Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Кремниевые планарные транзисторы

..pdf
Скачиваний:
21
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
17.57 Mб
Скачать

Из равенства (3.40) следует, что величина W6 логарифмически зависит от напряжения Uк р.п.

Для сравнения следует указать, что в бездрейфовых транзисто­ рах коэффициент переноса ß n изменяется с толщиной квазинейтраль­ ной базы W6 по параболическому закону [53]: ß„ б е з д р = = 1 ~~ ( ~ ) > поскольку в этих транзисторах эмиттерный ток обратно пропорцио­

нален толщине квазинейтральной

базы [53]:

 

 

D пп

ехр (Ua

„/œT)

(3.41)

I n (xl) = qS0-H-JL

Р ^ Э Р - П /

" Т ) -

Зависимость величины W6 от коллекторного напряжения здесь бо­ лее сильная, чем в случае дрейфовых транзисторов. Например, для п+-р-п+ сплавного бездрейфового транзистора имеем

 

 

 

 

 

w

_ ш

 

і

/

 

щ-б

2еео(сРк^\икР-п\

 

 

 

 

 

 

 

 

Wo-W6o-y

 

 

 

 

 

 

 

 

где Na6

— концентрация акцепторов в высокоомной базе. Подстав­

ляя выражение (3.38) в (3.28), можно найти коэффициент

усиления

по току

Л о т :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Я с т = І ( 1 - Ѵ в ) +

Ѵп- W6LJLl(xl)]-K

 

(3.42а)

 

 

В

числителе формулы

(3.42а) мы

положили приближенно,

что

ß n Y „ = 1,

поскольку

ß n , уп

« 1. Если коэффициент

инжекции

уп

очень

мало отличается

 

от

1 (1 — уп)

<^ уп-

W6La/Ll(xl),

тогда

 

 

 

 

 

 

 

B0T&Lan{x'a)/W6La.

 

 

 

(3.426)

В

бездрейфовых

транзисторах

 

коэффициент

усиления

по

току

ß c T

бездр

П Р И

Тп = 1 равен

5 с

т б

е з д р = 2 ( L n / № 6 ) 2 .

Следовательно,

при

одинаковых

значениях

толщины квазинейтральной

базы

W6

и диффузионной длины Ьп

для электронов при уп

= 1 коэффициент

усиления

. йстдр

в дрейфовом триоде больше аналогичного коэффи­

циента

в бездрейфовом

триоде

в

W6/2La

раз

СТдр

>

ß 0 T 6 e 3

H P ) .

Это

объясняется

следующим.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выражения

для

рекомбинационной составляющей базового

тока

/ б а

для

обоих

типов

 

транзисторов

почти одинаковы

[см.

формулы

(3.37а)

и (3.376)]. Плотность же электронного

тока

в

дрейфовом

транзисторе

 

при

одинаковых

значениях

величин

Dn

п(х'э), 5Э , W6

всегда больше, чем в бездрейфовом, поскольку в зна­

менатель выражения (3.23) входит величина L a , которая при обыч­

ных смещениях | UK р.п | g. 20В меньше толщины

квазинейтральной

базы, входящей в выражение (3.41).

 

 

 

 

До сих пор мы рассматривали случай

малых уровней инжек­

ции в

базе дрейфового триода (п{х^)ІNа{хк)

<

1)-

При

больших'

токах

эмиттера и в режиме насыщения (см. гл. 4),

когда

эмиттер-

90

ный и коллекторный р-п переходы смещены в прямом направле­ нии, может реализоваться случай высоких уровней инжекции [n{xl)l(Nа(хІ) •— Nd{x%)) > 1]. Тогда согласно [46] плотность эмит­ терного тока вычисляется по формуле

\Іп\ = 2дПп

dn

(х)

2qD*

(3.43

dx

 

 

 

поскольку исчезает ускоряющее поле в базе, созданное неравномер­ ным распределением примесей, а диффузионная и дрейфовая со­ ставляющие электронного тока становятся примерно одинаковыми. Рекомбннационная составляющая базового тока теперь определяет­ ся из соотношения, справедливого для бездрейфовых транзисторов:

I5A

= qSa[n{xl)Wbl2xl\,

(3.44)

где %*п — время жизни

электронов в базе

при высоких уровнях

инжекции, причем оно может отличаться

от тп (времени жизни

для малых уровней инжекции п(хі)іЫа(х'л)

< 1).

