ОСНОВИ НАПІВПРОВІДНИКОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ Лекція 0 7 Біполярні транзистори

1. ОСНОВИ НАПІВПРОВІДНИКОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИЛекція 07Біполярні транзистори Анатолій Євтух Інститут високих технологій Київського національного університету імені Тараса Шевченка

2. Статичні характеристики.Вольт-амперні характеристики Умовне позначення і назви елементів біполярного транзистора. а) p-n-p- транзистор; б) n-p-n– транзистор. Три схеми включення p-n-p- транзистора. а- схема зі спільною базою; б- схема зі спільним емітером; в- схема зі спільним колектором.

3. Вольт-амперні характеристики Статичні характеристики транзистора можна безпосередньо отримати із теорії p-n переходу. Вважаємо, що ВАХ емітерного і колекторного переходів відповідають рівнянням ідеального діода. Нехтуємо: - ефектами обумовленими поверхневою рекомбінацією-генерацією; - послідовним опором; -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).

4. Вольт-амперні характеристики Із рівняння неперервності і рівняння для густини струмів визначаються 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. Залежність повного емітерного струму від прикладеної напруги: - дифузійна довжина дірок в базі; - дифузійна довжина електронів в емітері; - дифузійна довжина електронів в колекторі.

5. Вольт-амперні характеристики Залежність повного колекторного струму від прикладеної напруги: Струм бази:

6. Нерівномірний розподіл 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. Профіль легування транзистора з градієнтом концентрації домішки в базі. Для Si біполярних транзисторів число лежить Гумеля в діапазоні 1012-1013 см-2.

7. Типова характеристика базового струму. Можна виділити чотири ділянки: 1) область малих струмів, де базовийструм змінюється по закону exp(qVEB/mkT) з m2; 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 обумовлених високим рівнем інжекції, необхідно змінити профіль легування бази і конструкцію самого транзистора. Для покращення характеристик в області малих струмів необхідно зменшити густину пасток в збідненій області і на поверхні напівпровідника. Залежність колекторного і базового струму від напруги емітер-база.

8. Коефіцієнт підсилення струму Коефіцієнт підсилення струму в схемі зі спільною базою 0 . (в гібридній системі параметрів чотириполюсника позначається як hFB). ефективність емітера . коефіцієнт переносу в базі Т. коефіцієнт помноження колектора М. Коефіцієнт підсилення струму в схемі зі спільним емітером 0. (в гібридній системі параметрів чотириполюсника позначається як hFE).

9. Оскільки IB=IE-IC, то 0- близький до 1. 0- значно більший одиниці. При нормальній роботі p-n-p транзистора VEB>0і VCB<<0.У виразах для струму нехтуємо VCB. В цьому випадку справедливі наступні співвідношення: Приріст діркового струму із емітера = --------------------------------------------------- Приріст загального емітерного струму. <1 Приріст діркового струму, що досяг колектора T= ------------------------------------------------------------ Приріст діркового струму із емітера T<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 .

10. Якщо Т близький до 1, то: Залежність коефіцієнту підсилення транзистора (на частоті 5 ГГц) від дози домішки імплантованої в базу.

11. 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. 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, hFEдосягає області максимальних значень.

12. 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: 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 проявлятисяефект звуження ширини забороненої зони і ефект оже-рекомбінації. Обидва визивають зменшення hFE.

13. Ефект звуження ширини забороненої зони Звуження ширини забороненої зони в сильно легованому кремнії пов’язано з підвищенням енергії електростатичної взаємодії основних і неосновних носіїв. При кімнатній температурі звуження зони описується формулою Звуження ширини забороненої зони в кремнії. Густина власних носіїв в емітері Оскільки Eg зростає з концентрацією легування, то коефіцієнт підсилення по струму падає

14. Ефект оже-рекомбінації 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 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. де p- концентрація основних носіїв, Gp- швидкість рекомбінації. (Gp=(1-2)x10-31см6/с для Si при кімнатній температурі)

15. Аналогічно протікає рекомбінація в високолегованій n+ області при участі двох електронів і однієї дірки з характерним часом життя Час життя електронів (неосновних носіїв)  в p- емітері визначається формулою де p -час життя, обумовлений рекомбінацією типу типу Са-Нойса-Шоклі 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.

16. 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.

17. Вихідні характеристики 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. 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. За допомогою цих графіків можна пояснити статичні вольт-амперні характеристики транзисторів. 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.

18. Вихідні характеристики Для даного транзистора емітерний струм IEі 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 Вихідні характеристики транзистора. а- в схемі зі спільною базою; б- в схемі зі спільним емітером.

19. В схемі зі спільним емітером зі збільшенням VCE ширина бази Wзменшується і спостерігається збільшення 0. Відсутність насичення вихідних характеристик транзистора в схемі зі спільним емітером обумовлено значним збільшенням 0 з ростомVCE. Цей факт отримав назву ефекту Ерлі. В транзисторі з шириною бази набагато більшою розміру збідненої області в базі напруга Ерлі дорівнює

20. НВЧ-транзистори Для покращення високочастотних властивостей транзисторів мають бути суттєво зменшені розміри активних областей і значення паразитних параметрів. 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. Транзистор зі смужковою геометрією електродів. 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.

21. 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. Задачі: Мінімізувати (а) дефекти упаковки (окислення), (б) дислокації (епітаксія). Дифузійні трубки (а) і дифузійні виступи (б) в базі вздовж дислокацій.

22. Частота 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. Частота відсічки зв’язана з фізичною структурою транзистора через час затримки носіїв, що пролітають від емітера до колектора, ec: Час затримки ec є сума чотирьох часів затримки, які характеризують послідовні фази руху носіїв від емітера до колектора: дорівнює 1. E- час зарядки збідненого шару емітера, визначається виразом: 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.

23. Частота відсічки Друга складова часу затримки являє собою час прольоту через шар бази і дорівнює: 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 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: де vs- гранична швидкість носіїв в колекторі.

24. Частота відсічки Четверта компонента затримки обумовлена часом, протягом якого заряджається збіднена ємність колектора: де rc- послідовний опір колектора, Cc - ємність колектора. В епітаксійному транзисторі rcможе бути суттєво зменшеним і час затримки ’c знехтувано малий в порівнянні з іншими часами затримки. Таким чином, вираз для частоти відсічки fT має вид Видно, що для підвищення частоти відсічки необхідно зменшити товщину базитранзистора,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.

25. Частота відсічки Зі збільшенням робочого струму частота відсічки підвищується, оскільки час зарядки емітера Eобернено 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 відWB до (WB+WC). Час руху носіїв від емітера до колектора в залежності від густини колекторного струму. При низьких густинах струмів ecпадає з ростомJC, і колекторний струм переноситься в основному за рахунок дрейфу, тобто 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 де C, NC, EC - рухливість, концентрація домішки і електричне поле в колекторному епітаксійному шарі відповідно.

26. 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 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. Вихідна потужність обернено пропорційна квадрату частоти, що є результатом обмежень, які накладаються полем лавинного пробою і граничною швидкістю носіїв. Залежність потужності від частоти для біполярних НВЧ-транзисторів.

27. Дякую за увагу!