книги из ГПНТБ / Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники

Прп помощп дпода Д и д учитывается также влияние процессов, протека­ ющих в базе, на импульсные и высокочастотные характеристики перехода. В малосигнальной эквивалентной схеме это влияние характеризовалось диф­ фузионной емкостью. Однако прп большом сигнале эта емкость оказывается существенно нелинейной величиной, поэтому в данном случае для анализа переходных процессов используется приближенное уравнение заряда нерав­

нацию носителей, которые находятся в состоянии динамического равновесия;

Физический смысл уравнения (3-46) заключается в следующем. Заряд неравновесных носителей изменяется во времени прежде всего за счет генера­ ции п рекомбинации: первый процесс приводит к увеличению заряда на вели­ чину (?0 /т„, а второй процесс, наоборот, — к умепьшению заряда на величину Qlxa. Суммарный эффект учитывается первым членом уравнения (3-46), т. е.

персии времени пролета носителей изменение заряда зависит также от скорости

для диодов с узкой базой в уравнении заряда неосновных носителей, накоплен­

Другим нелинейным элементом эквивалентной схемы является объемное сопротивление базы гб, величина которого изменяется по мере накопления пли рассасывания носителей заряда, приводящего к модуляции проводимости базы. Изменение сопротивления гб, вызываемое модуляцией, учитывается следующим соотношением:

ч-тнЗЬ (3"48)

где гб0 — сопротивление базы при равновесной концентрации носителей заря­ да, т. е. практически прп низких уровнях инжекции; h — размерный коэф­

фициент пропорциональности, величина которого определяется эмпирически. Строго говоря, модуляция объемного сопротивления гб определяется зарядом неравновесных иосителей во всой области базы QQ. Расчет же вели­ чины Qo значительно сложнее, чем QH. Между тем в первом приближении эти

90

величины пропорциональны между собой. Поэтому в уравнении, определяющем модуляцию гц, можно заменить QQ зарядом QB, изменив соответствующим образом величину коэффициента пропорциональности h.

При помощи эквивалентной схемы, представленной на рис. 3-33, можно с достаточной точностью проанализировать [Л. 36] импульсные характеристики перехода, качественное описание которых давалось в § 3-7.

Глава четвертая

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

4-1. КЛАССИФИКАЦИЯ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, которые применяются для усиления мощности электрических сигналов. В настоящее время широкое применение получили биполярные и униполярные транзисторы.

Эта глава посвящена биполярным транзисторам. К этому классу транзисторов относятся полупроводниковые приборы с двумя взаимодействующими между собой электронно-дырочными пере­ ходами.

В настоящее время широкое распространение получили два вида плоскостных транзисторов: диффузионные и дрейфовые транзисторы.

Диффузионные транзисторы изготавливаются и выпускаются в двух разновидностях — типа р-п-р и типа п-р-п. Для получения диффузионных транзисторов р-п-р типа обычно применяется метод сплавления (§ 3-1). Транзисторы типа п-р-п изготавливаются как методом сплавления, так и методом получения р-п переходов при вытягивании монокристалла из расплава. Стремление уменьшить размеры сплавных транзисторов, пригодных для работы на более высоких частотах, привело к созданию микросплавных транзисто­ ров, которые изготавливаются методом электрохимического осаж­ дения.

Перечисленные методы изготовления позволяют получить тран­ зисторы, в области базы которых в равновесном состоянии отсут­ ствует электрическое поле, так как примеси в базе распределяются равномерно. Для таких транзисторов характерен диффузионный механизм движения неосновных носителей в базе, поэтому их при­ нято называть'диффузионными транзисторами.

Дрейфовые транзисторы изготавливаются методом диффузии примесей в полупроводниковый кристалл. Диффузия примесей может происходить как внутри кристалла, так и через поверх­ ность из внешних источников (обычно из газовой фазы). При диф-

91

фузии примеси в базе распределяются неравномерно, что приводит к образованию электрического поля, способствующего ускоренному перемещению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллекто­ ру. В этом случае механизм движения носителей заряда носит не столько диффузионный, сколько дрейфовый характер, поэтому такие транзисторы называются дрейфовыми.

Дрейфовые транзисторы выпускаются тоже двух типов: тииа р-п-р и типа п-р-п. Базовые области этих транзисторов получаются методом диффузии, поэтому при классификации по технологичес­ кому признаку их иногда называют транзисторами с диффузионной базой. При этом эмиттерный и коллекторный переходы могут фор­

способов получения р-п переходов. При изготовлении транзисторов часто сочетают одни технологические методы с другими. Поэтому, помимо шести основных групп транзисторов (выращенных, сплав­ ных, диффузионных, эпитаксиальных, изготовленных электро­ механическим способом и ионным легированием), существует целый ряд транзисторов, которые изготавливают сочетанием двух и даже трех различных технологических методов. Поэтому полная клас­

в настоящее время технологических способов получения р-п переходов. Наиболее полной является классификационная схема, подготовленная техническим персоналом транзисторного отдела фирмы Texas Instruments [Л. 20]. Эта схема приведена на рис. 4-1 с некоторыми сокращениями. Ниже дается ее объяснение и кратко излагаются технологические особенности различных групп тран­ зисторов, включенных в эту классификационную схему.

