Учебное пособие 800324

нейшем сосредоточим внимание на обсуждение усилительных свойств транзистора в схеме с ОБ.

где γ - коэффициента инжекции, β – коэффициент переноса и М – коэффициент лавинного умножения.

Рассмотрим эти коэффициенты подробнее. Эффективность эмиттера оценивают величиной коэф-

фициента инжекции γ, равного отношению дырочного инжекционного (Ipe) тока к полному току эмиттера (Ie = Ine+ Ipe, где Ine – электронная составляющая эмиттерного тока), т.е.:

где W – толщина базы, Ln – диффузионная длина электронов в базе, σn =qμnnn и σp =qμppp — удельные проводимости базы и эмиттера, q- заряд электрона, μn и μp – подвижности, а nn и pp.

– концентрации электронов и дырок, соответственно, в n – базе и p- эмиттере.

Коэффициент переноса. Во время прохождения базы часть дырок р будет рекомбинировать в ней. Поэтому ток дырок, приходящих на коллектор, равен Ipc = β*Ipe = αIe, где α — коэффициент передачи эмиттерного тока в схеме с ОБ. Коэффициент переноса эмиттерного тока, показывающий, какая часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллектора вычисляется по формуле:

(Здесь Lр – диффузионная длина дырок в базе.)

9

Таким образом, чем меньше ширина базы W, тем большее количество неравновесных дырок будет достигать коллектора и увеличивать ток коллекторного перехода.

Диффузионные длины электронов и дырок определяется формулами:

где n и p – время жизни электронов и дырок соответственно. (В кремнии время жизни электронов оценивается величиной порядка 10-7 с.)

Коэффициент диффузии электронов и дырок связан с подвижностями соответствующих носителей соотношением Энштейна:

атомов и могут быть определены графически из графиков на рис. 2.2.

Для прибора n-р-n-типа результат аналогичен, но перенос осуществляется электронами и полярность напряжений Ve и Vc противоположная. И в том и в другом случаях ток переносится неравновесными неосновными носителями.

Рис. 2.2. Зависимости подвижности электронов (а) и дырок (б) от концентрации легирующей примеси

10

Лавинное умножение. При напряжении на коллекторе

коэффициент M существенно возрастает в соответствии с выражением:

где показатель n = 2 6. В эпитаксиально – планарных транзисторах U КБПР ~ 30 ÷ 70 В. При вычислениях коэффициента передачи по току обычно принимают M = 1.

Особенности дрейфовых транзисторов

Одним из путей облегчения переноса носителей через базу транзистора является легирование базы таким образом, чтобы возникало внутреннее электрическое поле, выталкивающее носители к коллектору. Приборы, использующие такой эф-

фект, называются дрейфовыми транзисторами.

В дрейфовых транзисторах концентрация доноров между эмиттером и коллектором спадает экспоненциально:

ND(x) = ND(0)exp(-x/LD) (2.8)

где LD – длина диффузии доноров (рис. 2.3). Возникающее в базе за счет градиента концентрации постоянное электрическое поле

заставляет дырки двигаться к коллектору. Потенциал вдоль базы в этом случае меняется линейно:

где Ueb(0) – потенциал на эмиттерной границе базы. Зонная диаграмма дрейфового транзистора приведена на рис. 2.4.

Если пренебречь рекомбинацией в базе, то распределение

11

Сравнивая выражения (2.4) и (2.13) приходим к выводу, что у дрейфовых транзисторов коэффициент переноса β* ближе к единице, чем у бездрейфовых.

Для инженерных расчетов коэффициент переноса носителей через базу β* в дрейфовых транзисторах обычно определяется приближенным выражением:

Электрический пробой биполярного транзистора

Пробой биполярного транзистора характеризуется следующими физическими механизмами:

–смыкание коллекторного и эмиттерного p-n-переходов (прокол базы);

–лавинный пробой коллекторного p-n-перехода. Смыкание p-n-переходов обусловлено эффектом Эрли, т.

е. расширением ОПЗ коллекторного p-n-перехода при увеличении напряжения на коллекторе.

При возрастании обратного напряжения электрическое поле в области пространственного заряда (ОПЗ) p-n перехода может достигнуть такой величины, что подвижные носители на длине свободного пробега смогут получать энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника и образования новых свободных носителей. Существовавшие до акта ионизации и образовавшиеся свободные носители ускоряются полем и образуют новые электронно-дырочные пары. Таким путем в p-n переходе может происходить лавинное умножение числа подвижных носителей. Коэффициент лавинного умножения определяется соотношением:

13

где JN0 – поток электронов, экстрагируемых в ОПЗ p-n перехода, а JТ – поток электронов, покидающих p-n переход. Аналогичное определение можно записать и для дырок. С достаточной для инженерной практики точностью зависимость коэффициента лавинного умножения от абсолютной величины обратного напряжения можно выразить формулой (2.7).

Напряжение лавинного пробоя определяют по полуэмпирической формуле

Здесь - удельное сопротивление слаболегированной области p-n перехода. Постоянные А<1 и B зависят от типа p-n перехода и материала полупроводника. Установлено, что для кремниевых n+- p переходов

где напряжение лавинного пробоя получается в вольтах, если удельное сопротивление высокоомной области брать в Ом см.

