Напряжение лавинного пробоя транзистора



4.13. Пробой транзисторов

На процессы в транзисторе существенное влияние оказывает напряжение на коллекторе. Такое влияние обусловлено следующим. При изменении напряжения изменяется толщина области объем­ного заряда коллекторного перехода и соответственно толщина базы, а при достаточно больших коллекторных напряжениях начинает сказываться лавинное размножение.

С повышением напряжения на коллекторе толщина базы ста­новится меньше, что приводит к увеличению градиента концент­рации носителей заряда в базе, к уменьшению времени, в течение которого носители находятся в базе и, следовательно, к уменьшению роли рекомбинации в базе. Это ведет к росту коэффициен­тов передачи и .

При достаточно больших напряжениях на коллекторном переходе область объемного заряда коллектор­ного перехода может достигнуть эмиттерного перехода – произойдет так называемое смыкание переходов. При этом по­тенциальный барьер эмиттерного перехода понижается, резко возрастает ток эмиттера, а значит, и ток коллектора. Таким образом, смы­кание переходов является одной из причин, ограничивающих напряже­ние коллектора.

Лавинный пробой транзистора в схеме с ОБ

Второй при­чиной, ограничивающей напряжение коллектора, является лавинное раз­множение. При этом существенную роль играет режим цепи базы. Если ток в цепи базы не ограничен, что наблюдается, например, в схеме с общей базой, то пробой транзисто­ров не отличается от пробоя полу­проводникового диода. В этом слу­чае в коллекторном переходе прои­зойдет лавинный пробой при про­бивном напряжении .

Лавинный пробой коллекторного перехода представляет собой обра­тимый процесс, если ограничить возрастающий при пробое ток. С увеличением тока коллектора при лавинном размножении лавинный пробой может перейти в тепловой пробой с появлением отрицательного дифференциаль­ного сопротивления на выходе транзистора. Этот переход к теп­ловому пробою наиболее вероятен в транзисторах, изготовлен­ных из германия (материала с малой шириной запрещенной зоны).

Пробой транзистора в схеме с ОЭ

Если ток базы зафиксирован (напри­мер, при разомкнутой цепи базы или при включении в нее доста­точно большого сопротивления), то в транзисторе начинает проявляться обратная связь. Образующиеся при лавинном раз­множении пары носителей заряда разделяются электрическим полем коллекторного перехода: неосновные для базы носители уходят в коллектор, а основные – в базу. Таким образом, в базе создается избыточный заряд основных носителей и соответственно изменяется ее потенциал. Получающееся при этом напряжение открывает эмиттерный переход и увеличивает ток эмиттера.

Если вывод базы отключен от схемы, т.е. ток базы равен нулю, то основные носители заряда, накопившиеся в базе, могут исчез­нуть только двумя путями: либо уйти в эмиттер, либо рекомбинировать с неосновными носителями, инжектированными эмиттером. Од­нако транзистор делают так, что вероятность этих событий довольно мала.. Из эмиттера в базу проходит гораздо больше носителей, чем из базы в эмиттер, и носители, инжек­тированные в базу, почти не рекомбинируя, доходят до коллектора. Следовательно, каждый основной носитель, оказавшийся в базе в результате ударной иониза

ции в коллекторном переходе, вызовет инжекцию из эмиттера в базу большого числа неосновных носителей, что и приведет к существенному росту тока коллектора.

Пробивное напряжение коллектор-эмиттер при = 0 мо­жет быть значительно меньше пробивного напряжения коллектор-база при = 0.

Отсюда можно сделать следующие практические выводы:

1) необходимо иметь в виду возможность пробоя тран­зистора, включенного по схеме с общим эмиттером, при значи­тельно меньших напряжениях, чем пробивное напряжение кол­лекторного перехода, если в цепь базы включено относительно большое сопротивление. Эти процессы будут обратимыми, если ток коллектора ограничен параметрами внешней схемы (например, сопротивлением нагрузки). В противном случае мощность, выделяющаяся в коллекторном перехо
де, может превысить допустимое значение, тогда произойдет необратимый тепловой пробой транзистора;

2) при включении транзистора в схему, находящуюся под напряжением (например, при измерении параметров транзисто­ров), вначале необходимо присоединить вывод базы, а затем вы­воды эмиттера и коллектора, чтобы не возникло условие нуле­вого тока базы

Под вторичным пробоем понимают явле­ния, связанные с разогревом коллекторного перехода и приводя­щие к резкому увеличению коллекторного тока при одновремен­ном уменьшении коллекторного напряжения. При вторичном про­бое транзистора, как и при тепловом пробое диода, происходит шнурование тока, проходящего через коллекторный переход. Шнурование тока связано с наличием различного рода дефек­тов на поверхности и в объеме транзисторной структуры, которые могут приводить к локальному увеличению плотности тока через коллекторный переход.