Из формул (3.43) и (3.44) легко получить выражение для ко­

эффициента переноса при больших

токах:

 

 

ß n = l - V a

(W6/Llf,

(3.45)

где Ln = V D*nx*n — диффузионная длина электронов, a D„ — ко­ эффициент диффузии в базе при высоких уровнях инжекции. Если время жизни %п возрастает с уровнем инжекции n(xl)l[N а(хІ) —•

— Nа\х"э)\, то коэффициенты переноса при малых и больших уров­ нях инжекции [равенства (3.38) и (3.45)] могут иметь близкие зна­ чения.

3.4. Коэффициент инжекции

По определению, интегральный коэффициент инжекции эмит­ терного р-п перехода в п-р-п дрейфовом транзисторе равен

- _

W )

7 п К )

g .

где 1тр.п — Іп{х'э)

Іп(х'э)

— составляющая эмиттерного

тока, об­

условленная рекомбинацией электронов и дырок внутри самого эмиттерного р-п перехода, а Ір(х'э) — дырочная инжекционная со­ ставляющая. При достаточно больших прямых смещениях в крем­ ниевых транзисторах (U3P.n > 0,5 В) эмиттерный р-п переход становится достаточно узким, а потенциальный барьер небольшим (фкэ ^ Э Р - Л < 0 , 3 В) и вероятность рекомбинации носителей в области перехода оказывается меньше вероятности надбарьерного перехода—инжекции. Экспериментальные исследования крем­ ниевых планарных приборов в работах [54] и [55] действительно

91

свидетельствуют

о малом

вкладе рекомбинационной составляющей

р-п при больших плотностях тока (| /„ I >

10 А/см2 ).

ІР(х'э)

Вычислим

дырочную

инжекционную

составляющую

из уравнения непрерывности для концентрации дырок р(х) в эмит-

терном

слое

п-типа:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

djp(x)ldx

= — qàp(x)/Tp(x),

 

 

 

 

(3.47)

где

/р(х) =

qiip(x)E(x)Ap(x)

qDp(x)[dAp(x)/dx]

— плотность

ды­

рочного

тока;

Ар(х)

=

р(х) —

рп(х)

— избыточная

концентрация

дырок

при

протекании

эмиттерного

тока;

рп(х)

njl[Nd(x)

— Na(x)]

— равновесная

концентрация

дырок. Поскольку

рп(х)^.

^

103 с м - 3

при

Nd(x)

Na(x)

^

1017

с м - 3 ,

а р(х)

при

обычных

плотностях

эмиттерного

тока

| / п

| >

1 А/см2

на

много

порядков

больше

Рп(х),

то àp(x)

 

=

р(х).

В

отличие

от бездрейфового

тран­

зистора со сплавным эмиттером, имеющим однородное распределе­

ние примеси, в дрейфовом транзисторе

существует тормозящее

поле Е(х) при 0 <

х <

х'э (см. рис. 3.1) для дырок,

инжектирован­

ных из базы, равное

 

 

 

Е(х)

=

— q>T(d/dx) lnWd(x)

Na(x)].