Напряжение прокола базы определяется условием W bLp-n, где bLp-n – ширина области пространственного заряда, сосредоточенного в базе транзистора. Суммарная ширина ОПЗ

где 0 = 8,85 10-12 Ф/м – абсолютная электрическая постоянная,

– относительная диэлектрическая проницаемость, q – заряд электрона, Na и ND – соответственно, концентрации акцептор-

14

ной и донорной примесей в областях p-n перехода, UКБ – напряжение между коллектором и базой, k – контактная разность потенциалов, вычисляемая по формуле:

Здесь ni – собственная концентрация носителей. (Для кремния при комнатной температуре ni 1011 см-3.)

Для нахождения bLp-n необходимо принять во внимание, что объемные заряды в p- и n областях раны, т.е. выполняется условие:

Совместное решение уравнений (2.18), (2.19) и (2.21) позволяет определить глубину проникновения ОПЗ в область базы транзистора при заданном напряжении UКБ.

Важным параметром транзистора является напряжение

Здесь U ĘÁ0ĎĐ UЛП в формулах (2.17а) и (2.17б), показатель корня n тот же, что и показатель степени в формуле (2.7).

Понижение напряжения пробоя в схеме с ОЭ объясняется проявлением внутренней положительной обратной связи в транзисторе.

Контрольные вопросы

1.Опишите устройство и принцип действия биполярного транзистора.

2.Поясните физический смысл коэффициента инжекции, коэффициент переноса и коэффициент лавинного умножения.

15

3.Какие факторы определяют эффективность эмиттера?

4.Как зависит коэффициент переноса от толщины базы транзистора?

5.Поясните природу дрейфовых и диффузионных токов в полупроводниках.

6.Обоснуйте, почему при равных конструктивнотехнологических параметрах транзисторы n-р-n-типа имеют

более высокий коэффициент передачи по току по сравнению

странзисторами р-п-р типа.

7.Поясните особенности дрейфового транзистора.

8.Изобразите профили распределения донорных и акцепторных примесей в случаях бездрейфового и дрейфового транзисторов.

9.Изобразите семейство входных и выходных вольтамперных характеристик (ВАХ) для схемы с ОБ и поясните их.

10.Изобразите семейство входных и выходных вольтамперных характеристик (ВАХ) для схемы с ОЭ и поясните их.

11.Как проявляется электрического пробоя транзистора? Назовите причины электрического пробоя.

12.Поясните механизм лавинного пробоя.

13.Каким образом и почему напряжение лавинного пробоя зависит от удельного сопротивления областей p-n перехода?

14.Какие факторы влияют на ширину p-n перехода? Эффект Эрли.

15.Что такое контактная разность потенциалов?

16.Почему высоковольтные биполярные транзисторы

обычно имеют невысокий коэффициент передачи по току ? 17. Почему напряжение пробоя в схеме с ОЭ всегда

меньше напряжения пробоя в схеме с ОБ?

Тема 3. МДП транзисторы. Расчет порогового напряжения и удельной крутизны характеристики

Полевыми (униполярными) транзисторами называются полупроводниковые приборы, работа которых основана на

16

управлении размерами токопроводящей области (канала) посредством изменения напряженности поперечного электрического поля.

На рис. 3.1 схематически показано устройство МДП транзистора с каналом р-типа. В подложке из кремния n-типа путем диффузии создаются две сильнолегированные р-области. Одна из этих областей называется истоком; другая область - стоком. На поверхности кремния между стоком и истоком расположен тонкий слой диэлектрика нанесенного тем или иным технологическим способом. Эта область называется затвором и является управляющим электродом. МДП транзистор часто называют транзистором с изолированным затвором.

В качестве диэлектрика наибольшее применение нашла двуокись кремния SiO2. МДП транзистор с диэлектриком из SiO2 исходной полупроводниковой пластины называется МОП транзистором (металл – окисел – полупроводник).

По типу проводимости каналов различают МДП транзисторы с каналами п- и р-типов. Исходный полупроводниковый материал, на котором изготавливается транзистор, называется подложкой. В отличие от биполярных транзисторов в полевых транзисторах ток в канале переносится основными носителями. Входное сопротивление полевых транзисторов превосходит входное сопротивление биполярных транзисторов и для МДП транзистора составляет 1010 – 1014 Ом.

Рис. 3.1. Устройство МДП транзистора с каналом р-типа и изолированным затвором

17

В отсутствие напряжения, приложенного к структуре, р-n- переходы, образованные областями стока, истока и подложкой, cмещены в обратном направлении. В подложке на границе раздела между полупроводником и диэлектриком образуется отрицательный заряд подвижных электронов, который уравновешивает положительный заряд Qss в поверхностных состояний. Наличие избыточных электронов у поверхности раздела приводит к искривлению здесь энергетических зон. Дополнительное искривление зон и накопление отрицательного заряда подвижных электродов у поверхности возникают за счет разности работ выхода для диэлектрика и полупроводника. Разность работ выхода между металлом и полупроводником не оказывает существенного влияния на образование отрицательного заряда на границе между подложкой и диэлектриком, так как при толщине диэлектрика 1000—2000 Å напряженность электрического поля между металлом (Аl) и полупроводником (Si) оказывается пренебрежимо малой. Работа выхода из SiO2 меньше, чем работа выхода из Si. Поэтому между диэлектриком и полупроводником возникает контактная разность потенциалов φмдп величина которой составляет приблизительно 0,4 В.

Так как входные токи полевых транзисторов малы, то управление изменением тока в выходной цепи осуществляется входным напряжением.

Выходные вольтамперные характеристики МОП транзистора (на рис 3.2) могут следующими выражениями:

(участок насыщения)

Здесь b и l – соответственно, ширина и длина канала, – подвижность носителей в канале, Us и Uз – напряжения на стоке и затворе транзистора, соответственно, U0. – пороговое на-

18