Дрейфовые транзисторы их параметры, преимущества и недостатки
Факультет электронной техники
Кафедра микроэлектроники
КУРСОВАЯ РАБОТА
на тему: “Дрейфовые транзисторы их
параметры, преимущества и недостатки”
Содержание
1.
Определение, структура и особенности дрейфового транзистора
2. Физические
процессы в базе дрейфового транзистора
2.1 Процессы
в базе при низком уровне инжекции
2.2 Процессы
в базе при больших плотностях тока
3. Влияние
неравномерного распределения примесей в базе на параметры дрейфового
транзистора
Список
использованных источников литературы.
1.
Определение, структура и особенности дрейфового транзистора
Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь
процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в
базе может существовать или отсутствовать электрическое поле. Если при
отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует
движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор
называют дрейфовым, если же поле в базе отсутствует — бездрейфовым. По
принципу действия дрейфовый и бездрейфовый транзисторы одинаковы. Отличаются
они только механизмом переноса носителей через базовую область. В дрейфовом
транзисторе скорость носителей в базе увеличивается вследствие действия
дрейфового поля, что приводит к различиям в численных значениях параметров двух
типов транзисторов.
Рассмотрим типичную структуру дрейфового транзистора, создаваемого
методом двойной диффузии (рис.1.1).[1]
Структура дрейфового транзистора.
Рис. 1.1.
Пусть в качестве исходного
материала используется полупроводник р-типа с концентрацией примеси Na0.
С поверхности полупроводника происходит диффузия акцепторной и донорной
примесей, причем на поверхности Na>Nd. Будем считать,
что диффузия примесей происходит по простому закону [1].
Существенное влияние на результирующее распределение примесей оказывает
то, что коэффициент диффузии акцепторной примеси значительно отличается от
коэффициента диффузии донорной примеси. поэтому, например, в германии
концентрация акцепторной примеси быстрее убывает с расстоянием вглубь
полупроводника, чем концентрация донорной (рис.1.2,а). Для получения более
ясной картины построим на основе рис.1.2,а зависимость разности Na-Nd
от x (рис. 1.2,б).
Распределение примесей в дрейфовом транзисторе.
Рис.1.2.
теперь видны три области в полупроводнике: р-типа (x<0, Na-Nd>0),
п-типа (W>x>0, Na-Nd<0), р-типа (x>W, Na-Nd>0).
первая область может использоваться в качестве эмиттера транзистора, вторая — в
качестве базы, третья — коллектора. Обычно режим диффузии выбирается так, что Naэ>>
Ndб,ср>> Naк (Ndб,ср — средняя
концентрация примесей в базе). поэтому приближенно распределение примесей можно
изобразить в виде рис. 1.2,в.
Вследствие неравномерного распределения примесей в базе (рис. 1.2,г)
существуют встречные диффузионные потоки электронов и дырок, которые приводят к
образованию электрического поля в базе. Образование электрического поля можно
объяснить следующим образом. Концентрация атомов донорной примеси в базе
транзистора p-n-p-типа велика у эмиттера и мала у коллектора. Так же
распределяется и концентрация свободных электронов, поскольку свободные
электроны создаются вследствие ионизации атомов донорной примеси. часть
свободных электронов от эмиттера уходит к той части области базы, которая
расположена у коллекторного перехода. Это перемещение создает избыточный
положительный заряд ионов у эмиттерного и избыточный отрицательный заряд электронов
у коллекторного перехода. таким образом, создаются электрическое поле и наклон
энергетических зон в базовой области (рис. 1.3). Электрическое поле в базе
направлено от эмиттера к коллектору и, следовательно, способствует движению
дырок в этом направлении.[2]
Рис.1.3. Дрейфовый транзистор
особенности дрейфовых транзисторов. Как известно[3], диффузионная
технология позволяет получить очень тонкую базу, что само по себе (даже без учета
распределения примесей) приводит к ряду важных следствий. А именно при прочих
равных условиях существенно уменьшается время диффузии tD и
увеличивается коэффициент передачи β, поскольку эти параметра зависят от
квадрата толщины базы[3]. Толщина базы у дрейфовых транзисторов в 5-10 раз
меньше, чем у диффузионных, а потому время диффузии tD и постоянная
времени τα, оказывается меньше в десятки раз;
соответственно увеличивается граничная частота fα. Коэффициент передачи β по тем же соображениям должен был бы
доходить до 1 000 и больше. На самом деле он значительно меньше и обычно не
превышает 100-200. Это объясняется тем, что величины α и β зависят не только от толщины базы,
но также от времени жизни и коэффициента инжекции. В связи с повышенной
концентрацией примесей вблизи эмиттера, а значит, малым удельным сопротивлением
время жизни в базе дрейфового транзистора значительно меньше, чем у
диффузионных транзисторов, а коэффициент инжекции более заметно отличается от
единицы [3].
Теперь учтем неравномерное распределение примесей в базе на примере р-п-р
транзистора (рис. 1.4, где LД — длина диффузии доноров) и покажем те
следствия, к которым приводит такая неравномерность.
