ОСНОВИ НАПІВПРОВІДНИКОВОЇ ОСНОВИ НАПІВПРОВІДНИКОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИЕЛЕКТРОНІКИ

Лекція 0Лекція 077

Біполярні транзисториБіполярні транзистори

Анатолій Євтух Анатолій Євтух

Інститут високих технологій Інститут високих технологій Київського національного університету імені Тараса ШевченкаКиївського національного університету імені Тараса Шевченка

Статичні характеристики.Статичні характеристики.Вольт-амперні характеристикиВольт-амперні характеристики

Умовне позначення і назви Умовне позначення і назви елементів біполярного елементів біполярного транзистора.транзистора. а) а) p-n-p- p-n-p- транзистор; транзистор; б) б) n-p-nn-p-n– транзистор.– транзистор.

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

Вольт-амперні характеристикиВольт-амперні характеристики

Статичні характеристики Статичні характеристики транзистора можна безпосередньо транзистора можна безпосередньо отримати із теорії отримати із теорії p-n p-n переходу. переходу. Вважаємо, що ВАХ емітерного і Вважаємо, що ВАХ емітерного і колекторного переходів колекторного переходів відповідають рівнянням відповідають рівнянням

ідеального діода.ідеального діода. Нехтуємо:Нехтуємо:

- ефектами обумовленими - ефектами обумовленими поверхневою рекомбінацією-поверхневою рекомбінацією-генерацією;генерацією;

- послідовним опором;- послідовним опором;

-високим рівнем інжекції.-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).

Вольт-амперні характеристикиВольт-амперні характеристикиІз рівняння неперервності і рівняння для густини струмів визначаються Із рівняння неперервності і рівняння для густини струмів визначаються

рівноважні характеристики. Для нейтральної області бази маємо:рівноважні характеристики. Для нейтральної області бази маємо:

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

.02

2

x

pD

ppB

B

B

,x

pqDJ Bp

.

x

pqDJJ Btotn

).1)(exp()]1)(exp()(

1)1))[(exp((

)()()()0( 0

kT

qV

L

nDAq

kT

qV

LW

chkT

qV

L

Wcth

L

pDAq

x

nqDA

x

pqDAxxAJxAJI

EB

E

EECB

B

EB

BB

BB

xxExBEnpE E

Залежність повного емітерного струму від прикладеної напруги:

BBB DL

EEE DL

CCC DL

- дифузійна довжина дірок в базі;

- дифузійна довжина електронів в емітері;

- дифузійна довжина електронів в колекторі.

Вольт-амперні характеристикиВольт-амперні характеристикиЗалежність повного колекторного струму від прикладеної напруги:Залежність повного колекторного струму від прикладеної напруги:

).1)(exp()]1))(exp(()1)[(exp()(

1

)()()()(

kT

qV

L

nDAq

kT

qV

L

Wcth

kT

qV

L

WshL

pDAq

x

nqDA

x

pqDAxxAJWxAJI

CB

C

CCCB

B

EB

B

B

BB

xxCWxBCnpC C

Струм бази:

.CEB III

Нерівномірний розподіл Нерівномірний розподіл домішки в базі.домішки в базі.Транзистор з подібним розподілом домішки- дрейфовий транзистор, 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.

.)exp( 21 IkT

qVII EB

C .

)(0

2

1

WiB

dxxN

nqADI

.)( 2

0 1iB

W

b nADI

qdxxNQ

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

Профіль легування транзистора з градієнтом концентрації домішки в базі.

Типова характеристика базового струму.

Можна виділити чотири ділянки:1) область малих струмів, де базовий

струм змінюється по закону exp(qVEB/mkT) з m2;

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 обумовленихвисоким рівнем інжекції, необхіднозмінити профіль легування бази іконструкцію 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.

Коефіцієнт підсилення струмуКоефіцієнт підсилення струмуКоефіцієнт підсилення струму в схемі зі спільною базою 0 .

(в гібридній системі параметрів чотириполюсника позначається як hFB).

.0pC

C

pE

pC

E

pE

E

CFB I

I

I

I

I

I

I

Ih

E

pE

I

Iефективність емітера .

pE

pC

I

Iкоефіцієнт переносу в базі Т.

pC

C

I

Iкоефіцієнт помноження колектора М.

.0 TT M

Коефіцієнт підсилення струму в схемі зі спільним емітером 0.(в гібридній системі параметрів чотириполюсника позначається як hFE).

.0B

CFE I

Ih

.1 0

00

0- близький до 1.

0- значно більший одиниці.

При нормальній роботі p-n-p транзистора VEB>0 і VCB<<0. У виразах для струму нехтуємо VCB. В цьому випадку справедливі наступні співвідношення:

.)](1[)0(

1

BE

B

B

E

B

E

E

p

L

Wth

L

L

D

D

p

n

J

xAJ

.2

1)(

1

)0(

)(2

2

B

B

p

pT L

W

L

WchxJ

WxJ

Оскільки IB=IE-IC, то

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

Приріст діркового струму, що досяг колектора T= ------------------------------------------------------------

Приріст діркового струму із емітера

T<1

<1

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

В біполярному транзисторі з шириною бази 0.1LB, T>0.995 і 0 повністю визначається .

Залежність коефіцієнту підсилення транзистора (на частоті 5 ГГц) від дози домішки імплантованої в базу.

