книги из ГПНТБ / Кремниевые планарные транзисторы
..pdfИз 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 |
(ВСТдр |
> |
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 |
||
1т 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 — . |
^р,lp.р — средняя диффузионная длина |
дырок |
в |
области |
||||||||||||
{х1<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 \хр |
=-- 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 |
(хэо- - 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 (х1 |
< |
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) |
, = |
|
~рп(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 |
(Іп{х'э) |
= |
|||||||||||||||
= |
ln(xl))'вычислим |
коэффициент |
инжекции |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
h |
{х'э) |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
h |
( * э ) / / п {х'э) |
I |
|
|
|
Iп |
{х'э) |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
j |
|
Рп {х'э) Dp La |
Ld |
H', |
|
|
|
|
(3.57) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
пр {х'э) |
Dn |
{х'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{х'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{х'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>Т/Ьа |
и тормозящее поле для |
|
дырок в эмиттере |
при (х1 |
<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(х'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 — UKÜ = |
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 |
UKÖ |
= |
|||||||||||
= |
(—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)\у=о |
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 |
|
|
|
|