Рис.1.4. Распределение
примесей в базе дрейфового транзистора.
прежде всего, очевидно, что
слой базы, прилегающий к коллекторному переходу, является почти собственным
полупроводником, так как здесь продиффундировавшие донорные атомы в
значительной мере компенсируют акцепторные атомы исходного кристалла.
следовательно, удельное сопротивление этого слоя базы велико и коллекторный
переход оказывается довольно широким. Соответственно емкость Ск
получается значительно (почти на порядок) меньшей, чем у диффузионных
транзисторов, и составляет несколько пикофарад. По вполне понятным причинам
коллекторный переход является плавным, а не ступенчатым, и потому емкость Ск
описывается формулой [3].
(1.1)
где l -ширина перехода.
По мере удаления от коллектора
в глубь базы концентрация доноров растет, а удельное сопротивление уменьшается.
Результирующее сопротивление базы можно рассматривать как результат
параллельного соединения отдельных слоев базы, имеющих равную удельную
проводимость. поскольку неоднородность базы является основой дрейфового
механизма транзистора, концентрацию Nd(0) делают весьма большой; Nd(0)
>> Na. к, где Na. к — концентрация акцепторов в
исходной пластинке (рис.1.4). Очевидно, что сопротивление rб
определяется в основном тем участком базы, который прилегает к эмиттерному
переходу и имеет наибольшую удельную проводимость. Поэтому, несмотря на
значительно меньшую толщину базы W, величина rб у дрейфовых
транзисторов примерно такая же, как у диффузионных, и даже меньше.
Эмиттерный переход у
дрейфовых транзисторов, как правило, ступенчатый. Поскольку граничная
концентрация доноров Nd(0) велика, концентрация акцепторов в
эмиттере должна быть еще большей и эмиттерный переход получается очень узким. В
результате при подаче на эмиттер отрицательного запирающего напряжения этот
переход легко пробивается. Обычно пробой носит полевой характер [3] и
происходит при очень небольшом напряжении (1-2 в). Пробой эмиттера оказывает
значительное влияние на работу многих импульсных схем, в которых запирание
триода является необходимым элементом рабочего цикла. Эта важная специфика
дрейфовых транзисторов не является, однако, препятствием для применения их в
ключевых схемах, так как пробой перехода при ограниченном токе является
обратимым явлением (как в опорном диоде) и не представляет никакой опасности.
Инжекция в режиме пробоя, как известно, отсутствует и, следовательно, по
коллекторной цепи триод остается запертым.
меньшая ширина эмиттерного перехода у дрейфовых триодов при прочих равных
условиях означает большую величину барьерной емкости СЭ. Это
обстоятельство вместе с гораздо более высокой частотой ƒα делает существенным влияние емкости
СЭ на коэффициент инжекции [3]. иначе говоря, частотные свойства
дрейфовых транзисторов могут ограничиваться не временем диффузии, а постоянной
времени rЭСЭ. Для того чтобы уменьшить влияние барьерной
емкости СЭ, часто используют дрейфовые транзисторы при большем токе
эмиттера, например 4-5 ма вместо 1 ма. Тогда сопротивление rЭ
уменьшается и постоянная времени rЭСЭ оказывается
достаточно малой. В сущности, критерием при увеличении тока является условие СЭ
< СЭ. Д, где СЭ. Д - диффузионная емкость эмиттера
[3].
(1.2)
где tD-среднее
время диффузии(пролета носителей через базу).
Заметим еще, что коллекторный
слой у дрейфовых транзисторов имеет сравнительно большое сопротивление. Это
объясняется, во-первых, значительной толщиной коллектора (она близка в толщине
исходной пластинки) и, во-вторых, тем, что исходная пластинка имеет довольно большое
удельное сопротивление (ρ≥
омÌсм}. последнее обстоятельство обусловлено тем, что в противном случае
нельзя было бы обеспечить существенную разницу в концентрациях NБ(0)
и NБ (W), а это в значительной степени лишило бы дрейфовый
транзистор тех его особенностей, которые связаны с наличием собственного поля и
базе. Сопротивление коллекторного слоя особенно важно учитывать в ключевых
схемах, построенных на дрейфовых транзисторах.
2.
Физические процессы в базе дрейфового транзистора
2.1
Физические процессы в базе дрейфового транзистора при низком уровне инжекции
рассмотрим физические процессы в базе на основе дрейфового транзистора n+-p-n-n+
типа изготовленного по методу двойной односторонней диффузии.
Распределение легирующих примесей и результирующей примеси в n+-p-n-n+
дрейфовом транзисторе в соответствии с [4] изображено на рис. 2.1.1, б, в, где
N1(x) — распределение акцепторной примеси, формирующей базу, a N10(x)
— ее поверхностная концентрация. Эмиттер формируется донорной примесью с
распределением N2(x) и поверхностной концентрацией N20(x).
а) структура, б)
распределение легирующих примесей, в) результирующее распределение примеси.
Рис.2.1.1 Дрейфовый
транзистор n+-p-n-n+ типа.
