Парадокс "оборванного коллектора"

shura1959 0

August 17, 2022

Posted August 17, 2022 · Report post

На форуме Вегалаб возник вопрос по появлению "неправильного" потенциала на не подключенном коллекторе npn транзистора. Привожу крпию текста , так сказать, эксперимента:

Замечания по поводу парадокса "оборванного коллектора".
1. Были исследованы схемы с оборванным коллектором и подачей обратного напряжения на переходы БЭ с NPN кремниевыми транзисторами КТ850, КТ602, 2SC3279, германиевым МП111, и PNP МП16. Обнаружено, что для кремниевых транзисторов при превышении обратного тока БЭ некоторого значения (при 10..20нА эффекта нет, после 1мкА эффект есть), на оборванном коллекторе появляется отрицательное напряжение -50...-400мВ. Предположительно, этот эффект вызван термогенерацией или фотоэффектом.
На германиевых транзисторах такого эффекта не обнаружено, даже при лавинном пробое БЭ перехода (это, кстати, 85 Вольт!!!) с током до 1мА (с имеющимися под руками ИП больше получить не удалось). Там на коллекторе присутствовало обычное напряжение утечки от падения напряжения на сопротивлении базы.
1.1 Намедни проверил и кремниевый PNP транзистор с оборванным коллектором, на эмиттере минус относительно базы, напряжение пробоя 16В. Эффект также есть, только на оборванном коллекторе +150мВ.

2. Проведён эксперимент с нагревом транзистора паяльником. При этом, если обратный ток ЭБ был в пределах 1мкА, то напряжение на оборванном коллекторе изменялось с -20мВ до +10мВ, а при обратном токе 1мА напряжение менялось с -400мВ до -200мВ. Предположительно, это можно объяснить двумя эффектами (или одним из двух) - уменьшением температурного градиента в кристалле, и увеличением при нагреве концентрации неосновных носителей в коллекторе (дырок).

3. Также проделан эксперимент с оборванным эмиттером. Были пробиты БК переходы (у кремниевых - около 90В, у германиевых 85В) с обратным током около 2мА. Парадоксальный эффект не обнаружен, а присутствует только утечка с сопротивления базы.

4. Попытаюсь выделить отличия и особенности ПП структур транзисторов (конкретные цифры достаточно условны, и составляют нечто среднее для БТ транзисторов).
Почему эффект "оборванного коллектора" отсутствует в германиевых транзисторах, пока не знаю.
У кремниевых отличия, на мой взгляд, такие:
4.1. Схема с оборванным коллектором.
- Область пространственного заряда обратносмещённого перехода БЭ имеет на порядок большую протяжённость в базе, чем в эмиттере, и составляет при Uобр.=6В около 1мкм, и, соответственно, генерация носителей обратного тока происходит ближе к коллектору.
- Длина свободного пробега носителей в коллекторе до момента рекомбинации составляет порядка 30мкм.
- Время жизни основных носителей в коллекторе условно составляет 1 мкс.

4.2. Схема с оборванным эмиттером.
- Область пространственного заряда обратносмещённого перехода БК имеет на порядок большую протяжённость в коллекторе, чем в базе, и составляет при Uобр.=6В около 1,5...2,0мкм, и, соответственно, генерация носителей обратного тока происходит дальше от эмиттера.
- Длина свободного пробега носителей в эмиттере до момента рекомбинации составляет порядка 0,2...0,5 мкм.
- Время жизни основных носителей в эмиттере условно составляет 0,01 мкс.

5. Выводы.
- Возможно, мы не наблюдаем эффекта в оборванном эмиттере, т.к. ещё "по дороге" есть база; там длина свободного пробега поменьше, и эмиттер получается "экранирован" от коллектора базой. На её сопротивлении падает ток утечки, часть которого, мы и видим на эмиттере.
- И длина свободного пробега, а, соответственно, и время жизни в эмиттере намного меньше чем в коллекторе.