Локальное увеличение плотности тока приводит к локальному разогреву участка коллекторного перехода и может вызвать его расплавление. В этом случае расплав полупроводника коллекторной области проникает в базу и достигает эмиттерной области. Эмиттерная и коллекторная области соединяются перемычкой такого же типа проводимости. При исследовании такого транзистора выпрямляющие свойства переходов остаются, а эмиттер соединяется с коллектором накоротко.

Источник

4.8. Пробой биполярных транзисторов

Основными факторами, которые ограничивают величину обратного напряжения на коллекторном переходе, являются явление прокола базы и пробой коллекторного перехода. Наиболее вероятными видами пробоя коллекторного перехода являются лавинный и вторичный.

Лавинный пробой

Механизм лавинного пробоя коллекторного перехода зависит от схемы включения транзистора.

При включении транзистора по схеме с общей базой пробой транзистора не отличается от пробоя полупроводникового диода. Ток коллектора в режиме лавинного пробоя определяется выражением:

где M = 1 1 − ( U к б U к б 0. п р о б ) m — коэффициент лавинного размножения носителей заряда в коллекторном переходе; U к б 0. п р о б — напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода транзистора в схеме с общей базой при I э = 0 ; α M = M α — коэффициент передачи тока эмиттера в режиме лавинного размножения носителей заряда.

Если ограничить ток коллектора, то лавинный пробой будет обратимым. При возрастании тока коллектора лавинный пробой может перейти в тепловой, что наиболее вероятно для германиевых транзисторов.

В схеме с общим эмиттером при разомкнутой цепи базы или при включении в нее достаточно большого сопротивления пары носителей заряда, которые образуются при лавинном размножении, разделяются электрическим полем коллекторного перехода так, что неосновные для базы носители заряда уходят в коллектор, а основные — в базу. Таким образом, в базе создается избыточный заряд основных носителей, вызывающий снижение потенциального барьера эмиттерного перехода и рост тока эмиттера. Если ток базы равен нулю, то носители заряда, инжектированные из эмиттера в базу, практически не рекомбинируя, достигают коллекторного перехода, что и приводит к существенному росту тока коллектора.

В схеме с общим эмиттером ток коллектора при лавинном размножении носителей заряда определяется выражением

откуда следует, что при α M = 1 ток I к . л а в . → ∞ , то есть условием возникновения лавинного пробоя является соотношение

где U к э 0. п р о б — напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода транзистора в схеме с общим эмиттером при I б = 0 .

Из соотношения (4.97) можно определить связь напряжений лавинного пробоя для схем с общей базой и общим эмиттером:

Выражение показывает, что напряжение лавинного пробоя в схеме с общим эмиттером меньше, чем в схеме с общей базой и тем меньше, чем больше коэффициент α и чем меньше коэффициент m .

Вторичный пробой

Наличие различных дефектов на поверхности и в объеме транзисторной структуры является причиной неоднородности проводимости кристалла в отдельных областях и, следовательно, неравномерности плотности тока.

Пробой, вызванный локальным увеличением плотности тока через коллекторный переход, носит название вторичного пробоя.

Локальное увеличение плотности тока приводит к локальному разогреву, что обусловливает:

· Увеличение тепловой генерации носителей заряда в коллекторном переходе, что вызывает дополнительное увеличение локальной плотности тока и еще больший локальный разогрев. При этом тепловая генерация носителей заряда может возрасти настолько, что область объемного заряда коллекторного перехода на участке локального разогрева исчезает.

· Локальное уменьшение толщины коллекторного перехода, повышение напряженности поля и увеличение ударной ионизации. При этом дополнительно увеличивается локальная плотность тока и локальный разогрев.

· Увеличение коэффициента передачи тока эмиттера на локальном участке из-за роста времени жизни носителей заряда. При этом также дополнительно увеличивается локальная плотность тока и локальный разогрев.

При вторичном пробое происходит резкое увеличение тока и уменьшение напряжения.