Сильнолегированный n+-слой
коллектора является подложкой транзисторной структуры, концентрация доноров в
которой NП. На рис. 2.1.1, в представлено распределение
результирующей примеси и обозначены границы ОПЗ эмиттерного и коллекторного р-п
переходов. Концентрация примеси в базе (рис. 2.1.1, в) максимальна, как правило,
в левой трети базы, примыкающей к эмиттеру. В этой части базы создается не
ускоряющее, а тормозящее электроны электрическое поле, что отрицательно
сказывается на усилительных и частотных свойствах транзистора. однако то, что
толщина базы дрейфовых транзисторов мала, полностью окупает недостатки,
связанные с наличием участка тормозящего поля в базе.
Расчет параметров и характеристик дрейфовых транзисторов осложнен тем
обстоятельством, что концентрация легирующей примеси в слоях транзистора
зависит от координаты. Зависят от координаты подвижность, коэффициент диффузии
и время жизни носителей заряда. Это создает серьезные математические трудности
для получения расчетных соотношений на основе решения уравнения непрерывности.
Получение конечных результатов в аналитической форме в этом случае возможно
только для ограниченного числа упрощенных модельных задач.
Для расчета основных соотношений в дрейфовом транзисторе воспользуемся
приближенным теоретическим подходом[4]. В дрейфовом транзисторе с узкой базой
при WБ /Ln<0,5 объемная рекомбинация слабо влияет на
распределение электронов в базе п(х). поэтому для отыскания распределения п(х)
можно считать, что в первом приближении сквозной ток электронов Jnx
в базе постоянен. С учетом этого допущения, подставив выражение для поля Ех
[3]
(2.1.1)
в уравнение для тока
электронов и использовав соотношение Эйнштейна Dn=μnφT, получим
(2.1.2)
В этом уравнении переменные
разделяются, и поэтому
(2.1.3)
В (2.1.3) верхний предел
интегрирования x1К является левой границей ОПЗ коллекторного
перехода (рис. 2.1.1, в). Взяв интеграл в левой части (2.1.3), получим
(2.1.4)
При записи правой части мы где WБ =x1K -x1Э-толщина В соответствии с граничным условием pn=ni2exp(U/φT) [4] для носителей заряда у коллектора имеем (2.1.5) Выражая из (2.1.4) (2.1.6) Запишем условие p(x)-n(x)+N(x)≈0 или p(x)=n(x)-N(x), (2.1.8) Выражение (2.1.6) с учетом (2.1.8) представляет собой интегральное n(x)<< - N(x), p(x)≈ - N(x) . (2.1.9)
Во избежание недоразумений напомним, что знак результирующей концентрации Таким образом, в нормальном активном режиме работы транзистора (UK<<-φT) и низком уровне инжекции электронов в базе
С помощью полученного выражения рассмотрим практически важный N*(x)=-N*10·e-ax+N0=-NАЭ параметры аппроксимации определяются N*10=NАЭexp(axЭ). (2.1.12) учитывая то что напряженность (2.1.13) Получаем (2.1.14) Это означает, что при (2.1.15) Таким образом, фактор поля Подставляя (2.1.11) в (2.1.16) В бездрейфовом транзисторе η =o, и распределение концентрации а) распределение концентрации Рис. 2.1.2. Уменьшается и общий заряд (2.1.17) и (2.1.18) и учитывая, что 1пх= (2.1.19) (2.1.20) Функция F (η) учитывает влияние ускоряющего поля в базе и (2.1.21) График зависимости т(η) приведен на рис. 2.1.2,6. Штриховая линия (2.1.22) Таким образом, коэффициент (2.1.23) При наличии тормозящего поля В транзисторах, изготовленных 2.2 При больших плотностях тока концентрация электронов в базе п+-р-п-п+ Рассмотрим физические процессы, происходящие в базе транзистора при (2.2.1) Подставив (2.2.1) в (2.1.4) и полагая х=х2Э, получим выражение (2.2.2) Интеграл от концентрации (2.2.3) здесь Qp и Qn — заряды дырок и электронов в (2.2.4) (2.2.5) Известно,[4] что при низком (2.2.6) В общем случае (2.2.7) где т=т(η) при низком уровне инжекции и т=2 при высоком уровне Выражение (2.2.2) с учетом (2.2.8) В (2.2.8) обозначено ; (2.2.9) (2.2.10) ток /Эns далее будем рассматривать (2.2.11) Использовав (2.2.11), можно (2.2.12) Определим ток объемной (2.2.13) Время жизни электронов (2.2.14) (2.2.15) где τпо(То), τро(Tо) При высоком уровне инжекции (2.2.16) кроме того, при высоком (2.2.17) С учетом этих предположений где интегрирование проводится С учетом (2.2.18) и (2.2.7) (2.2.19) Для расчета коэффициента (2.2.20) где ∆φG=∆EG/q, A- коэффициент асимметрии в Jnx=0 и (2.2.21) Подставив (2.2.21) в (2.2.22) получим (2.2.23) Дрейфовый ток дырок пропорционален эффективной напряженности (2.2.24) первый член в этом выражении является «классической» составляющей Распределение электрического поля и концентрация дырок в эмиттере. Рис.2.2.1 Примерное распределение Ер(х) (2.2.25) получим