(3.48)

Впервые выражения для дырочной составляющей эмиттерного

тока и коэффициента

инжекции у п дрейфового транзистора были

получены в работе [56] в предположении, что рекомбинация дырок в эмиттерном слое отсутствует, т. е. т р = оо. Однако сильное тор­ мозящее поле Е(х) концентрирует дырки в тонком слое вблизи эмит­ терного р-п перехода и рекомбинация становится важным факто­ ром, определяющим величину плотности тока jp(x). Поэтому в [56] значения составляющей Ір{х'э) оказываются в 10 и более раз ниже, чем в работах [48, 57, 58], где используется конечное время жизни дырок Тр. В [57] приводятся полученные с помощью ЭВМ зависимо­ сти величины ß v = упІ(\ — у п ) от отношения поверхностных кон­

центраций

эмиттерной и базовой примесей Nsd/Nsa,

а также от кон­

центрации

примеси в высокоомном коллекторном слое для частного

случая распределения примесей по дополнительной функции оши­

бок. В работах

[48, 58]

получены аналитические

выражения

для

коэффициента ßY = уп/(\

 

у п

) и Ір(х'э)

при аппроксимации

рас­

пределения результирующей

примеси

в эмиттере параболой

вида

Nd{x) — Nа{х)

=

П(хэ0

х)6.

Предполагается,

что параметр ô

принимает значения (2 ^

ô ^

4) в реальных транзисторах. Со­

ставляющая тока эмиттера Ір(х'э)

оказалась равной

 

 

P V

3 J

4

9

Ф І : І £ ( * ; ) І « ( І - І / О )

V

 

где Е(х'э) — напряженность поля на границе эмиттерного р-п

пере­

хода и квазинейтрального эмиттерного слоя.

 

 

Проведем расчет дырочной составляющей тока для случая

экспоненциального

распределения доноров (3.1),

которое является

92

более

характерным для кремниевых

планарных транзисторов в об­

ласти

( х 1 < л ; < Х э ) (Nd(xi)

= 5- Ю1 9 см- *),

чем

параболическое

приближение, принятое в

работах

[48, 58].

Из

двух уравнений

(3.47) и (3.48) легко получается уравнение для плотности дыроч­

ного

тока

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d2 ір(х)

Е(х)

djp(x)

 

ip(x)

О,

 

 

(3.50)

 

 

 

 

 

dx2

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

Lp .

,lp— средняя диффузионная длина

дырок

в

области

1<х<х'э),

 

Dp=-[Dp(x'3)-\-0,(^)1/2=

 

1 , 8 с м 2 / с п р и Т = 3 0 0 К ,

по­

скольку

согласно

рис. 3.36 р

=-- 100 см2 /В-с

при Nd(x'3)-{-

 

Na(x'3)=

- 1 0 1 8 с м - 3

и | і р

= 50 смя /В• с

при Nd(x1)

= 5-19*9 см-3 .

 

 

 

 

Явное выражение для тормозящего поля Е(х) можно найти,

подставив в равенство (3.48) выражения

(3.1)

и

(3.3) для

Nd(x)

и

Na(x):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

хэо

х

 

 

Ld

 

 

 

 

 

 

 

 

Е(х)

 

 

La

exp

L .d

 

 

La

J\

 

 

(3.51a)

 

 

 

4>і

 

L d

1—exp

 

 

 

 

bL

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так

как

эо- - х ) > ( х э 0

х'э)

и обычно {x.ê0

— x'3)lLd%

1,

то (3.51а)

упрощается:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E/q>Tœl/Ld,

 

 

 

 

 

 

 

(3.516)

т. е. тормозящее поле для дырок в области 1

<

х<і х'э)

оказывается

почти постоянным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В результате (3.50) сводится к дифференциальному

уравнению

2-го порядка с постоянными

коэффициентами:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d2 jp (x)

 

djp(x)

jp(x)

=

0

 

 

 

(3.52)

 

 

 

 

 

dx2

L d

dx

 

Lp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Граничными

условиями,

очевидно, будут

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dip

(x)

, =

 

п(х'э)ехр(иэр.„/ц>т),

 

 

 

(3.53)

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

э

Тр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/ p W U ^ O .

 

 

 

 

 

 

(3.54)

Условие

(3.53) — обычное

граничное условие Шокли

для

р-п

перехода, а условие (3.54) получено из соображений, что в сильном тормозящем поле Е = q>TlLd > 2500 В/см (Ld g 0,1 мкм) дырки накапливаются вблизи границы х'э и дырочный ток jp(x) отличен от нуля вследствие рекомбинации дырок и электронов главным образом

в области

хг<іх <і х'э.

