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 u_КЭ прикладывается к обоим переходам. В схеме ОБ напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода U_{КБ0 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 R_Б® 0) пробой коллекторного перехода происходит так же, как и в схеме ОБ, и возникает при том же пробивном напряжении на коллекторе U_{КБ0 проб}. При фиксированном токе базы, когда базовая цепь питается от источника тока ( R_Б®¥ ), 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 ( i_Б=0), что соответствует разомкнутой цепи базы ( R_Б = ¥ ). В этом режиме пробивное напряжение U_{КЭ0 проб} оказывается в несколько раз ниже, чем в схеме ОБ, и определяется выражением:

U_{КЭ0 проб} = U_{КБ0 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 U_{КБ0проб} и U_{КЭ0проб} на рисунке показано напряжение U_{КЭRпроб}, соответствующее некоторому конкретному сопротивлению R_Б, включенному в цепь базы и определяющему ее ток. Из рисунка видно, что U_{КЭ0 проб} < U_{КЭR проб}< U_{КБ0 проб}. Для увеличения напряжения пробоя коллекторного перехода степень легирования коллектора стараются выбирать достаточно низкой. Так же, как и в полупроводниковом диоде, обратимый лавинный пробой (называемый иногда первичным пробоем) при отсутствии ограничения тока может перейти в тепловой пробой (вторичный пробой), характеризующийся уменьшением напряжения u_КЭ (см. рис. 3.29) и приводящий к выходу транзистора из строя. При этом в транзисторе опасность возникновения теплового пробоя оказывается значительно сильнее, чем в диоде. Это объясняется тем, что за счет инжекции электронов из эмиттера в базу через обратно- смещенный коллекторный переход при больших напряжениях протекает большой обратный ток и, соответственно, велика мощность, рассеиваемая в переходе. Тепловой пробой наступает в том случае, когда рассеиваемая на коллекторе мощность P_К =u_КЭ ×i_К превышает максимально допустимую рассеиваемую мощность P_{К МАКС}. Гипербола, соответствующая допустимой мощности, показана пунктиром на рис. 3.29. Кроме лавинного и теплового пробоя в транзисторах с очень узкой базой возникает специфический для транзисторной структуры вид пробоя, называемый эффектом смыкания. Он связан с эффектом Эрли и заключается в том, что при очень большом обратном напряжении коллекторный переход, расширяясь, заполняет всю базовую область и смыкается с эмиттерным переходом, что эквивалентно их короткому замыканию.