.)1

()(10

b

E

B

E

E

B

BBEE

EBBFE Q

N

WN

N

Wn

p

L

Wcth

LDL

IDph

Якщо Т близький до 1, то:

hFE Коефіцієнт підсилення по струму в загальному випадку залежить від струму 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.

.)()]1

1(exp[)/exp(

)/exp( /11 mC

EB

EB

EB

B

CFE I

mkT

qV

mkTqV

kTqV

I

Ih

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.

hFE

При подальшому збільшенні колекторного струму густина неосновних носіїв інжектованих в базу 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:

.)()2/exp()/exp(

)2/exp( 1

CEBEB

EB

B

CFE IkTqV

kTqV

kTqV

I

Ih

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.

.)1

()(10

b

E

B

E

E

B

BBEE

EBBFE Q

N

WN

N

Wn

p

L

Wcth

LDL

IDph

Ефект звуження ширини забороненої зони

Звуження ширини забороненої зони в кремнії.

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

2/122

)(16

3

kT

NqqE

s

E

sg

)./exp(]/)(exp[ 22 kTEnkTEENNn giggVCiE

.2

B

iB N

np )./exp(

22

kTEN

n

N

nn g

E

i

E

iEE

)./exp( kTEn

ph g

E

BFE

.)1

()(10

b

E

B

E

E

B

BBEE

EBBFE Q

N

WN

N

Wn

p

L

Wcth

LDL

IDph

Густина власних носіїв в емітері

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

При кімнатній температурі звуження зони описується формулою

][,)10/(5.22 2/118 meVNE Eg

Ефект оже-рекомбінації

Залежність коефіцієнта підсилення транзистора від струму колектора. а- врахування лише 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

.1

2pGpA

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

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

.1

2nGnA

При збільшенні концентрації носіїв оже-рекомбінація стає домінуючою і визиває зменшення часу життя неосновних носіїв в емітері. В свою чергу це приводить до скорочення дифузійної довжини LE, що знижує ефективність емітера.

.)](1[)0(

1

BE

B

B

E

B

E

E

p

L

Wth

L

L

D

D

p

n

J

xAJ

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

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

,111

Ap

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

Ефект Кірка

В сучасних біполярних транзисторах зі слабо легованим епітаксійним колектором на 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.

Вихідні характеристикиВихідні характеристики

Основні співвідношення в транзисторі можна сформулювати наступним чином.1. Прикладені напруги 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.

Вихідні характеристикиВихідні характеристики

Вихідні характеристики транзистора.а- в схемі зі спільною базою; б- в 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 (0=1) і фактично не залежить від VCB

В схемі зі спільним емітером зі збільшенням VCE ширина бази W зменшується і спостерігається збільшення 0. Відсутність насичення вихідних характеристик транзистора в схемі зі спільним емітером обумовлено значним збільшенням 0 з ростом VCE. Цей факт отримав назву ефекту Ерлі.

.)1

()(10

b

E

B

E

E

B

BBEE

EBBFE Q

N

WN

N

Wn

p

L

Wcth

LDL

IDph

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

.2

s

BBA

WqNV

НВЧ-транзисториНВЧ-транзистори

Транзистор зі смужковою геометрією електродів.

Задача зменшення двох критичних параметрів дискретних 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.

Дифузійні трубки (а) і дифузійні виступи (б) в базі вздовж дислокацій.

Задачі:Мінімізувати (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.

ЧастотаЧастота відсічки відсічки

Частота відсічки fT є найбільш важливим показником якості НВЧ-транзистора.

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

B

CFE I

Ih

дорівнює 1.

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

.1

ecTf

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

.'CCBEec

E- час зарядки збідненого шару емітера, визначається виразом:

),()( pceE

pceeE CCCqI

kTCCCr

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.

Частота відсічкиЧастота відсічкиДруга складова часу затримки являє собою час прольоту через шар бази і дорівнює:

,2

BB D

W

де =2 для випадку рівномірного легування бази.

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

Якщо вбудоване поле Ebi постійне, то коефіцієнт приймає значення

],)(1[2 2/3

0

bi

де E0=2DB/BW. При Ebi/E0 =10 60, тобто за рахунок великого вбудованого поля досягається значне зменшення B.

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

,2 s

CC v

Wx

де vs - гранична швидкість носіїв в колекторі.

Частота відсічкиЧастота відсічкиЧетверта компонента затримки обумовлена часом, протягом якого заряджається збіднена ємність колектора:

,'ccC Cr

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

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

Таким чином, вираз для частоти відсічки fT має вид

.]}2

)({[

1 12

s

C

BC

pce

ecT v

Wx

D

W

qI

CCCkTf

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.

Частота відсічкиЧастота відсічки

Час руху носіїв від емітера до колектора в залежності від густини колекторного струму.

Зі збільшенням робочого струму частота відсічки підвищується, оскільки час зарядки емітера E 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 ec падає з ростом JC, і колекторний струм переноситься в основному за рахунок дрейфу, тобто

,CCCC NqJ де C, 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

CCBCC WVV /)( 0

де VC0 -контактний потенціал колектора, VCB - напруга прикладена між базою і колектором. Струми, що перевищують , не можуть вже переноситись через епітаксійну область колектора тільки за рахунок дрейфової компоненти. Величина J1 рівна

./)( 01 CCBCCC WVVNqJ 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.

Дякую за увагу!Дякую за увагу!