Это позволяет нам не рассматривать область

О < x <

xlt где Ni(x)

> (5 • Ю1 9 ~ 2 • 1020) см"3 . Общее решение

93

(3.52)

при

LdJLp

<^

1 (либо

L d

<

0,1

мкм, L p «

1 мкм) имеет

вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j p

(х) = С1

exp (xlLd)

+ С2 ехр (-—xL/L)).

 

Из условия (3.54)

получаем, что С 2 = — С х е х р

(x1!Ld)e}ip(x1LdlLip),

а из

(3.53)

находим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С 1 =

 

 

 

 

Рп

(*э) е х Р (^э р-л/Фг) Ld

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т

exp j — + — exp

— - ] exp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V L d /

Lp

\ Ld

 

 

 

 

 

9

-P„ (4 ) exp (^LP^L ) Lr f exp

 

поскольку

exp (x'3/Ld)

>

 

exp (xJLd)

(LJLp)

exp [ ( x x — Х э ) LJLp].

Таким образом,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/ , M - - £ * W ) « P ( ^ ) ^ « P ( - £ ) X

 

 

X

exp

/

Л:

,

—ex

 

 

 

(3.55)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U d

 

 

 

 

 

 

 

Заметим, что из формул (3.55) и (3.47) легко устанавливается и экспоненциальный закон распределения концентрации инжектиро­ ванных дырок

Ар(х) = рп ( Х э ) е х р

Uэ р-п

ехр ,

Хэ

exp

 

 

 

Ld

 

 

 

 

 

(*i

— x ) Ld

 

 

 

с/.

- ^ е х р ( ^ Л е х р

=

p n (x;)exp

( U - ^ X

 

 

 

L d /

 

 

 

 

 

 

 

X exp

 

{х'э ~x)

E

 

 

 

 

 

 

 

 

Фт

Наконец, из (3.55) находим дырочную составляющую эмиттерного тока

Рп (Х'а) ыР(Ѵэр-П/<Рт) Ld

или

(3.56)

Р К ' 4 3 Р Ф ^ 1 ^

94

При сравнении формул (3.49) и (3.56) обращает на себя внима­ ние довольно существенное их различие:

 

 

 

h

(х'э);іксп

распр

 

 

 

 

 

 

 

 

(à-l)Ld

 

 

 

 

 

 

 

Ip ( - ^ п а р а б о л распр

 

 

^

 

 

 

 

хэо

Хэ

 

 

 

Например, при Ld/{x30

 

х'э) —

1

и типичном

значении

<5 =

3

получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ір

(х'э)э

 

спр/^р1

(Хэ)л

 

 

 

 

--=2.

 

 

 

 

 

 

 

 

' р ѵ^э/эксп

р а с п р / р ѵ^э^царабол

распр

 

 

 

 

 

 

Из

выражения

(3.56)

видно,

 

что

 

дырочная

составляющая

Ір(х'э)

убывает с ростом

тормозящего поля

 

Е

=

q>T/Ld вследствие

сужения области, в которой концентрируются

инжектированные

дырки. Уменьшение времени жизни дырок

т р

также

увеличивает

дырочный ток, так как возрастает рекомбинация

электронно-дыроч­

ных пар в эмиттерном слое.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теперь, используя выражение (3.23) для плотности электрон­

ного тока \}п\{Іп{х'э)

= S a | / „ | ) и

(3.56)

для дырочного

тока Ір{х'э)

при достаточно больших прямых смещениях

 

{UgP.n

>

0,5

В),

когда

можно

пренебречь рекомбинацией

в р-п-

переходе

п{х'э)

=

=

ln(xl))'вычислим

коэффициент

инжекции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

h

{х'э)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

( * э ) / / п {х'э)

I

 

 

 

Iп

{х'э)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

 

Рп 'э) Dp La

Ld

H',

 

 

 

 

(3.57)

 

 

 

 

 

 

 

 

пр 'э)

Dn

'э)

Lp

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

H' Tu -^— :

1,7.

