

Малая температурная зависимость Uces в инверсном оежиме позволяет использовать транзистор в схеме прецизионного ключа.

9.7. Мощность потерь

Мощность потерь Ру, которую способен рассеивать транзистор в течение длительного bpemeini, в меньшей стеиеии определяется физическими свонстами, а в боль-hich степени конструктившями и геометрическими, и в первую оче|редь обусловливается тепловыми характе-)истнками и необходимостью обеспечить определеипый срок службы приборов. Кроме того, мощность Ру всегда задается разработчиком для определенных условий (окружающая температура, характер теплоотвода).

Мощность потерь Ру всегда вводится для определен-иой схемы как интеграл от произведения мгновенных значений токов и напряжений в данной рабочей точке, деленный иа время периода колебания. Она складывается из мощности потерь эмиттера и коллектора:

t + T

Т

j Pv (О dt

т

(9.15)

где

мощность на входе,

мощность иа выходе.

к

Мощность, необходимая для обеспечения работы в рабочей точке, большей частью определяется долей PvCj выделяющейся в коллекторной цепи:

Р

JeU ЕВ-IcU св

ГуЕ + Р VC.

(9.16)

в тепловом равновесии мощность потерь целиком расходуется на нагревание и определяет температуру запирающего слоя dj при заданной температуре окружающей среды 9t7 или температуре корпуса 9g.

Максимально допустимая температура запирающего слоя, в свою очередь, зависит от собственной проводимости нолунроводника, которая приобретает важное значение при высоких температурах, а также от диффузии в твердом теле, улучшающейся с увеличением температуры (ухудшение профиля распределения коицеитрации) и от состояния впешией поверхности. Ориентировочные значения 9j для германия равны 75-ЭОС, а для кремния 150-200 Т.

Мощность потерь и температура связаны в обн^ем случае соотиоше1шем

PvRtk-Qj~~u.

PvRthi = -9g,

(9.17)

где Rthi ~ внутреннее тепловое сопротивление; Rtn - общее тепловое сопротивлепис, причем тепловое сопротивление в оеиовиом зависит от конструктивных факто-:)ов (конфигурации переходов и системы охлаждения). Если 0j и дс{%) заданы (обычно температура окружаю-nien среды выбирается равной 25 нли 45°С), то тепловое сопротивление определяется максимально допустимой \ющиостью Румакс, которэя В тсчеиис продолжительного времени может рассеиваться в полупроводниковом приборе. Сама но себе мощность потерь зависит от конструкции транзистора и колеблется от нескольких милливатт до нескольких ватт (в мощных транзисторах).

ЛИНЕЙНЫЕ СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ НАПРЯЖЕНИЯМИ И ТОКАМИ В ТРАНЗИСТОРЕ

Семейства вольт-амперных характеристик транзистора описывают общие соотношения между токами и напряжениями для статического случая. При этом транзистор рассматривается как элемент схемы ~ трехполюсник, свойства которого определяются заданием двух токов и двух напряжений, причем задание двух произвольно выбранных токов или папряжепий одиозпачио определяет два других остающихся [1апряжен[гя или тока. С точки зрения схемы включе1тя физические процессы внутри

[1С. 10.]. Общая схема чеч i.ipcx-

ПО.ИОСИПКа. в 1<1)TI)IM)M k.-iomnh.!

и т ,чал!кп\ты (пст( П1!1!.Г( ipcxiio-.посипк).

Па им дс (/) II ип in.ixo.n- {2) пртс-

и

транзистора не oet)6eiino Ba>KHiji, поэтому в дапчо1[ главе, абстрагируясь от обозначении электродов В, С, будем рассматривать некоторые входные электроды (индекс I:

Il) и выходные- (индекс 2: U2, h) (рис. 10.1). По-ско,1ьку речь идет о трехполюспике, два из чспярех электродов X, /у, г должшз! иметь один и тот же потеиппал (принято Т7/ = ф.О. Какие именно электроды транзистора обозначаются индексами .v, у, зависит от конкретной схемы его включения.

Между отдельны.ми амплитудами U, I имеют место нелинейные соотношения, определяемые семействами вольт-амперных характеристик:

Ii = fi{Uu иг). hhiUu Uz). Vi = h{Iu h). Vhilu h) ИТ.

(10.1)

Разложение в рЯД^ёйлора функции двух переменных позволяет установить связь между приращениями напряжений (AUi) и (ЛЩ и токов Mi и Ah:

Л + АЛ=/. {U,+At;,; и, + At;,)={u t/j -

дс/.=о

/ + Д/

(10.2)

At/,

ди,=о

t

Если изменения напряжений в простейшем случае П(редставляются гармоническим колебанием с круговой частотой О),

(О = и, sin {mt + 9,). (t) = и, sin Ы + 9).

то, строго говоря, изменения токов А/(), Sh(t) состоят из слагаемых колебаний всех частот, кратных о). Условие линейной связи между приращениями токов и напряжений требует, чтобы амплитуды Л/, At/ были настолько малы, чтобы всеми слагаемыми, связанными с частотами более высокого порядка, мол<но было пренебречь но сравнению со слагаемым основиой частоты w.. Кроме того, изменения иапряжегши и токов во времени доллны происходить настолько .медленно (квазнстатнчески), чтобы ие Счазыиался сдвиг ио фазе между At/ifO, \lJ-i(i) и \l\(t), Aloit). Эти условия означают, что частота 01-*-0. Для такого линеаризовангюго четырехполюсника получаются соотношения, характеризуюитпе свойства передачи сигнала:

АЛ (О

АЛ (О

дг/-о

А^Л (0.

(10.3)

причем вид этих уравнений сам по себе не зависит от рабочей точки, хотя входящие в них частные производные в значительной мере определяются рабочей точкой. Эти производные имеют размерность проводимостей и 300

определяют наклон характеристик в соответствующей рабочей точке при дополнитель-ных заданных условиях.

Отметим, что система уравнений четырехполюсника по своему существу не изменяется, если даже квазнстатические условия больше не выполняются. При этом лишь все входящие в уравнение (10.3) величины становятся комплексными:

=У^ + У^ I (система /-параметров)*), /а = 2it/i + I/aat/a )

(10.4)

При этом комплексные коэффициенты имеют следующие значения:

входная проводимость при коротком замыкании

на выходе;

i/l2

отрицательная проводимость обратной связи при

коротком замыкании на входе;

проводимость прямой передачи при коротком за-

отрицательная выходная проводимость при ко-

мыкании иа выходе;

А

(/,=0

ротком замыкании на входе.

Эти параметры четырехполюсника являются специфическими параметрами лииоаризопашюго транзистора [( не зависят от параметров вне[инс[ [ схемы 1Н.лк)чення, хотя они и связаны с опредслен-П1ЛМ режимом работы (короткое замыкание или для других параметров - холостой ход в топ ИТИ иной цепи).

Кроме систем 1>[ г/-парамот|роп, могут быт1, введеги^! в рассмотрение и другие системы (всего 6), нз которых широко распространены следующие:

+ 1 (система гибоидных А-параметров)*),

(10.5)

и

1 (система z-параметров)*. (10.6)

Соотношения для определения этих параметров выглядит аналогично соотношениям, приведенным для у-пара-

метров.

> В общем случае yg-jb)c, h=>hr+lhi, z=r+jx

1 ... 11 12 13 14 15 16 17 ... 24