В схему включены не только старые методы изготовления тран­ зисторов, но в ней нашли свое отражение почти все современные способы, несмотря на то, что схема была составлена в начале 60-х годов. В этот период ионное легирование находилось на стадии лабораторных испытаний и не включено в схему.

Исторически первым плоскостным транзистором является выращенный транзистор, который был изготовлен двойным легированием, т. е. путем после­ довательного добавления примесей р- п га-типа к расплаву, из которого вытя­ гивают кристалл. Разновидностью 1 выращенного транзистора является тран­ зистор, выращенный с переменной скоростью, при изготовлении которого изменение типа электропроводностп достигается изменением скорости вытя­ гивания кристалла из расплава, к которому добавлены примеси р- а я-типа.

Дальнейшее усовершенствование этого метода привело к разработке тран­ зисторов с возвратным плавлением. В этом случае скорость вытягивания изме­ няют в небольших пределах с тем, чтобы уменьшить термическую постоянную кристалла. Это дает возможность уменьшить толщину базы и темсамымповыснть частоту транзистора.

1 В классификационной схеме разновидности транзисторов отмечены стрелками (см. рпс. 4-1).

92

Сплавные

X

Диффузионносплавные

Сплав но - диффузионные

Зпи таи с иальные мезатранзисторы

с диффузионной д~азой.

Рис. 4-1. Классификационная схема для биполярных транзи­ сторов.

93

Сочетанием диффузионной техпологпп с двойным легированном и воз­ вратным плавлением изготавливают тянуто-диффузионные транзисторы и диффузионные транзисторы с возвратным плавлением: прп вытягиванпи кри­

в наплавляемый сплав включают как донорные, так и акцепторные примеси. Прп сплавлении образуется эмиттерный переход. Одновременно происходит диффузия прпмесей из расплава в глубь кристалла, благодаря чему создается базовый диффузионный слой с неравномерным распределением примеси акцепторов плп доноров (в зависимости от того, какой впд прпмесей, содержа­ щихся в наплавляемом сплаве, диффундирует более глубоко). Коллектором служит исходная пластинка. В другом варианте исходная пластинка имеет тот

же тип электропроводности, что н базовая область. При этом эмиттерный переход и базовую область создают диффузией, а для изготовления коллектор­ ного перехода применяют сплавление.

Как известно, для уменьшения площади переходов применяется электро­ химическая, технология. По этой техпологпп изготавливаются поверхностнобарьерный п мпкросплавной транзисторы. В этих трапзпстора-x эмиттерная и коллекторная области располагаются в лунках, которые вытравливаются па противоположных сторонах полупроводниковой пластины, служащей базовой областью. В поверхностно-барьерном транзисторе эмиттерный и коллекторный

94

переходы создают электролитическим осажденлем соответствующего металла в указанных углублениях. В микросплавиом транзисторе сначала осаждают примеси в вытравленных лунках, а затем вплавляют их в исходную пла­ стинку.

Сочетанием диффузии и микросплавной технологии получают мнкросплавиой диффузионный транзистор, при изготовлении которого электро­ химической обработке предшествует газовая диффузия для формирования неод­ нородной базовой области.

На практике широкое применение получили дрейфовые транзисторы, у ко­ торых путем диффузии получают пе только базу, но и эмиттер. Это тразисторы с диффузионными эмиттером п базой пли так называемые транзисторы с двойной диффузией, при изготовлении которых посредством одновременной газовой диффузии примесей п и р-тппа получают эмиттерную и базовую области.

По этой технологии в настоящее время изготавливаются также мезатранзисторы н плапарные транзисторы. В первом из них после двойной диффузии вытравлением определенных участков эмиттера и базы создают активную часть

транзистора в виде мезаструктуры (рис. 4-5). При изготовлении планарного транзистора (рис. 4-6) диффузию производят через окна в оксидном слое.

Применяется п тройная диффузия, когда все три области транзистора, т. е. эмиттер, базу и коллектор, получают путем диффузии.

В последнее время при изготовлении дрейфовых транзисторов исполь­ зуется эпитакспальная технология, которая позволяет наращивать монокрпсталлпческую пленку на подложку полупроводника любой электропровод­ ности. По этой технологии изготавливаются дрейфовые транзисторы с эпи-

областями образуется слой с дырочной электропроводностью (зх-слой) или электронной электропроводностью (v-слой). Высокоомнып слой получают путем эпитакспального наращпванпя высокоомной пленки монокрпсталлического полупроводника на низкоомную подложку, образующую коллектор­ ную область. Базовая же область получается путем диффузии, это так назы­ ваемый транзистор с диффузионной базой. Таким же способом изготавливают эпитаксиальный транзистор с двойной диффузией (рис. 4-6). Основными преиму­ ществами транзисторов с эпитаксиальным коллектором является меньшее зна­ чение зарядной емкости коллектора, более низкое объемное сопротивление тела коллектора п меньшее время накопления носителей в коллекторной области но сравнению с соответствующими неэпптаксиальнымл транзи­ сторами.