для стационарного (2.2.26) где- диффузионная длина дырок. Приближенное решение этого дифференциального уравнения имеет вид (2.2.27) где рпэ ==р(х1Э)) В этом случае (2.2.28) где ηЭ=EpLp/φT фактор поля; , при ηЭ»1. таким образом, при низком (2.2.29) Учитывая, что , окончательно можно записать (2.2.30) (2.2.31) Полученные выражения позволяют определить коэффициент передачи тока базы (2.2.32) где первые две составляющие (2.2.33) Интегральный коэффициент (2.2.34) Подставив в (2.2.34) (2.2.35) где IRS=I2R)/IЭns-характеристический Так как в данной постановке задачи IK≈IЭ=Inx, Зависимость коэффициента передачи тока от тока коллектора. Рис. 2.2.2 Спад β в области малых токов обусловлен рекомбинацией Зависимость коэффициента передачи тока β от напряжения коллектор-эмиттер Uкэ 3. влияние Увеличение скорости движения носителей через базу в первую очередь Увеличение предельной частоты приводит к изменению основных фазовых (3.1) где т =0,5- 0,8, β-коэффициент переноса. Расчетным путем получено и (3.2) где К=0,5·ln(NЭ/NК)-показатель Зависимость предельной (3.3) или (3.4) Так как множитель перед (3.5) Или (3.6) Первое выражение проще, но Полагая NЭ = 1017 поскольку дрейфовые Для того чтобы оценить роль ƒβ= Удельная емкость эмиттерного Емкость эмиттерного перехода Вычисленное области Связь между током эмиттера и Задаваясь значениями тока Можно видеть, что в данном случае предельная частота fα транзистора будет определяться не Другими словами, малая предельная частота коэффициента инжекции имеет таким образом, коэффициент передачи тока α(ω) дрейфового транзистора будет (3.7) Частотная зависимость каждого (3.8) (что для β*(ω) будет справедливо только на частотах ω <
ωβ*), то выражение
для | α
| будет иметь вид
(3.9) Решение такого уравнения в (3.10) (3.11) где ω1 и ω2- частоты и (3.12) следующим образом: (3.13) Зная отношение частот , можно найти С (х) (по графику функции С(x)[5]) и определить Несколько сложнее учесть ƒ123=ƒ12C(x), можно лишь с некоторыми Отметим, что если одна из Полагая f1 = ƒβ = 100 Мгц и ƒ2 = ƒγ = 46,5 Мгц, получаем х = 0,465, С (х) = 0,42 и ƒα Следует отметить еще одну (3.14) Возможный выигрыш в (3.15) сопровождается При получении зависимости Следует учитывать, что Таким образом, можно сделать Однако увеличение ширины другим недостатком дрейфовых транзисторов с широким коллекторным Высокое удельное сопротивление области коллектора нежелательно и из тех Распределение избыточных концентраций доноров и акцепторов в дрейфовом Рис. 3.1. Толщина эпитаксиальной высокоомной пленки выбирается таким образом, чтобы При изменении напряжения на коллекторе сначала (при малых напряжениях) Зависимость распределения объемного заряда в диффузионном переходе и Рис. 3.2. При достаточно высоких График изменения распределения неравновесных носителей с изменением Рис. 3.3. Расширение перехода в глубь Из графиков рис. 3.3 можно Величина диффузионной емкости коллектора может быть рассчитана по формуле (3.16) Обратим внимание на один интересный момент. Из графика рис. 3.1 можно Практически мы работаем при токах, обеспечивающих в этой области довольно Перейдем к рассмотрению влияния величины подвижности на основные При концентрациях доноров (германий n-типа) свыше 1015 см-3 (3.17) Этим выражением можно (3.18) соотношением (3.19) где η- фактор поля. Полагая, что дырки движутся (3.20) получаем, что средняя (3.21) Определяя интегрированием (3.22) можно рассчитать среднюю (3.23) Средняя подвижность будет (3.24) где μp Уменьшение подвижности с ростом концентрации примесей должно привести к Расчеты и эксперименты показывают, что для таких дрейфовых транзисторов, Для дрейфовых транзисторов типа П401-П403 концентрация у коллекторного список 1. Викулин 2. Спиридонов 3. Степаненко 4. Тугов 5. Федотов
воспользовались условием Jnx=const и вынесли из-под знака интеграла
усредненное
квазиэлектронейтральной базы.
концентрацию электронов, получаем
квазиэлектронейтральности заряда в базе:
(2.1.7)
уравнение для нахождения п(х) при произвольном уровне инжекции. В общем случае
оно может быть решено только численными методами. При низком уровне инжекции
электронов в базе выражение (2.1.6) можно упростить, так как этому условию
соответствует
примеси в базе определяется знаком заряда ионов акцепторов, т. е. сама
результирующая концентрация примеси в базе N(x)<0 (рис. 2.1.1, в). кроме
того, знак минус перед Jnx в выражении (2.1.6) связан с тем, что
вектор плотности тока электронов направлен против оси х, т.е. Jnx<0.