 

 

 

 

 

 

(3.58)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

поскольку величина H [см. равенство (3.39)], как указывалось выше,

почти равна 1. При выводе (3.57) и (3.58) учитывалось, что Ір{х'э)

<

С

Іп'э)

в реальных приборах и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

іч

 

 

 

np{x"s)[Na{xl)—Nd{xl)]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Naixl)

 

 

Na{xl)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

np{xl)\\—

 

exp

х"э — х.

 

 

 

Ld

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L„

 

 

 

 

 

Заметим

также, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рп {х'э) _

Ng {хэ) —

Ыа{х'э)

 

1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пр'э)

 

Nd{x'a)-

-Na{x's)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

поскольку при больших прямых смещениях эмиттерный р-п пере­ ход можно считать линейным.

95

Таким образом, формула (3.57) примет окончательный вид:

1,7

LaLd

(3.59)

 

 

Согласно равенству (3.59) коэффициент

инжекции уп тем меньше

отличается от 1, чем меньше характеристические длины в распреде­ лении акцепторов Ьа и доноров L d и больше ускоряющее поле для

электронов в базе

при х >

хт Е

ц>Та

и тормозящее поле для

дырок в эмиттере

при 1

<х<.х'э)

Е

= yT/Ld.

Поэтому при

изготовлении планарных транзисторов необходимо выбирать такие режимы диффузии доноров и акцепторов, которые обеспечивают до­ статочно резкие фронты в распределении примесей. Как видно из (3.59), коэффициент инжекции зависит обратно пропорционально от времени жизни дырок в эмиттере т р . С увеличением т р уменьшается количество дырок, рекомбинирующих в области хх < х < х'э, снижается дырочный ток и растет параметр уп. Следует заметить, что в отличие от параметров L a , L d временем жизни дырок т р не удается целенаправленно управлять, изменяя режимы диффузион­ ных отжигов. Это обусловлено тем, что величина т р чрезвычайно чувствительна к наличию в эмиттере малых концентраций (А* Ю1 5 — 101 7 см - 3 ) инородных примесей (Си, Au, Ni и т.д.) и дислокаций,

которые являются рекомбинационными центрами для дырок.

Более

того, к настоящему времени даже отсутствуют достаточно

точные

и прямые методы определения времени жизни дырок т р в эмиттере.

Выведенная нами формула (3.59) имеет практическое применение.

 

В качестве иллюстрации рассмотрим следующий числовой при­

мер. Рассчитаем коэффициент инжекции уп

для типичного кремние­

вого

планарного

триода

со следующими

значениями

параметров:

W60

= 1,5

мкм,

Na(xa0)

= 5-101 7

см"3 ,

Na(xM)/Nd«

=

103,

Е>п'э) — 8

см2 /с,

La =

0,22

мкм,

Ld

V 3 La =

0,07

мкм,

т р =

5 • Ю - 9

с. В этом случае

уп =

0,9935.

Следовательно,

коэф­

фициент инжекции в кремниевых планарных транзисторах в от­

личие от германиевых

сплавных бездрейфовых

транзисторов,

где

у « 0,9995,

может существенным образом влиять

на величину

ко­

эффициента усиления по току [формула (3.42а)].

 

 

Практически величина параметра ß C T определяется тем из ко­

эффициентов ß n

или уп,

который более заметно отличается от 1. На­

пример, у

всех

п-р-п

транзисторов, не легированных специально

золотом, время жизни неосновных носителей — электронов — в базе

%п довольно велико (тп >

Ю - 7 с), поэтому согласно формуле (3.38)

коэффициент переноса

ß„ ^

0,999 « 1 при

типичных значениях

W60 » 1 мкм, L A =

0,1

0,2 мкм, Dn(xl)

Ä; 10 см2 /с. Таким

образом, выражение (3.42а) с учетом (3.59) принимает вид

(3.60)

1,7L a L 4

96

Рис. 3.6. Зависимость коэффи­ циента усиления Вст от тока коллектора при трех коллек­ торных напряжениях для тран­ зистора КТ312 (а) и КТ603 (б):

Д — UK6 =

15

В, X — UK6 = 5,5 В,

О — U=

2,7

В.

