Дрейфовые транзисторы их параметры, преимущества и недостатки (стр. 3 из 6)
В транзисторах, изготовленных методом двойной односторонней диффузии (см. рис. 2.1.1), наличие тормозящего поля в начале базы частично или полностью компенсирует положительное влияние ускоряющего поля в остальной части базы. Распределение п(х) показано на рис. 2.1.2, б сплошной линией. Поэтому эффективные значения функции m(η) не столь высоки и могут быть даже меньше единицы. В таких транзисторах основной вклад в уменьшение постоянной накопления дает не поле в базе, а малая толщина базы, обеспечиваемая диффузионной технологией.
2.2 Физические процессы в дрейфовых транзисторах при больших плотностях тока
При больших плотностях тока концентрация электронов в базе п+-р-п-п+транзистора увеличивается, а в силу квазиэлектронейтральности увеличивается и концентрация дырок. Это приводит к повышению уровня инжекции в определенных частях базы и ликвидации там встроенного электрического поля. Для транзистора, полученного методом двойной односторонней диффузии, уровень инжекции электронов наиболее сильно увеличивается в приэмиттерной части, а затем и в приколлекторной части базы (рис. 2.16, в). Повышение концентрации дырок в базе вблизи ОПЗ эмиттера приводит к возрастанию доли тока дырок, инжектированных из базы в эмиттер, и снижению коэффициента инжекции. При дальнейшем увеличении тока уровень инжекции становится высоким практически во всей области базы [n(x)>>|N(x)|] и процессы переноса электронов в базе дрейфового транзистора подобны процессам в базе бездрейфового транзистора. Указанные процессы определяют зависимость коэффициента передачи тока от тока коллектора (или эмиттера). Эффекты Кирка и квазинасыщения дают дополнительный вклад в спад коэффициента передачи тока транзистора при больших плотностях тока.
Рассмотрим физические процессы, происходящие в базе транзистора при произвольных уровнях инжекции. Граничное условие для носителей заряда в базе на границе ОПЗ эмиттера имеет вид[4]
(2.2.1)Подставив (2.2.1) в (2.1.4) и полагая х=х2Э, получим выражение для сквозного тока электронов в базе
(2.2.2)Интеграл от концентрации дырок р(х) в базе с помощью условия квазиэлектронейтральности (2.1.8) можно представить в виде
(2.2.3)Здесь Qpи Qn — заряды дырок и электронов в квазиэлектронейтральной базе, a QВ0 — заряд равновесных дырок в базе:
(2.2.4) 
(2.2.5)Известно,[4] что при низком уровне инжекции заряд электронов в базе Qn пропорционален сквозному току 1пх. Коэффициент пропорциональности представляет собой постоянную накопления заряда электронов в базе и определяется (2.1.23). При высоком уровне инжекции [п(х)>>|N(х)|] пропорциональность между Qn и Inx по-прежнему сохраняется, но коэффициент пропорциональности имеет другое значение, определяемое формулой [3]:
(2.2.6)В общем случае
(2.2.7)где т=т(η) при низком уровне инжекции и т=2 при высоком уровне инжекции электронов в базе.
Выражение (2.2.2) с учетом (2.2.4) , (2.2.5) и (2.2.7) можно представить в виде
(2.2.8)В (2.2.8) обозначено
; (2.2.9) 
(2.2.10)Ток /Эns определяет электронную составляющую тока насыщения эмиттерного р-п перехода при низком уровне инжекции. Ток ikf является характеристическим током, определяющим границу между низким и высоким уровнями инжекции электронов в базе.
Далее будем рассматривать нормальный активный режим. Для этого режима UK<<-φT, и поэтому
(2.2.11)Использовав (2.2.11), можно установить связь между напряжением Uэ и сквозным током Inx.
(2.2.12)Определим ток объемной рекомбинации электронов в базе, В соответствии с [4] этот ток
(2.2.13)Время жизни электронов зависит от концентрации легирующих примесей [4], а поэтому и от координаты. Тогда в соответствии с [4] запишем
(2.2.14) 
(2.2.15)где τпо(То), τро(Tо) определяются при Tо=300 К.
При высоком уровне инжекции можно считать, что концентрация электронов в базе уменьшается практически линейно от ее значения nрэ у эмиттера до нуля у коллектора:
(2.2.16)Кроме того, при высоком уровне инжекции
(2.2.17)С учетом этих предположений можно ввести эффективное (усредненное) время жизни электронов в базе в соответствии с выражением
(2.2.18)где интегрирование проводится в пределах квазиэлектронейтральной базы от x2Э до x1K.
С учетом (2.2.18) и (2.2.7) ток объемной рекомбинации электронов в базе определяется выражением
(2.2.19)Для расчета коэффициента передачи тока необходимо определить ток дырок, инжектированных из р-базы в п+-эмиттер. Дырки, проникающие в эмиттер дрейфового транзистора, перемещаются в нем не только за счет диффузии, но и под действием электрического поля, обусловленного неоднородным легированием эмиттера, а также эффектом сужения запрещенной зоны в сильнолегированном эмиттере. В состоянии термодинамического равновесия ток электронов эмиттера равен нулю. Положим в уравнении [4]
(2.2.20)где ∆φG=∆EG/q, ∆EG-сужение запрещенной зоны;
A- коэффициент асимметрии в сужении (А=0,5).
Jnx=0 и использовав соотношение Эйнштейна, выразим напряженность электрического поля:
(2.2.21)Подставив (2.2.21) в уравнение для плотности тока дырок [4],
(2.2.22)получим
(2.2.23)Дрейфовый ток дырок пропорционален эффективной напряженности электрического поля для дырок[4]:
(2.2.24)Первый член в этом выражении является «классической» составляющей напряженности электрического поля, обусловленного неоднородным легированием. Второй член отражает наличие добавочной силы, связанной с изменением валентных сил в кристалле, обусловленных сильным легированием (эффект СЗЗ). Для транзистора с распределением концентрации легирующих примесей, показанным на рис. 2.1.1, первая составляющая поля Ep1 при НУИ направлена по оси х и тормозит дырки, инжектированные в эмиттер. Вторая составляющая поля Ep2<0 и уменьшает тормозящее поле для дырок в эмиттере. Таким образом, влияние СЗЗ приводит к дополнительному накоплению заряда дырок в эмиттере, увеличению концентрации дырок дырочного тока эмиттера и к уменьшению коэффициента инжекции.
Распределение электрического поля и концентрация дырок в эмиттере.
Рис.2.2.1
Примерное распределение Ер(х) в квазиэлектронейтральной области эмиттера показано на рис. 2.2.1,а. Без учета сужения запрещенной зоны Ep1 определяется кривой 1, а с учетом — кривой 2. Обычно при низком уровне инжекции тормозящее электрическое поле достаточно велико, и дырки, диффундирующие против поля, проникают в эмиттер на небольшое расстояние, на котором Ер мало изменяется. Для оценочного расчета р(х) будем полагать, что на этом расстоянии электрическое поле Ер, коэффициент диффузии дырок Dp и их время жизни τр постоянны и соответствуют значениям, рассчитанным при х=х1Э. Подставив (2.2.23) в уравнение непрерывности для дырок[4]
(2.2.25)получим для стационарного режима
(2.2.26)где
— диффузионная длина дырок.Приближенное решение этого дифференциального уравнения имеет вид
(2.2.27)где рпэ ==р(х1Э)) — концентрация дырок при х=х1э (рис. 2.2.1,6).
В этом случае характеристическая длина L*, на которой концентрация дырок спадает в е раз, называется диффузионной длиной против поля. Она определяется выражением