Эффект Кирка
Существует целый класс мощных транзисторов, которые должны работать при больших плотностях тока. Посмотрим, что изменится при этом.
Как было показано выше, существует граничная частота fгр ., которая коррелирует с временем пролета. Очевидно, что пролетное время определяется в первую очередь толщиной квазинейтральной части активной базы W A. Эта толщина определяется вычитанием из технологической толщины W Т размеров, занятых под пространственные заряды эмиттерного и коллекторного переходов. Поскольку эмиттерный переход находится в прямом смещении (в активном режиме) и, кроме того, он образован сравнительно сильнолегированными областями, то влиянием толщины области пространственного заряда на W A можно пренебречь и считать, что
, (131)
где 
- часть толщины слоя пространственного заряда коллекторного перехода со стороны базы. При малых плотностях коллекторного тока можно считать, что этот заряд образован исключительно ионами примеси в базе.
При больших плотностях тока ситуация меняется. Теперь для определения ширины ОПЗ надо решать уравнение Пуассона, в котором плотность пространственного заряда должна быть записана с учетом подвижных носителей заряда, участвующих в переносе коллекторного тока. Таким образом, рассматривая коллекторный переход p-n-p- транзистора, мы должны для плотности пространственного заряда со стороны базы брать сумму
r = qЧ (N Б + р), (132)
а для плотности пространственного заряда со стороны коллектора - разность
r = qЧ (N К - р), (133)
где р - концентрация свободных дырок, участвующих в переносе коллекторного тока. Очевидно, что чем больше плотность тока коллектора, тем выше эта концентрация. Влияние этих дырок проявится в расширении активной базы. Это явление получило в литературе название эффекта Кирка. Особенно сильно этот эффект проявляется в мощных высоковольтных транзисторах в силу их конструктивных особенностей (рис.26).
Рис.26. Фрагмент конструкции высоковольтного транзистора
Основная особенность таких транзисторов заключается в наличии слаболегированного слоя р– толщиной W К, за которым располагается сильнолегированная подложка р +.
Поскольку для любого двойного заряженного слоя выполняется равенство положительного и отрицательного зарядов, то для коллекторного перехода (рис.26) можно записать:
qЧ (N Б + р) W KБ = qЧ (N К - р) W KК, (134)
где W KБ - толщина положительно заряженной части ОПЗ коллекторного перехода, W KК - толщина отрицательно заряженной части ОПЗ коллекторного перехода. Как только концентрация свободных дырок с ростом коллекторного тока начнет приближаться к концентрации примеси в коллекторе, суммарная плотность отрицательного заряда в этой части ОПЗ начнет уменьшаться и стремиться к нулю. Плотность же положительного заряда (со стороны базы) будет возрастать. Это приведет к уменьшению W KБ и к увеличению W KК. С уменьшением W KБ толщина активной базы начнет расти. Возрастание толщины активной базы с ростом тока коллектора при неизменном напряжении на коллекторе и называется эффектом Кирка. При приближении r - к нулю соответствующий отрицательный заряд, необходимый для поддержания на коллекторном переходе фиксированного обратного смещения, будет возникать на границе высокоомного слоя коллектора с низкоомной подложкой. Наконец, при достижении некоторой критической плотности коллекторного тока плотность заряда в высокоомной части коллектора обращается в ноль. При большей плотности тока плотность заряда в высокоомной части коллектора меняет знак. Это означает, что теперь граница раздела между базой и коллектором будет проходить по слаболегированной эпитаксиальной пленке, перемещаясь с увеличением тока к границе с сильнолегированной подложкой, что равносильно резкому увеличению технологической толщины активной базы с W Т до W Т + W К. И если в современных мощных транзисторах технологическая толщина базы составляет единицы микрон, то толщина высокоомного коллекторного слоя зависит от расчетного напряжения пробоя и составляет десятки микрон (например, для транзистора, рассчитанного на 1 кВ, W К» 50 мкм.). Таким образом, при токе коллектора, превышающем некоторое значение, обеспечивающее критическую плотность заряда подвижных носителей, размеры активной базы могут увеличиться в несколько раз, что сразу же приведет к резкому снижению коэффициента передачи тока.
Эффект Кирка проявляется в изменении формы кривой, изображающей зависимость 
от 
(см. рис. 25). Вид этой зависимости с учетом данного эффекта приведен на рис.27.
Рис. 27. Влияние эффекта Кирка на граничную частоту усиления
На рис. 28 приведена обратная зависимость, т.е. зависимость от тока коллектора величины 
, где 
– частота, на которой измеряется 
и выполняется условие:
(135)
Спад 
на больших токах обусловлен расширением областей квазинейтральной базы и сдвигом пространственного заряда коллекторного перехода. Для количественной оценки этого эффекта вводится специальный параметр - критический ток коллектора J кр, который соответствует току, при котором граничная частота падает в 
раз от своего максимального значения.
Рис. 28. Зависимость граничной частоты от тока коллектора
Расчеты показывают, что критический ток приблизительно равен току коллектора, при котором достигается критическая плотность подвижного заряда в коллекторном переходе, т.е. когда выполняется условие N K = p.
Посмотрим, как рассчитать значение критической плотности коллекторного тока. Для этого надо связать с плотностью тока величину концентрации подвижных дырок. Поскольку коллектор находится под обратным смещением, то в слое его объемного заряда напряженность электрического поля велика настолько, что дрейфовая скорость дырок равна скорости насыщения vS»107 (см/с) и от поля не зависит. Это значит, что почти на всем протяжении области пространственного заряда коллекторного перехода выражение для коллекторного тока будет иметь вид
, (136)
где 
- некоторая эффективная площадь, через которую протекает коллекторный ток в плоскости коллекторного перехода. В первом приближении » 
.
Коллекторный ток достигнет критического значения, когда р сравняется с N К. Отсюда находим критический ток:
. (137)