В случае

переключающих

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

транзисторов,

например

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КТ603,

 

в

которых

на

за­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ключительной

стадии

 

из­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

готовления

 

проводится

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

диффузия

золота,

время

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

жизни

электронов

в

базе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мало (тп А ; Ю - 8 с), и ко­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

эффициент

переноса

 

ß n

Для

таких

приборов можно

считать,

заметно

отличается

от

1.

что

уп

 

1, и тогда приходим к формуле (3.426).

 

 

 

 

 

При

сравнении

выражений (3.60) и (3.426) легко заметить, что

для транзисторов 1-го

 

класса

(ß„

=

1, уп

<

1) коэффициент уси­

ления

ß C T

не

зависит

от

коллекторного

напряжения

U K P . N ,

а

у транзисторов 2-го класса

(ß„ <

1, уп

=

1) величина ВСТ

обратно

пропорциональна толщине квазинейтральной базы We,

которая

зависит от напряжения

U K P

. N

по закону (3.40). Поэтому,

измеряя

зависимость ВСТ

=

BCT(UK6)

J /

в

диапазоне

напряжений

U

=

=

(—2

~

—15)

В

(когда

[ £ / к б |

<

V 3

£ / к б п р )

при

токе

/ к ,

соот­

ветствующем

средней

 

части пологого участка на кривой ВСГ

— Вст([к)

 

\ у

, где

 

рекомбинация

в

эмиттерном

р-п

переходе

пренебрежима по сравнению с рекомбинацией в квазинейтральной базе и эмиттерном слое, можно установить принадлежность транзи­

стора конкретного типа к тому

или иному классу. Если ВСГ

почти

не зависит от напряжения

UM

(т. е. практически

[ ß C T (

15В) —

— 5 С Т (

— 2B)]/ßC T ( — 2В) <

0,1);

тогда

 

можно

 

считать,

что

ß„ =

1 и ВСТ

=

1/(1 — у п ) . Случай

ß„

=

1,

уп

<

1 реализуется,

например у транзисторов КТ312, как показано на рис. 3.6,

а.

 

Если в указанном диапазоне напряжений £/„б

 

коэффициент

усиления ß C T

возрастает:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[ 5 С Т ( —

15В) — Л с т ( — 2 ß)]/5 C T ( — 2 В)

» 0,20

0,30,

 

тогда

можно

считать уп

=

1 и В с т

=

1/(1

— ß„). Действительно,

согласно

(3.40)

и (3.426)

при

типичных

значениях

W6o

=

0,70 —

— 1,50

мкм, Na(x30)/NdK

 

=

103,

NdK

=

(0,5

ч-

1) • Ю1 5

см~3

получаем

[ ß C T ( — 15В) — ВСГ

( — 2B)]/ß C T ( — 2В) =

0,25

0,30.

Такая

зависимость величины

ВЙ7

от

UK6

 

характерна для

тран­

зисторов

КТ603 (рис. 3.6,

б),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Зак. !90

97

Глава четвертая

О С О Б Е Н Н О С Т И РАБОТЫ Т Р А Н З И С Т О Р О В ПРИ БОЛЬШИХ Т О К А Х К О Л Л Е К Т О Р А

4.1. Э ф ф е к т оттеснения эмиттерного тока

 

Транзисторы средней и большой мощности обычно

работают

в схемах в режиме высоких плотностей эмиттерного тока / э

= 100 —

— 3000 А/см2 . При больших величинах / э возникает ряд физиче­ ских явлений, вызывающих спад коэффициента усиления ß C T .

