Пробой биполярного транзистора
Физические причины, вызывающие пробой переходов транзистора, те же, что и в полупроводниковом диоде (см. раздел 2). В то же время пробой переходов в транзисторах имеет определенную специфику, связанную с взаимодействием переходов и проявляющуюся главным образом в схеме с общим эмиттером, где напряжение uКЭ прикладывается к обоим переходам. В схеме ОБ напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода UКБ0 проб близко к напряжению пробоя изолированного перехода. Эмиттерный переход, как правило, работает при прямом смещении и его пробивное напряжение не представляет интереса, однако следует иметь в виду, что из-за сильного легирования эмиттера напряжение пробоя эмиттерного перехода мало — несколько вольт. В схеме ОЭ условия возникновения лавинного пробоя очень сильно зависят от режима базовой цепи. В случае, когда ток базы не ограничен (сопротивление в цепи базы RБ® 0) пробой коллекторного перехода происходит так же, как и в схеме ОБ, и возникает при том же пробивном напряжении на коллекторе UКБ0 проб. При фиксированном токе базы, когда базовая цепь питается от источника тока ( RБ®¥ ), проявляется механизм положительной обратной связи, снижающей пробивное напряжения. Его суть состоит в том, что образующиеся в переходе в результате ударной ионизации пары носителей заряда разделяются полем перехода: электроны уходят на коллектор, увеличивая его ток, а дырки скапливаются в базе, увеличивая ее потенциал и снижая потенциальный барьер в эмиттерном переходе. В результате увеличивается инжекция электронов из эмиттера в базу и растет коллекторный ток. Соответственно уменьшается пробивное напряжение. Наиболее сильно накопление дырок в базе происходит при отсутствии базового тока ( iБ=0), что соответствует разомкнутой цепи базы ( RБ = ¥ ). В этом режиме пробивное напряжение UКЭ0 проб оказывается в несколько раз ниже, чем в схеме ОБ, и определяется выражением:
UКЭ0 проб = UКБ0 проб 
(3.40)
где b= 2. 6 — коэффициент, зависящий от материала, из которого изготовлен транзистор. В связи с сильным уменьшением пробивного напряжения запрещается эксплуатация транзистора с разомкнутой базовой цепью.
На рис 3.29 приведены выходные характеристики транзистора в режиме пробоя. Помимо рассмотренных выше пробивных напряжений UКБ0проб и UКЭ0проб на рисунке показано напряжение UКЭRпроб, соответствующее некоторому конкретному сопротивлению RБ, включенному в цепь базы и определяющему ее ток. Из рисунка видно, что UКЭ0 проб
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:
| I к . л а в . = M I к = M ( α I э + I к б 0 ) = α M I э + M I к б 0 , | (4.95) |
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
| I к . л а в . = α M 1 − α M I б + M I к б 0 1 − α M , | (4.96) |
откуда следует, что при α M = 1 ток I к . л а в . → ∞ , то есть условием возникновения лавинного пробоя является соотношение
| α 1 − ( U к э 0. п р о б U к б 0. п р о б ) m = 1 , | (4.97) |
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:
| U к э . п р о б = U к б . п р о б 1 − α m . | (4.98) |
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
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
Основные параметры и характеристики биполярного транзистора.
Продолжаем разбирать все, что связано с транзисторами и сегодня у нас на очереди одна из наиболее часто используемых схем включения. А именно схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ)! Кроме того, на базе этой схемы мы рассмотрим основные параметры и характеристики биполярного транзистора. Тема важная и интересная, так что без лишних слов переходим к делу!
Название этой схемы во многом объясняет ее основную идею. Поскольку схема с общим эмиттером, то, собственно, эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Вот как выглядит схема с ОЭ для n-p-n транзистора:
Давайте снова разбирать все процессы для случая с использованием n-p-n транзистора. Для p-n-p суть остается той же, меняется только полярность.
Входными величинами являются напряжение база-эмиттер ( U_ <бэ>) и ток базы ( I_ <б>), а выходными — напряжение коллектор-эмиттер ( U_ <кэ>) и ток коллектора ( I_ <к>). Обратите внимание, что в этих схемах у нас отсутствует нагрузка в цепи коллектора, поэтому все характеристики, которые мы далее рассмотрим носят название статических. Другими словами статические характеристики транзистора — это зависимости между напряжениями и токами на входе и выходе при отсутствии нагрузки.
Характеристики биполярного транзистора.
Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач.
И первая на очереди — входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:
В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_ <кэ>):
Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь ВАХ диода. При U_ <кэ>= 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_ <кэ>ветвь будет смещаться вправо.
Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора — выходной! Выходная характеристика — это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы.
Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:
Видим, что при небольших значениях U_ <кэ>коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения — изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_ <кэ>(зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным режимам работы транзистора.
Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:
Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину.
Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_ <бэ>, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано 🙂
Небольшое дополнение. На этом участке выходной характеристики ток коллектора все-таки незначительно зависит от напряжения U_ <кэ>(возрастает с увеличением напряжения). Это связано с процессами, протекающими в биполярном транзисторе. А именно — при росте напряжения на коллекторном переходе его область расширяется, а соответственно, толщина слоя базы уменьшается. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. А это, в свою очередь, приводит к тому, что коэффициент передачи тока \beta , несколько увеличивается. Это и приводит к увеличению тока коллектора, ведь:
На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_ <кэ>уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_ <кб>. И при определенном значении U_ <кэ>= U_ <кэ \medspace нас>напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина — эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении.
В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу — навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_ <кэ>ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы.
Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора!
И, наконец, область 3, лежащая ниже кривой, соответствующей I_ <б>= 0 . Оба перехода смещены в обратном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый режим отсечки.
Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_
Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды! Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.
Основные параметры биполярных транзисторов.
Давайте теперь рассмотрим, какие существуют параметры биполярных транзисторов, и какие предельные значения они могут принимать.
| I_ <КБО>( I_ |
| I_ <ЭБО>( I_ |
| I_ <КЭО>( I_ |
| U_ <БЭ>( V_ |
| U_ <КБ \medspace проб>( V_ <(BR) CBO>) — напряжение пробоя перехода коллектор-база при определенном обратном токе коллектора и разомкнутой цепи эмиттера. Например, для все того же BC847: |
| U_ <ЭБ \medspace проб>( V_ <(BR) EBO>) — напряжение пробоя эмиттер-база при определенном обратном токе эмиттера и разомкнутой цепи коллектора. |
| U_ <КЭ \medspace проб>( V_ <(BR) CES>) — напряжение пробоя коллектор-эмиттер при определенном прямом токе коллектора и разомкнутой цепи базы. |
| Напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер — U_ <КЭ \medspace нас>( V_ |
| Конечно же, важнейший параметр — статический коэффициент передачи по току для схемы с общим эмиттером — h_ <21э>( h_ |
| f_ <гр>( f_ |
| И еще один параметр, который следует отнести к важнейшим — I_ <К>( I_ |
И на этом заканчиваем нашу сегодняшнюю статью, большое спасибо за внимание! Подписывайтесь на обновления и не пропустите новые статьи 🙂
Источник