Біполярні транзистори

транзистор; б) n-p-n– транзистор.

Три схеми включення p-n-p- транзистора. а- схема зі спільною базою; б- схема зі спільним емітером; в- схема зі спільним колектором.

Вважаємо, що ВАХ емітерного і колекторного переходів відповідають рівнянням ідеального діода.
Нехтуємо:
- ефектами обумовленими поверхневою рекомбінацією-генерацією;
- послідовним опором;
-високим рівнем інжекції.

Біполярний транзистор p-n-p- типу, включений по схемі зі спільною базою(а), профіль легування транзистора зі ступінчатим розподілом домішок (б) і зонна діаграма при нормальній роботі (в).

характеристики. Для нейтральної області бази маємо:

де pB- рівноважна густина неосновних носіїв в базі; Jtot- повна густина струмів провідності; τB- час життя неосновних носіїв; DB- коефіцієнт дифузії.

Залежність повного емітерного струму від прикладеної напруги:

- дифузійна довжина дірок в базі;

- дифузійна довжина електронів в емітері;

- дифузійна довжина електронів в колекторі.

оскільки в його базу вбудоване електричне поле, що прискорює дрейф дірок. В цьому випадку повний струм колектора матиме вид
де I2 - струм насичення.
Кількість домішки на одиницю площі бази- число Гумеля.

Для Si біполярних транзисторів число лежить Гумеля в діапазоні 1012-1013 см-2.

Профіль легування транзистора з градієнтом концентрації домішки в базі.

де базовий струм змінюється по закону exp(qVEB/mkT) з m~2;
2) область ідеальної поведінки;
3) область середнього рівня інжекції, характерна значним спадом напруги на опорі бази;
4) область високого рівня інжекції.
Для зменшення опору бази і
послабшення ефектів обумовлених
високим рівнем інжекції, необхідно
змінити профіль легування бази і
конструкцію самого транзистора.

Залежність колекторного і базового струму від напруги емітер-база.

Для покращення характеристик в області малих струмів необхідно зменшити густину пасток в збідненій області і на поверхні напівпровідника.

.
(в гібридній системі параметрів чотириполюсника позначається як hFB).

ефективність емітера γ.

коефіцієнт переносу в базі αТ.

коефіцієнт помноження колектора М.

Коефіцієнт підсилення струму в схемі зі спільним емітером β0.
(в гібридній системі параметрів чотириполюсника позначається як hFE).

VEB>0 і VCB<<0. У виразах для струму нехтуємо VCB. В цьому випадку справедливі наступні співвідношення:

Оскільки IB=IE-IC, то

Приріст діркового струму із емітера
γ= ---------------------------------------------------
Приріст загального емітерного струму.

Приріст діркового струму, що досяг колектора
αT= ------------------------------------------------------------
Приріст діркового струму із емітера

αT<1

γ<1

Величини, що доповнюють γ і αT до 1, пропорційні електронному струму, що витікає з базового контакту.

В біполярному транзисторі з шириною бази 0.1LB, αT>0.995 і β0 повністю визначається γ.

імплантованої в базу.

Якщо αТ близький до 1, то:

колектора.

При дуже малих струмах колектора вклад рекомбінаційно-генераційного струму в збідненій області емітера і поверхневих струмів витоку може перевищувати корисний дифузійний струм неосновних носіїв в базі. Відповідно, ефективність емітера є низькою.

Залежність коефіцієнту підсилення транзистора від струму колектора.

Зниження кількості об’ємних і поверхневих пасток приводить до збільшення hFE при низьких рівнях струму..

Коли величина базового струму попадає в інтервал, що відповідає ідеальній поведінці, hFE досягає області максимальних значень.

наближається до вихідної густини основних носіїв (умова високого рівня інжекції).
Інжектовані носії визивають підвищення густини основних носіїв в базі, що в свою чергу призводить до зниження ефективності емітера.

Зменшення коефіцієнту підсилення при збільшенні IC - ефект Вебстера.

При високому рівні інжекції:

Щоб мати великий коефіцієнт підсилення hFE, ступінь легування емітера повинна бути в багато разів вищою, ніж ступінь легування бази, тобто NE/NB>>1.