При подсчете тока электронов, учтя положительное направление тока IЭ
(стрелка на рис. 2.1.1, а), будем далее полагать Inx=-SЭJnx.
можно получить распределение п(х) в аналитическом виде, если интеграл от N(x)
выражается в квадратурах. В противном случае необходимо применять численные
методы.
случай, когда реальную зависимость N(x) в базе можно аппроксимировать
экспонентой. На рис. 2.1.1,6 такая аппроксимация соответствует штриховой линии,
которая проходит через точки графика с координатами (хЭ, NАЭ)
и (xК, No), т.е.
exp(-a(x-xЭ)+N0. (2.1.11)
следующим образом:
электрического поля равна[4]:
экспоненциальном распределении примеси напряженность электрического поля
практически во всей квазиэлектронейтральной базе постоянна, за исключением
небольшой приколлекторной части базы, как правило, занятой ОПЗ коллекторного
перехода. знак минус означает, что поле в базе направлено против оси х, т. е.
ускоряет электроны от эмиттера к коллектору. Для оценки «силы» влияния
ускоряющего поля в базе вводят понятие фактора поля, который показывает, во
сколько раз разность потенциалов в базе ΔUБx=ExWБ0, возникающая за счет наличия
«встроенного» поля в базе Ех, больше φТ:
тем больше, чем больше перепад концентрации акцепторов в базе. например, при NАЭ
= 1016 см-3 , N0=1014 см -3
имеем η=4,6.
(2.1.10) и учитывая, что практически во всей базе N* (х) >>N0),
получаем
электронов в базе практически линейно. При наличии ускоряющего (η >o) электрического поля часть
тока электронов по-прежнему переносится за счет диффузии, а другая часть — за
счет дрейфа. По этой причине градиент концентрации электронов вблизи эмиттера
уменьшается, как показано на рис. 2.1.2 [4]
электронов от координаты, б) -зависимость m(η} в транзисторе с ускоряющим полем в базе, в) распределение п(х) в
реальном транзисторе
электронов Qn в базе. Это приводит к уменьшению тока объемной
рекомбинации электронов в базе JvA=Qn/τn, а
значит, к возрастанию коэффициента переноса при увеличении ускоряющего поля в
базе. Вычисляя заряд Qn и ток объемной рекомбинации электронов в
базе в соответствии с выражениями [4]:
=-SэJпх, получаем
определяется выражением
соответствует линейной аппроксимации m(η)≈1+0,45η.
переноса в дрейфовом транзисторе оказывается больше, чем в транзисторе с
однородной базой такой же толщины, так как значения функции F(η)
электронов в базе дрейфового транзистора сильно уменьшается с ростом
ускоряющего поля в базе.
в базе (знак фактора поля η
меняется на противоположный) τα увеличивается с ростом η, а коэффициент переноса χ сильно уменьшается.
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.
Физические процессы в дрейфовых транзисторах при больших плотностях тока
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.
произвольных уровнях инжекции. Граничное условие для носителей заряда в базе на
границе ОПЗ эмиттера имеет вид[4]
для сквозного тока электронов в базе
дырок р(х) в базе с помощью условия квазиэлектронейтральности (2.1.8) можно
представить в виде
квазиэлектронейтральной базе, a QВ0 — заряд равновесных дырок в
базе:
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
инжекции электронов в базе.
(2.2.4) , (2.2.5) и (2.2.7) можно представить в виде
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.
нормальный активный режим. Для этого режима UK<<-φT, и
поэтому
установить связь между напряжением Uэ и сквозным током Inx.
рекомбинации электронов в базе, В соответствии с [4] этот ток
зависит от концентрации легирующих примесей [4], а поэтому и от координаты.
Тогда в соответствии с [4] запишем
определяются при Tо=300 К.
можно считать, что концентрация электронов в базе уменьшается практически
линейно от ее значения nрэ у эмиттера до нуля у коллектора:
уровне инжекции
можно ввести эффективное (усредненное) время жизни электронов в базе в
соответствии с выражением
в пределах квазиэлектронейтральной базы от x2Э до x1K.
ток объемной рекомбинации электронов в базе определяется выражением
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]
∆EG-сужение запрещенной зоны;
сужении (А=0,5).
использовав соотношение Эйнштейна, выразим напряженность электрического поля:
уравнение для плотности тока дырок [4],
электрического поля для дырок[4]:
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.
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]
режима
— концентрация дырок при х=х1э (рис. 2.2.1,6).
характеристическая длина L*, на которой концентрация дырок спадает в е раз,
называется диффузионной длиной против поля. Она определяется выражением
функция
уровне инжекции дырочный ток эмиттера (при x=x1Э) определяется
выражением
для нормального активного режима. Ток базы транзистора
тока базы определяются выражениями (2.2.19), (2.2.30), (2.2.31) , а третья
(связана с рекомбинацией в ОПЗ) в соответствии с[4]
передачи тока базы
выражения (2.2.19), (2.2.30), (2.2.31), (2.2.33) и (2.2.11) и выполнив
необходимые преобразования[4], получим
ток влияния рекомбинации носителей заряда в ОПЗ эмиттера.