Не могу сказать, что получилось обосновать складно и аргументировано, но с точки зрения электронейтральности, и закона сохранения энергии, вроде, похоже на правду. Прошу желающих поучаствовать в обсуждении, интересны любые идеи.

P.S. За пределами обсуждения пока остались: туннельный эффект, влияние "горячих" электронов, влияние эффекта Дембера (различная скорость диффузии дырок и электронов),и квантовые "чудеса".
++++++++++++++++++++++++++++++++++
Часть2.
Сообщение от sia_2 Посмотреть сообщение
рассчитайте встроенную разность потенциалов на обоих переходах,
Цитата Сообщение от sia_2 Посмотреть сообщение
Там работает разность встроенных потенциалов. У сплавных транзисторов ее нет, а у планарно-эпитаксиальных есть.
Пока всё же нет ясности в моёй голове. Вот сегодняшняя логика рассуждений для кремниевого планарного n-p-n транзистора:
При подаче обратного напряжения БЭ, на коллекторе относительно базы появляется отрицательный заряд, то бишь, электроны. Они могут там появиться, из моих соображений..., нет, не из моих соображений, а
- Из коллекторного вывода, он железный, электронов в нём много;
- В области пространственного заряда (опз) перехода б-к, и под действием поля ОПЗ перейти в коллектор;
- Прилететь в коллектор, или, хотя бы, в опз из базы, в базе планарного транзистора есть встроенная напряжённость поля (дрейфовый механизм движения заряда), она чуть-чуть гонит электроны к коллектору;
- Из ниоткуда, - этот вариант пока не рассматриваем;
Но, чтобы что-то из этого произошло, область база-коллектор должна быть выведена из равновесия.
Вывести из равновесия её могут, на мой взгляд:
- Приложение внешнего потенциала к выводу коллектора, - похоже, этого не наблюдается.
- Появление внутреннего градиента потенциала (?).
- Генерация избыточных пар носителей в области лавинного пробоя, только почему электроны полетят к оторванному коллектору, а не, как им положено, - в эмиттер?
- Излучение, т.е нагрев ОПЗ перехода б-к излучением, - возможный вариант при лавинном пробое (лп);
- Термогенерация за счёт локального разогрева области ЛП;

Опять же пока не понятно почему в сплавных германиевых транзисторах эффект не наблюдается? Вот Serge_L предположил разницу в структуре; попытаюсь, из моего скромного разумения, обозначить отличия участвующих в эксперименте Ge и Si транзисторов:
- Сплавная технология в Ge, и планарная в Si транзисторах;
- Преимущественно диффузный способ движения неосновных носителей в базе в Ge, и дрейфовый под действием встроенного поля в Si транзисторах;
- Низкое сопротивление коллектора в Ge и гораздо более высокое в Si транзисторах;
- В 3 раза более высокая подвижность носителей в Ge, чем в Si транзисторах;
- Напряжение открывания перехода 0,3В в Ge, и 0,6В в Si транзисторах;
- Обратный ток P-n перехода в Ge, в 1000...10000 раз (!) больше чем в Si транзисторах, может в этом и есть основная причина отсутствия эффекта в германии?
- Меньшее (?) количество поверхностных эффектов в Ge, чем в Si транзисторах;
- Отсутствие поверхностного диэлектрика в Ge, и наличие SiO2 в Si транзисторах;
- Наличие приповерхностных областей с более низким пробивным напряжением в Si и отсутствие(?) их в Ge транзисторах;
- Напряжение лавинного пробоя перехода б-э 80В в Ge, и 8В в Si транзисторах;
- Ширина запрещённой зоны 0,68В в Ge, и 1,21В Si;
- Оптическое поглощение 11...23 мкм в Ge, и 11...14 мкм в Si, некоторые области пропускания совпадают;

В общем, пока ясности по вопросу нема.