Однак при дуже високій концентрації домішки в емітері починають проявлятися ефект звуження ширини забороненої зони і ефект оже-рекомбінації. Обидва визивають зменшення hFE.

забороненої зони в сильно легованому кремнії пов’язано з підвищенням енергії електростатичної взаємодії основних і неосновних носіїв.

Густина власних носіїв в емітері

Оскільки ΔEg зростає з концентрацією легування, то коефіцієнт підсилення по струму падає

При кімнатній температурі звуження зони описується формулою

генерації ШХР;
б- врахування генерації ШХР і звуження ширини забороненої зони;
в- врахування генерації ШХР, звуження ширини забороненої зони і оже-рекомбінації;
г- експериментальні результати.

Оже-рекомбінація полягає у взаємному знищенні електрона і дірки, яке супроводжується передачею енергії іншій вільній дірці.

Такий процес, що протікає при участі двох дірок і одного електрона, можливий при інжекції електронів у високолеговану p+ область. Такою областю є емітер p+-n-p транзистора.
Оже-рекомбінація – процес протилежний лавинному помноженню.
Час життя при оже-рекомбінації

де p- концентрація основних носіїв, Gp- швидкість рекомбінації.

(Gp=(1-2)x10-31 см6/с для Si при кімнатній температурі)

життя неосновних носіїв в емітері. В свою чергу це приводить до скорочення дифузійної довжини LE, що знижує ефективність емітера.

Час життя електронів (неосновних носіїв) τ в p- емітері визначається формулою

де τp -час життя, обумовлений рекомбінацією типу типу Са-Нойса-Шоклі

Аналогічно протікає рекомбінація в високолегованій n+ області при участі двох електронів і однієї дірки з характерним часом життя

коефіцієнт підсилення впливає зміщення під дією великих струмів області з високим електричним полем з точки А в точку В.
В результаті ефективна ширина бази зростає відWB до (WB+WC). Це явище отримало назву ефект Кірка. Воно приводить до збільшення числа Гумеля в базі Qb і до зниження hFE.

Профіль легування n-p-n -транзистора з епітаксійним колектором.

задають густини струмів неосновних носіїв на границях областей за допомогою фактора exp(qV/kT).
2. Емітерний і колекторний струми пропорційні градієнтам густини неосновних носіїв (дірок) на границях переходів, тобто при x=0 і x=W.
3. Базовий струм дорівнює різниці між емітер ним і колекторним струмами.

Розподіл густини дірок в базі p-n-p транзистора при різних прикладених напругах. а- нормальне включення: VCB=const, VEB- змінна; б- нормальне включення: VEB=const, VCB- змінна; в- VEB- позитивне, VCB=0; г- обидва переходи зміщені в прямому напрямку; д- врахування струмів ICO і ICO’; е- обидва переходи зміщені в оберненому напрямку.

За допомогою цих графіків можна пояснити статичні вольт-амперні характеристики транзисторів.

За допомогою цих графіків можна пояснити статичні вольт-амперні характеристики транзисторів.

Струми на виході транзистора зв’язані з розподілом неосновних носіїв в області бази. У випадку транзистора з високою ефективністю емітера в формулах для IE, IC залишаються лише члени пропорційні градієнту неосновних носіїв (dp/dx) при x=0 і x=W відповідно.

схемі зі спільним емітером.

Для даного транзистора емітерний струм IE і колекторний струм IC є функціями прикладених напруг VEB і VCB, тобто IE=f1(VEB, VCB) і IC=f2(VEB, VCB).

В схемі з спільною базою колекторний струм практично рівний емітерному струму (α0=1) і фактично не залежить від VCB

зменшується і спостерігається збільшення β0. Відсутність насичення вихідних характеристик транзистора в схемі зі спільним емітером обумовлено значним збільшенням β0 з ростом VCE. Цей факт отримав назву ефекту Ерлі.

В транзисторі з шириною бази набагато більшою розміру збідненої області в базі напруга Ерлі дорівнює

транзисторів:
- ширини емітерної смушка;
- товщини шару бази.