выражение (2.2.35) определяет зависимость β от тока коллектора. Первый член
выражения (2.2.35) обусловлен рекомбинационными потерями электронов в объеме
базы, второй член-дефектом инжекции эмиттера, третий — наличием рекомбинации
носителей заряда в ОПЗ эмиттера. Зависимость β(Iк) для мощного транзистора показана на рис. 2.2.2.
носителей заряда в ОПЗ эмиттера от тока коллектора(третий член), а спад β в области больших токов-уменьшением коэффициента
инжекции (второй член). Кроме явной зависимости β(Inx)
необходимо иметь в виду, что постоянная накопления τF резко
возрастает в области больших токов из-за влияния эффекта Кирка и квазинасыщения.
Возрастание τF и
уменьшение ik.f == QB0/ τF в
области больших токов усиливают спад β.
обусловлена рядом эффектов, связанных с изменением границы ОПЗ коллекторного
перехода x1к при изменении Uкэ. При малых плотностях тока
основную роль играет расширение ОПЗ коллектора в область базы, за счет чего
изменяется толщина квазиэлектронейтральной базы (эффект Эрли). В области
повышенных плотностей тока и небольших напряжений Uкэ начинает сказываться
эффект Кирка и эффект квазинасыщения. При больших обратных напряжениях UКЭ
дополнительное возрастание β связано с явлением лавинного
размножения носителей заряда в ОПЗ коллектора.
неравномерного распределения примесей в базе на параметры дрейфового
транзистора
уменьшает пролетное время. Влияние дрейфового поля проявляется и в выравнивании
скоростей носителей. Разброс в скоростях и этом случае оказывается не так высок,
как в случае чисто диффузионного движения, где все определяется только
тепловыми скоростями. В результате падение коэффициента переноса β
до уровня 0,707 должно
произойти на частоте, существенно превышающей частоту юр бездрейфового
транзистора с той же толщиной базы.
соотношений. Фазовый сдвиг на частоте юр оказывается несколько больше, чем для
бездрейфового транзистора. Формула для частотной зависимости коэффициента
переноса примет вид
подтверждено экспериментально, что для большинства дрейфовых транзисторов,
германиевых и кремниевых, т =0,6. Фазовый угол φβ может быть рассчитан из соотношения
перепада концентрации.
частоты ƒβ от перепада концентрации может быть аппроксимирована
одним из следующих выражений[5]:
скобками представляет собой предельную частоту коэффициента-переноса
бездрейфового транзистора ƒβ0, то (3.3) и (3.4) можно переписать в следующем виде:
хорошо отражает зависимость ƒβ от перепада концентрации только при NЭ/NК
> 100. Второе выражение дает лучшую аппроксимацию в более широком
диапазоне изменения перепада концентраций.
см-3 и NК = 1014 см-3 (NЭ/NК
=1000), получаем, что предельная частота коэффициента переноса дрейфового
транзистора будет в этом случае более чем в 6 раз превышать предельную частоту коэффициента
переноса бездрейфового транзистора.
транзисторы могут иметь очень высокие значения предельной частоты ƒβ, то расчеты показывают, что в этом случае уже нельзя
полагать эффективность эмиттера частотно-независимой и считать, что ƒβ≈ fa. Так как эмиттерный переход
шунтирован зарядной емкостью, то на достаточно высоких частотах токи смещения
через переход могут оказаться соизмеримыми с токами инжекции.
эффективности эмиттера, рассмотрим конкретный пример транзистора типа р-п-р с
концентрацией у эмиттера, равной NЭ = 1017 см-3,
диаметром эмиттера dЭ = 0,3 мм (SЭ = 0,07 мм2),
толщиной базы W = 10 мкм и концентрацией у коллектора NК = 1014
см-3.
ƒβ0· 6=1700/100=17·6 ≈100 Мгц.
перехода
может быть найдена из соотношения[5]
эмиттера, равной 1019 см-3 , будет равно
напряжением на эмиттере определяется соотношением
эмиттера, рассчитаем rЭ, СЭ и предельную частоту fy,
определяемую по спаданию γÐ
в раз (), на основании простейших соотношений для бездрейфового транзистора.
столько частотной зависимостью β(ω), сколько частотной зависимостью γ(ω).
Особенно при малых токах
(0,1-0,3 ма) можно считать, что fα ≈ fγ. Для бездрейфового транзистора с ƒβ0= 17 Мгц частотная зависимость γ(ω)
при токах 1 ма и выше
будет несущественной, для дрейфового же трнзистора с ƒβ0= 100 Мгц только при токе 15 ма можно
считать fα = fβ . этим объясняется тенденция к
использованию дрейфовых транзисторов при повышенных токах эмиттера.
более существенное значение для транзисторов с большими предельными частотами
коэффициента переноса и мало влияет на частотные свойства транзистора с малыми
предельными частотами коэффициента переноса.
