Эффекты в биполярных транзисторах при больших плотностях тока

Эффект Кирка

Существует целый класс мощных транзисторов, которые должны работать при больших плотностях тока. Посмотрим, что изменится при этом.

Как было показано выше, существует граничная частота f_гр., которая коррелирует с временем пролета. Очевидно, что пролетное время определяется в первую очередь толщиной квазинейтральной части активной базы W_A. Эта толщина определяется вычитанием из технологической толщины W_Т размеров, занятых под пространственные заряды эмиттерного и коллекторного переходов. Поскольку эмиттерный переход находится в прямом смещении (в активном режиме) и, кроме того, он образован сравнительно сильнолегированными областями, то влиянием толщины области пространственного заряда на W_Aможно пренебречь и считать, что

, (131)

где - часть толщины слоя пространственного заряда коллекторного перехода со стороны базы. При малых плотностях коллекторного тока можно считать, что этот заряд образован исключительно ионами примеси в базе.

При больших плотностях тока ситуация меняется. Теперь для определения ширины ОПЗ надо решать уравнение Пуассона, в котором плотность пространственного заряда должна быть записана с учетом подвижных носителей заряда, участвующих в переносе коллекторного тока. Таким образом, рассматривая коллекторный переход p-n-p- транзистора, мы должны для плотности пространственного заряда со стороны базы брать сумму

r = qЧ(N_Б + р), (132)

а для плотности пространственного заряда со стороны коллектора - разность

r = qЧ(N_К - р), (133)

где р - концентрация свободных дырок, участвующих в переносе коллекторного тока. Очевидно, что чем больше плотность тока коллектора, тем выше эта концентрация. Влияние этих дырок проявится в расширении активной базы. Это явление получило в литературе название эффекта Кирка. Особенно сильно этот эффект проявляется в мощных высоковольтных транзисторах в силу их конструктивных особенностей (рис.26).

Рис.26. Фрагмент конструкции высоковольтного транзистора

Основная особенность таких транзисторов заключается в наличии слаболегированного слоя р^– толщиной W_К, за которым располагается сильнолегированная подложка р⁺.

Поскольку для любого двойного заряженного слоя выполняется равенство положительного и отрицательного зарядов, то для коллекторного перехода (рис.26) можно записать:

qЧ(N_Б + р)W_KБ = qЧ(N_К - р)W_KК, (134)

где W_KБ - толщина положительно заряженной части ОПЗ коллекторного перехода, W_KК - толщина отрицательно заряженной части ОПЗ коллекторного перехода. Как только концентрация свободных дырок с ростом коллекторного тока начнет приближаться к концентрации примеси в коллекторе, суммарная плотность отрицательного заряда в этой части ОПЗ начнет уменьшаться и стремиться к нулю. Плотность же положительного заряда (со стороны базы) будет возрастать. Это приведет к уменьшению W_KБ и к увеличению W_KК. С уменьшением W_KБ толщина активной базы начнет расти. Возрастание толщины активной базы с ростом тока коллектора при неизменном напряжении на коллекторе и называется эффектом Кирка. При приближении r^- к нулю соответствующий отрицательный заряд, необходимый для поддержания на коллекторном переходе фиксированного обратного смещения, будет возникать на границе высокоомного слоя коллектора с низкоомной подложкой. Наконец, при достижении некоторой критической плотности коллекторного тока плотность заряда в высокоомной части коллектора обращается в ноль. При большей плотности тока плотность заряда в высокоомной части коллектора меняет знак. Это означает, что теперь граница раздела между базой и коллектором будет проходить по слаболегированной эпитаксиальной пленке, перемещаясь с увеличением тока к границе с сильнолегированной подложкой, что равносильно резкому увеличению технологической толщины активной базы с W_Т до W_Т + W_К. И если в современных мощных транзисторах технологическая толщина базы составляет единицы микрон, то толщина высокоомного коллекторного слоя зависит от расчетного напряжения пробоя и составляет десятки микрон (например, для транзистора, рассчитанного на 1 кВ, W_К » 50 мкм.). Таким образом, при токе коллектора, превышающем некоторое значение, обеспечивающее критическую плотность заряда подвижных носителей, размеры активной базы могут увеличиться в несколько раз, что сразу же приведет к резкому снижению коэффициента передачи тока.

Эффект Кирка проявляется в изменении формы кривой, изображающей зависимость от (см. рис. 25). Вид этой зависимости с учетом данного эффекта приведен на рис.27.

Рис. 27. Влияние эффекта Кирка на граничную частоту усиления

На рис. 28 приведена обратная зависимость, т.е. зависимость от тока коллектора величины , где – частота, на которой измеряется и выполняется условие:

(135)

Спад на больших токах обусловлен расширением областей квазинейтральной базы и сдвигом пространственного заряда коллекторного перехода. Для количественной оценки этого эффекта вводится специальный параметр - критический ток коллектора J_кр, который соответствует току, при котором граничная частота падает в раз от своего максимального значения.

Рис. 28. Зависимость граничной частоты от тока коллектора

Расчеты показывают, что критический ток приблизительно равен току коллектора, при котором достигается критическая плотность подвижного заряда в коллекторном переходе, т.е. когда выполняется условие N_K = p.

Посмотрим, как рассчитать значение критической плотности коллекторного тока. Для этого надо связать с плотностью тока величину концентрации подвижных дырок. Поскольку коллектор находится под обратным смещением, то в слое его объемного заряда напряженность электрического поля велика настолько, что дрейфовая скорость дырок равна скорости насыщения v_S »10⁷ (см/с) и от поля не зависит. Это значит, что почти на всем протяжении области пространственного заряда коллекторного перехода выражение для коллекторного тока будет иметь вид

, (136)

где - некоторая эффективная площадь, через которую протекает коллекторный ток в плоскости коллекторного перехода. В первом приближении » .

Коллекторный ток достигнет критического значения, когда р сравняется с N_К. Отсюда находим критический ток:

. (137)