95

В настоящее время при производстве биполярных транзисто­ ров в основном применяются диффузия и эпитаксиальное наращи­ вание. Ионное легирование (см. § 3-1), представляющее собой также современный метод введения примесей в полупроводник, в большей мере применяется при изготовлении униполярных

МДП-транзисторов [Л. 39]. Производство дискретных

транзисторов в основном осуществляется по эпитаксиаль-

ио-планарнои и мезапланарной технологии [Л. 40]. В микроэлектронике [Л. 41] для получения транзисторных структур в основном приме­ няется эпитаксиально-пла- нарная технология. При этом на общей подложке, напри­ мер, из кремния р-типа сначала диффузией форми­ руют скрытый коллекторный

тг+-слой (рис. 4-7), создающий коллектор из низкоомного полупро­ водника. Затем выращивают эпитаксиальный слой тг-типа толщи­

В базе же дрейфового транзистора примеси распределены неравно­ мерно. На рис. 4-8 показано распределение концентрации приме­

9(3

сей ./V (х) по направлению диффузии в базовую область дрейфового

несколько порядков больше концентрации примесей у коллектор­ ного перехода NQK.

Если примеси в базе распределяются по экспоненциональиому закону

# ( г ) = Л Г б в е х р ( - 2 Л - ^ - ) , •

то возникает встроенное электрическое поле, напряженность которого Е0 вдоль базы постоянна. В соответствии с формулой (2-43) можно получить:

Я . ~ - Ф г - 7 ^ | Л Ч * ) = 2 | , 4 - ,

где г] = -^-Inicr2 - — коэффициент, характеризующий степень неоднородиости базы.

На самом деле закон распределения примесей в базовой области дрей­ фового транзистора определяется более сложной зависимостью [Л. 42]. Прп диффузии из газовой фазы пли из расплава распределение концентрации примесей в направлении диффузпп определяется формулой

где

—функция дополнения к интегралу ошибок Гаусса;

L D — длина диффузпп примесей.

При диффузии из тонкого твердого слоя (когда концентрация дпффу-

занта в источнике с течением времени уменьшается) спад концентрации приме­ сей происходит по гауссовскому закону:

где Ею — напряженность поля в базе у эмиттерного перехода.

Если при расчетах параметров транзистора пользоваться средним значением напряженности поля в базе, то полученные приближенные значения параметров мало отличаются от значе­ ний, полученных при точных расчетах [Л. 43].

4-2. ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТРАНЗИСТОРА И ТРАНЗИСТОРНЫХ р-п ПЕРЕХОДОВ

Усиление напряжения и мощности

Усилительные свойства транзистора особенно наглядно про­ являются при его нормальном включении. Нормальным называют включение транзистора, при котором эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный переход — в обратном. На рис. 4-9 показана схема нормальноговключения транзистора типа р-п-р и приведены соответствующие этому включению энерге­ тическая диаграмма, график распределения электростатического потенциала и условное изображение потока дырок. Все последу­ ющие выводы в равной мере справедливы и для п-р-п транзисто­ ров, если при соответствующих рассуждениях дырки заменить электронами и, паоборот, электроны — дырками.

Первая составляющая этого тока 1ктп образуется потоком электронов, которые переходят из коллектора в базу; вторая составляющая 1ктр — потоком дырок, переходящих из базы в коллектор (в базе эти дырки появляются в результате генера­ ции). Дырки могут переходить в базовую область и из эмиттера, если включить эмиттерный переход в прямом направлении (рис. 4-9,- в). При этом дырки, которые появляются в базе благо­ даря инжекции эмиттера, так же как дырки, возникающие в ре­ зультате генерации, диффундируя к коллекторному переходу, беспрепятственно проникают в коллекторную область. Разумеется, к коллекторному переходу доходит только часть дырок: остальные теряются в базе из-за рекомбинации, вызывая появление рекомбинационного тока / б г , протекающего через базовый вывод.

На рис. 4-10 показана схема нормального включения дрейфо­ вого транзистора р-п-р типа и приведены соответствующие гра­ фики. В отличие от диффузионного транзистора энергетические

98

уровни в базе дрейфового транзистора искривлены. Это — резуль­ тат неравномерного распределения примесей, приводящего к обра­ зованию встроенного электрического поля, которое способствует

транзистора поступают дырки. Под действием встроенного поля дырки дрейфуют к коллекторному переходу. Одновременно с дрейфом происходит и диффузия дырок, так как в базе образуется перепад их концентрации. Дырки, дошедшие до переходного слоя, поступают в коллектор, образуя ток в коллекторной цепи. При этом из-за рекомбинации части дырок в базе образуется рекомбинационный ток Isr (рис. 4-10, г).

Таким образом, при включении эмиттерного перехода в прямом направлении в коллекторной цепи транзистора протекает ток величиной

• 1к — 1эр — ^бг + ^ к Г !