определяться произведением эффективности эмиттера γ(ω),
коэффициента переноса в
базе β(ω)
и коэффициента переноса
в коллекторном переходе β*(ω). кроме того, выходной ток IК
в режиме короткого замыкания может уменьшаться и за счет действия цепочки rбСК
[5]. Полное выражение для коэффициента передачи тока α(ω) для дрейфового транзистора с широким
коллекторным переходом Wi будет иметь вид (без учета влияния rбСК)
из этих сомножителей нами определена. Тем не менее, определение предельной
частоты fα, представляет значительную сложность. Если положить,
что частотная зависимость каждого из сомножителей может быть представлена
частотной зависимостью вида[5]
общем, виде связано со значительными трудностями, так как даже при двух
сомножителях уравнение превращается в биквадратное. Задача может быть упрощена
с помощью решения для двух сомножителей. предположим, что мы имеем две
RС-цепочки, модули коэффициентов передачи тока для которых соответственно равны
спадания в раз величин α1 и α2. В этом
случае частота , характеризующая спадание результирующего коэффициента передачи α12 =α1 α2 в раз, определяется через соотношение частот
результирующую граничную частоту для двух цепочек.
третий сомножитель, так как результирующая амплитудно-частотная характеристика
отличается от амплитудно-частотной характеристики одиночной цепочки, и
повторить такой же прием для учета третьего члена, полагая
где x
=ƒ3/ƒ12,
приближениями. Решение задачи облегчается тем, что результирующая частота
всегда будет меньше меньшей из частот, а в области ω <
ω12 амплитудно-частотная характеристика α12(ω) практически совпадает с амплитудно-частотной характеристикой одиночной
RС-цепочки.
частот более чем в 5 раз превышает другую частоту, то ее влияние можно не
учитывать, так как результирующая частота будет практически совпадать со
значением меньшей частоты. возвращаясь к приведенному выше примеру, рассчитаем
величину fa дрейфового транзистора для тока 1 ма (ƒγ= 46,5 Мгц, ƒβ= 100 Мгц).
= ƒβ ·0,42 = 42
Мгц. В то же время при токе эмиттера iЭ = 15 ма fa = ƒβ = =100Мгц. При iЭ= 0,3 ма ƒβ > 5fy и ƒα= ƒγ = 14,7 Мгц. Так, в зависимости от режима по току
предельная частота fa может меняться в 10-20 раз. Для того чтобы
полностью использовать возможности дрейфового транзистора, необходимо выбирать
такой рабочий ток эмиттера, который не приводил бы к ухудшению частотных
свойств.
особенность дрейфового транзистора. В силу того, что в области базы
концентрация у эмиттерного перехода высокая, а у коллекторного перехода низкая,
то сопротивление базы дрейфового транзистора будет больше, чем сопротивление
базы бездрейфового транзистора, концентрация примесей у которого по всей
толщине базы будет высокой (равной NЭ). Расчеты показывают, что с
ростом перепада концентраций сопротивление базы дрейфового транзистора
возрастает почти по тому же самому закону, что и ƒβ. Если обеспечить условия, позволяющие получать fa=ƒβ, и сравнить максимальную частоту ƒМАКС
дрейфового транзистора с максимальной частотой обычного бездрейфового
транзистора, у которого концентрация примесей в области базы соответствует
концентрации NЭ у эмиттера дрейфового транзистора, то получим
следующую приближенную зависимость[5]:
максимальной частоте усиления мощности определяется для дрейфового транзистора
практически только возможностью уменьшить коллекторную емкость, так как
увеличение fα = ƒβ в числителе выражения для максимальной частоты
усиления[5]
пропорциональным увеличением rб в знаменателе этого выражения.
(3.14) также предполагалось, что ширина коллекторного перехода может быть
выбрана достаточно большой [5] и величина коллекторного напряжения ничем не
ограничена.
поскольку Из-за саморазогрева, поверхностного пробоя и так далее не удается
обеспечить работу дрейфового транзистора при расчетных максимальных
напряжениях, определяемых лавинным пробоем, то реальный выигрыш будет меньше,
чем дает максимальное значение радикала..Тем не менее
дрейфовые транзисторы будут всегда иметь более низкие значения коллекторных
емкостей и более высокие пробивные напряжения, чем бездрейфовые транзисторы,
изготовленные из сильнолегированного материала.
окончательный вывод, что при прочих равных условиях (W, NЭ, SЭ)
наилучшими частотными свойствами будут обладать такие дрейфовые транзисторы, у
которых будет обеспечена максимально возможная ширина коллекторного перехода.
коллекторного перехода приводит к появлению некоторых нежелательных
особенностей. Одной из таких особенностей является значительное увеличение
рассеиваемой мощности. С одной стороны, мы определили, что дрейфовый транзистор
должен работать при довольно больших (порядка 5-10 ма и более) токах эмиттера.
С другой стороны, для того чтобы область объемного заряда распространилась на
весь широкий переход, необходимы значительные (30-50 в и более) коллекторные
напряжения. В этом случае рассеиваемая на коллекторе мощность будет составлять
300-500 мвт. В то же время размеры электродов (SЭ, SК)
высокочастотных транзисторов должны быть меньше размеров электродов
низкочастотных транзисторов. Уже исходя из этих соображений выбирать очень
малые значения NК, при которых приколлекторная область имела бы
удельное сопротивление, близкое к собственному, не представляется
целесообразным.