Вначале рассмотрим эффект оттеснения эмиттерного тока, который заключается в появлении неоднородного распределения плотности эмиттерного тока по ширине эмиттера. Сущность этого эффекта легко понять из рис. 4.1, где изображено сечение планарного транзистора с прямоугольным эмиттером. Падение напряжения

на эмиттерном р-п переходе в центре эмиттера Ua Р.п)\у

всегда

меньше напряжения на переходе у края эмиттера ÙB р.п

( ± / э / 2 )

на величину омического падения напряжения на участке активной базы 0 < у < IJ2 вследствие протекания базового тока. Плотность ;же тока эмиттера экспоненциально зависит от напряжения на р-п

переходе

/ э — exp (£/3 P -n /cpT ) согласно

формуле (3.23). Поэтому

падение

напряжения на тонкой активной

базе в несколько

срг =-

= 0,026 В приведет к различию в величинах /э (0) и ja(lJ2)

на по­

рядок и более. Максимальная плотность тока будет на краю пере­ хода. Увеличение эмиттерного тока вызывает увеличение плотности эмиттерного тока / э (/ э /2), а также базового тока І б а , что приводит к возрастанию падения напряжения вдоль базы и к неоднородности в распределении тока по площади эмиттера. Поэтому в мощных транзисторах целесообразно использовать узкие эмиттеры с большим периметром.

Рассчитаем распределение плотности эмиттерного тока для двух основных конфигураций эмиттера — круговой и прямоуголь­ ной. Это даст возможность выразить полный ток эмиттера I э через плотность тока у края эмиттера, что необходимо для конструктив­ ного расчета транзисторов.

Прямоугольный эмиттер. Флетчер [59] впервые рассмотрел иде­ ализированный случай транзистора с однородно легированной ба­ зой (бездрейфовый транзистор) и с прямоугольным эмиттером беско­ нечной ширины. Хаузер [60] рассчитал эффект эмиттерного вытес­ нения для более реалистической модели транзистора также с одно­ родно легированной базой, прямоугольным эмиттером конечной

98

ширины и с базовыми контактными полосками, расположенными как с одной, так с обеих сторон от эмиттера ( рис. 4.1).

Обобщим результаты работы [60] на случай дрейфового тран­ зистора с неоднородно легированной базой с двумя базовыми кон­ тактными полосками, что обычно имеет место на практике.

Сделаем ряд допущений:

1) эмиттерный и коллекторный р-п переходы считаем плоскими

ипараллельными, что справедливо в пределах активной базы;

2)падением напряжения в эмиттер ном слое ввиду высокого ле­ гирования пренебрегаем;

3) уровень

инжекции в базе считаем малым [п(х,

y)lNа(х)

—•

— Л^гі(лг)) < 1],

так что удельное сопротивление базы не зависит

от

тока при умеренных токах эмиттера;

 

 

4) коэффициент передачи тока а предполагается

постоянным

вдоль базовой области, что хорошо выполняется в диапазоне не очень высоких плотностей тока эмиттера (допущение 3);

5) длину эмиттера Z3

считаем значительно большей ширины

/ э ,

т. е. ZJl9

%> 1. Поэтому

краевые эффекты

можно не учитывать

и

рассматривать двумерную модель

транзистора.

 

 

Ввиду симметрии задачи относительно оси Ох достаточно рас­

смотреть область активной базы 0 ^

у <J IJ2.

Напряжение на эмит-

терном р-п

переходе Uop.n(y)

в

произвольной точке у,

очевидно,

связано с напряжением на переходе у края эмиттера

Uap.n(lj2)

следующим

соотношением:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У 2

 

 

 

U3p.n(y)^U3p.n(lJ2)~

 

 

J

/ б ( х , y')pu(x)dy',

(4.1а)

 

 

 

 

у

 

 

 

 

где интеграл в правой части представляет собой омическое падение напряжения на участке базы {у, IJ2), /б (х, у) — абсолютная вели­ чина плотности базового тока в точке (х, у).

Величина / б (х, у) рб (х, y)dy = f{y)dy — омическое падение на­ пряжения на участке dy, не зависит от координаты х, так как при малых уровнях инжекции в базе (допущение 3) ток базы можно счи-

Рис.

4.1.

Картина

токов в

/7Т 1 X

п-р-п

транзисторе

с прямо­

угольным

эмиттером.

 

4*

 

 

 

99