Зменшення вертикальних розмірів в основному зобов’язане розвитку дифузійних процесів і іонної імплантації.
Зменшення горизонтальних розмірів зобов’язане успіхам літографії.

За рахунок топології транзистора досягаються необхідні струмові параметри. Для цього варіюється кількість смушкових областей емітера і контактів до бази.
За допомогою зміни профілю легування досягаються необхідні частотні властивості і прийнятні пробивні напруги.

Для покращення високочастотних властивостей транзисторів мають бути суттєво зменшені розміри активних областей і значення паразитних параметрів.

(а) дефекти упаковки (окислення), (б) дислокації (епітаксія).

Оскільки рухливість електронів в кремнії більша рухливості дірок, то всі кремнієві НВЧ-транзистори – прилади n-p-n типу. Для зменшення послідовного колекторного опору в якості підкладки використовують епітаксій ну n-n+ структуру.

частота, на якій коефіцієнт підсилення по струму
в режимі короткого замикання схеми зі спільним емітером дорівнює 1.

дорівнює 1.

Частота відсічки зв’язана з фізичною структурою транзистора через час затримки носіїв, що пролітають від емітера до колектора, τec:

Час затримки τec є сума чотирьох часів затримки, які характеризують послідовні фази руху носіїв від емітера до колектора:

τE- час зарядки збідненого шару емітера, визначається виразом:

де re - опір емітера; Ce- ємність емітера; Cc- ємність колектора; Cp - інші паразитні ємності пов’язані з базовим виводом; IE- емітерний струм, який приблизно рівний колекторному струму.

бази і дорівнює:

де η=2 для випадку рівномірного легування бази.

У випадку нерівномірного розподілу домішки в базі, як в дрейфовому транзисторі, коефіцієнт η має бути збільшеним

Якщо вбудоване поле Ebi постійне, то коефіцієнт η приймає значення

де E0=2DB/μBW. При Ebi/E0 =10 η≈60, тобто за рахунок великого вбудованого поля досягається значне зменшення τB.

Третя складова часу затримки пов’язана з прольотом носіїв через збіднений шар колектора:

де vs - гранична швидкість носіїв в колекторі.

колектора:

де rc- послідовний опір колектора, Cc - ємність колектора.

В епітаксійному транзисторі rc може бути суттєво зменшеним і час затримки τ’c знехтувано малий в порівнянні з іншими часами затримки.

Таким чином, вираз для частоти відсічки fT має вид

Видно, що для підвищення частоти відсічки необхідно зменшити товщину бази транзистора, товщину колектора і працювати при високих густинах струму.
Однак при зменшенні товщини колектора відбувається відповідне зменшення пробивної напруги. Отже необхідно шукати компроміс між високочастотними властивостями транзистора і його здатністю витримувати високі напруги.

густини колекторного струму.

Зі збільшенням робочого струму частота відсічки підвищується, оскільки час зарядки емітера τE обернено пропорційний струму. Разом з тим, коли струм стає досить великим і густина інжектованих неосновних носіїв зрівнюється або перевищує концентрацію домішки в базі, ефективна товщина бази зростає від WB до (WB+WC).

При низьких густинах струмів τec падає з ростом JC, і колекторний струм переноситься в основному за рахунок дрейфу, тобто

де μC, NC, EC - рухливість, концентрація домішки і електричне поле в колекторному епітаксійному шарі відповідно.

При подальшому наростанні струму час затримки приймає мінімальне значення, а потім починає зростати, особливо швидко при струмі J1. Цьому струму відповідає максимальне однорідне електричне поле

і колектором. Струми, що перевищують , не можуть вже переноситись через епітаксійну область колектора тільки за рахунок дрейфової компоненти. Величина J1 рівна

В результаті ефекту Кірка цей струм є оптимальним з точки зору максимальної частоти відсічки. Слід відмітити, що зі збільшенням VCB одночасно зростає і величина J1.

Залежність потужності від частоти для біполярних НВЧ-транзисторів.

Вихідна потужність обернено пропорційна квадрату частоти, що є результатом обмежень, які накладаються полем лавинного пробою і граничною швидкістю носіїв.