переходом является сильная зависимость ширины перехода от напряжения на
коллекторе. особое значение это будет иметь при использовании таких
транзисторов в импульсных схемах.
соображений, что это будет приводить к значительным падениям напряжения в теле
коллектора. Для того чтобы уменьшить этот эффект, используют низкоомную
пластину с нанесенным на нее тонким высокоомным эпитаксиальным слоем.
поочередной или одновременной диффузией в высокоомный слой донорных и
акцепторных примесей создают сильнолегированную область эмиттера (р+)
и область базы (п).
транзисторе (без соблюдения масштаба).
обеспечивалась заданная величина толщины базы W и ширины коллекторного перехода
Wi (рис. 3.1).сразу за границей перехода начинается низкоомная
область тела коллектора (р+).
переход распространяется как в сторону базы, так и в сторону коллектора. Очень
скоро, однако, концентрация со стороны базы начинает превышать концентрацию со
стороны коллектора. Переход начинает расширяться в основном в высокоомной части
коллектора (рис. 3.2).
ширины перехода от изменения напряжения.
напряжениях ширина перехода достигает величины Wi и область
объемного заряда — низкоомной части исходной пластины. Последовательное сопротивление
тела коллектора, эффект которого во многом соответствует эффекту сопротивления
базы, будет определяться величиной удельного сопротивления этой
сильнолегированной части.
толщины базы.
базы будет изменять ширину базы, что приведет к появлению диффузионной емкости
коллектора и коэффициента обратной передачи напряжения μЭК.
видеть, что дрейфовый транзистор должен характеризоваться меньшими значениями μЭК и СКЭ
по сравнению с бездрейфовым транзистором. Действительно, величина μЭК для
дрейфового транзистора уменьшается в 15 раз при μ = 2 и
почти в 400 раз при μ = 4.
видеть, что, хотя в значительной части базы будет действовать дрейфовое поле,
ускоряющее неосновные носители в направлении к коллектору, в части базы,
непосредственно примыкающей к эмиттеру, градиент концентрации доноров имеет
обратный знак. У самого эмиттера в области базы будет иметь место тормозящее
поле. Расчеты и эксперимент показывают, что при малых токах эмиттера это
тормозящее поле несколько снижает коэффициент передачи тока α.
значительную концентрацию неравновесных носителей. В результате эффект
тормозящего поля становится практически неощутимым.
соотношения и параметры дрейфового транзистора. Следует заметить, что поскольку
концентрации примесей в области базы транзистора будут практически заключены в
пределах 1018-1018 см-3, то, рассчитывая
основные параметры дрейфового транзистора, необходимо учитывать снижение
подвижности при повышенных концентрациях, так как уменьшение подвижности
начинается приблизительно со значений концентрации, равных 1015 см-3.
зависимость подвижности неосновных носителей (дырок) от концентрации хорошо
аппроксимируется следующим выражением:
пользоваться до концентраций, равных 1018 см-3, т. е. во
всем практически необходимом диапазоне изменений концентраций. Для
экспоненциального закона распределения примесей зависимость подвижности дырок в
базе от координаты х определится на основании
через базу в течение некоторого времени τ с некоторой средней скоростью Vcр,
скорость определяется средней подвижностью:
пролетное время τ:
подвижность, выраженную через дрейфовый потенциал:
равна
определяется соотношением (3.17).
уменьшению предельной частоты коэффициента переноса ωβ. Поправка к формулам (3.3) и (3.4)
может быть сделана заменой величины Dp на величину Dpcp,
определенную на основании соотношения Эйнштейна:
как, например, ГТ308, П401- П403 или П410-П411, П418, среднее видеть,
что пренебрежение падением подвижности при больших концентрациях приведет к
завышению расчетного значения ƒβ почти вдвое. При перепаде
концентраций порядка 100 с учетом падения подвижности получим реальное
увеличение частоты ƒβ в дрейфовом транзисторе по сравнению
с бездрейфовым транзистором с той же толщиной базы W приблизительно вдвое.
перехода в базе составляет около (1,5 — 3,0)·1016 см-3.
При этом ширина коллекторного перехода имеет величину (в зависимости от
напряжения) порядка 1,5-3,0 мкм. Предельная частота коэффициента переноса ƒβ этих транзисторов может составлять
250-400 Мгц.
использованных источников литературы
И. М., Стафеев В. И. Физика полупроводниковых приборов. — 2-е изд., перераб. и
доп. — М.: Радио и связь, 1990.-264 с.
Н. С. основы теории транзисторов <
И. П. основы теории транзисторов и транзисторных схем -М.:”Энергия”, 1967.- 615
с.
Н. М. И др. Полупроводниковые приборы — М.:”Энергоатомиздат”, 1990. — 576 с.
Я. А. основы физики полупроводниковых приборов. М.:”Советское радио”, 1970. —
592 с
Учебная работа. Дрейфовые транзисторы их параметры, преимущества и недостатки