Если ток через транзистор при вторичном пробое не ограничен, то вторичный пробой приведет к локальному проплавлению базы транзистора, в которой образуется тонкая область того же типа электропроводности, что эмиттера и коллектора. При этом характеристики как эмиттерного, так и коллекторного переходов могут остаться неизменными, а эмиттерная и коллекторная области окажутся закороченными.

Если же ток через транзистор при вторичном пробое ограничить, то локальный разогрев может не привести к расплавлению кристалла. В этом случае иногда может существовать относительно стабильное состояние с малым падением напряжения между коллектором и эмиттером. Однако сохранение подобного состояния в течение длительного времени или неоднократные повторения вторичного пробоя обычно приводят к необратимым изменениям параметров транзистора в связи с локализацией выделяющейся мощности.

Следует отметить, что отсутствие дефектов в структуре транзистора не гарантирует от возникновения вторичного пробоя, так как неравномерность плотности тока возникает и под влиянием падения напряжения на поперечном сопротивлении базовой области при протекании базового тока.

Вероятность вторичного пробоя возрастает с увеличением рабочего тока и напряжения на коллекторном переходе, так как при этом локализация выделяющейся мощности проявляется сильнее.

Источник

Пробой транзистора

Пробой биполярного транзистора, если не учитывать резко встречающийся пробой эмиттерного р-n перехода, можно охарактеризовать тремя физическими механизмами:

— смыкание коллекторного и эмиттерного р-n переходов;

— лавинный пробой коллекторного р-n перехода,

Первый вид пробоя – смыкание коллекторного и эмиттерного р-n переходов обусловлен эффектом Эрли (см.3.5.2), то есть расширением ОПЗ коллекторного р-n перехода при увеличении коллекторного напряжения. Если база высокоомна, то ОПЗ коллектора расширяется в основном в сторону базы и если база очень тонкая (десятые доли микрона, что характерно для СВЧ транзисторов при определенном напряжении на коллекторе может наступить момент когда ОПЗ коллекторного перехода сомкнется с ОПЗ эмиттерного перехода (рис.3.26).

В схеме ОБ, так как, , а ток базы и то . Таким образом, в схеме ОБ при напряжении на коллекторе равном напряжению смыкания коэффициент передачи постоянного эмиттерного тока равен единице. В схеме ОЭ .

Следовательно, в схеме ОЭ в этом случае коэффициент передачи тока базы стремится к бесконечности.

Рисунок 3.26– Рисунок, поясняющий механизм смыкания эмитерного и коллекторного переходов

В предположении резкого коллекторного р-n перехода ширина ОПЗ определяется как

При , , следовательнодля n + p + транзистора.

,

Величины напряжений лавинного пробоя транзисторов, построенных по схемам ОБ и ОЭ, отличаются во много раз, что определяется механизмом стока дырок (случай n-р-n-транзистора), попадающих в область базы при лавинном умножении носителей в коллекторном р-n-переходе. Рассмотрим два крайних случая подключения электродов БТ для величин пробивных напряжений. Если база заземлена, а эмиттер отключен, то лавинный процесс в коллекторном переходе полностью определяется процессами, происходящими в отдельном р-n-переходе, а величина напряжения определяется как напряжение лавинного пробоя отдельно взятого р-n-перехода (см.1.11.1).

Если эмиттер заземлен, а база отключена, то дырки, попадающие в область базы из коллекторного р-n-перехода при лавинном умножении, не могут выйти в общий вывод и накапливаются в базе. Это приводит к понижению высоты потенциального барьера эмиттерного перехода и дополнительной инжекции электронов в базу. Дополнительный поток электронов в коллекторном переходе вызывает дополнительные акты ударной ионизации, то есть вызывают дополнительное количество дырок, которые втягиваются в базу, и т.д.

В качестве электрического параметра режима пробоя БТ в схеме ОЭ в отечественной литературе введено граничное напряжение (в иностранной литературе ) – это напряжение между коллектором и эмиттером при протекании через транзистор заданного тока коллектора и при токе базы, равном нулю. Исходя из определения, величину можно выразить через .

Известно, что коэффициент передачи тока эмиттера . Считая, что в активном режиме работы БТ , имеем . В режиме пробоя , и при каком-то значении величина может быть равна 1. Следовательно, при этом значении величины коллекторного напряжения ток базы равен нулю.

Известно, что

При , следовательно или

Источник