Дрейфовые транзисторы их параметры, преимущества и недостатки

Факультет электронной техники

Кафедра микроэлектроники

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: “Дрейфовые транзисторы их параметры, преимущества и недостатки”

Содержание

1. Определение, структура и особенности дрейфового транзистора

2. Физические процессы в базе дрейфового транзистора

2.1 Процессы в базе при низком уровне инжекции

2.2 Процессы в базе при больших плотностях тока

3. Влияние неравномерного распределения примесей в базе на параметры дрейфового транзистора

Список использованных источников литературы.

1. Определение, структура и особенности дрейфового транзистора

Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может существовать или отсутствовать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым, если же поле в базе отсутствует - бездрейфовым. По принципу действия дрейфовый и бездрейфовый транзисторы одинаковы. Отличаются они только механизмом переноса носителей через базовую область. В дрейфовом транзисторе скорость носителей в базе увеличивается вследствие действия дрейфового поля, что приводит к различиям в численных значениях параметров двух типов транзисторов.

Рассмотрим типичную структуру дрейфового транзистора, создаваемого методом двойной диффузии (рис.1.1).[1]

Структура дрейфового транзистора.

Рис. 1.1.

Пусть в качестве исходного материала используется полупроводник р-типа с концентрацией примеси Na0. С поверхности полупроводника происходит диффузия акцепторной и донорной примесей, причем на поверхности Na>Nd. Будем считать, что диффузия примесей происходит по простому закону [1].

Существенное влияние на результирующее распределение примесей оказывает то, что коэффициент диффузии акцепторной примеси значительно отличается от коэффициента диффузии донорной примеси. Поэтому, например, в германии концентрация акцепторной примеси быстрее убывает с расстоянием вглубь полупроводника, чем концентрация донорной (рис.1.2,а). Для получения более ясной картины построим на основе рис.1.2,а зависимость разности Na-Nd от x (рис. 1.2,б).

Распределение примесей в дрейфовом транзисторе.

Рис.1.2.

Теперь видны три области в полупроводнике: р-типа (x<0, Na-Nd>0), п-типа (W>x>0, Na-Nd<0), р-типа (x>W, Na-Nd>0). Первая область может использоваться в качестве эмиттера транзистора, вторая - в качестве базы, третья - коллектора. Обычно режим диффузии выбирается так, что Naэ>> Ndб,ср>> Naк (Ndб,ср - средняя концентрация примесей в базе). Поэтому приближенно распределение примесей можно изобразить в виде рис. 1.2,в.

Вследствие неравномерного распределения примесей в базе (рис. 1.2,г) существуют встречные диффузионные потоки электронов и дырок, которые приводят к образованию электрического поля в базе. Образование электрического поля можно объяснить следующим образом. Концентрация атомов донорной примеси в базе транзистора p-n-p-типа велика у эмиттера и мала у коллектора. Так же распределяется и концентрация свободных электронов, поскольку свободные электроны создаются вследствие ионизации атомов донорной примеси. Часть свободных электронов от эмиттера уходит к той части области базы, которая расположена у коллекторного перехода. Это перемещение создает избыточный положительный заряд ионов у эмиттерного и избыточный отрицательный заряд электронов у коллекторного перехода. Таким образом, создаются электрическое поле и наклон энергетических зон в базовой области (рис. 1.3). Электрическое поле в базе направлено от эмиттера к коллектору и, следовательно, способствует движению дырок в этом направлении.[2]

Рис.1.3. Дрейфовый транзистор

Особенности дрейфовых транзисторов. Как известно[3], диффузионная технология позволяет получить очень тонкую базу, что само по себе (даже без учета распределения примесей) приводит к ряду важных следствий. А именно при прочих равных условиях существенно уменьшается время диффузии tD и увеличивается коэффициент передачи β, поскольку эти параметра зависят от квадрата толщины базы[3]. Толщина базы у дрейфовых транзисторов в 5-10 раз меньше, чем у диффузионных, а потому время диффузии tD и постоянная времени τα, оказывается меньше в десятки раз; соответственно увеличивается граничная частота fα. Коэффициент передачи β по тем же соображениям должен был бы доходить до 1 000 и больше. На самом деле он значительно меньше и обычно не превышает 100-200. Это объясняется тем, что величины α и β зависят не только от толщины базы, но также от времени жизни и коэффициента инжекции. В связи с повышенной концентрацией примесей вблизи эмиттера, а значит, малым удельным сопротивлением время жизни в базе дрейфового транзистора значительно меньше, чем у диффузионных транзисторов, а коэффициент инжекции более заметно отличается от единицы [3].

Теперь учтем неравномерное распределение примесей в базе на примере р-п-р транзистора (рис. 1.4, где LД - длина диффузии доноров) и покажем те следствия, к которым приводит такая неравномерность.

Рис.1.4. Распределение примесей в базе дрейфового транзистора.

Прежде всего, очевидно, что слой базы, прилегающий к коллекторному переходу, является почти собственным полупроводником, так как здесь продиффундировавшие донорные атомы в значительной мере компенсируют акцепторные атомы исходного кристалла. Следовательно, удельное сопротивление этого слоя базы велико и коллекторный переход оказывается довольно широким. Соответственно емкость Ск получается значительно (почти на порядок) меньшей, чем у диффузионных транзисторов, и составляет несколько пикофарад. По вполне понятным причинам коллекторный переход является плавным, а не ступенчатым, и потому емкость Ск описывается формулой [3].

 (1.1)

где l -ширина перехода.

По мере удаления от коллектора в глубь базы концентрация доноров растет, а удельное сопротивление уменьшается. Результирующее сопротивление базы можно рассматривать как результат параллельного соединения отдельных слоев базы, имеющих равную удельную проводимость. Поскольку неоднородность базы является основой дрейфового механизма транзистора, концентрацию Nd(0) делают весьма большой; Nd(0) >> Na. к, где Na. к - концентрация акцепторов в исходной пластинке (рис.1.4). Очевидно, что сопротивление rб определяется в основном тем участком базы, который прилегает к эмиттерному переходу и имеет наибольшую удельную проводимость. Поэтому, несмотря на значительно меньшую толщину базы W, величина rб у дрейфовых транзисторов примерно такая же, как у диффузионных, и даже меньше.

Эмиттерный переход у дрейфовых транзисторов, как правило, ступенчатый. Поскольку граничная концентрация доноров Nd(0) велика, концентрация акцепторов в эмиттере должна быть еще большей и эмиттерный переход получается очень узким. В результате при подаче на эмиттер отрицательного запирающего напряжения этот переход легко пробивается. Обычно пробой носит полевой характер [3] и происходит при очень небольшом напряжении (1-2 в). Пробой эмиттера оказывает значительное влияние на работу многих импульсных схем, в которых запирание триода является необходимым элементом рабочего цикла. Эта важная специфика дрейфовых транзисторов не является, однако, препятствием для применения их в ключевых схемах, так как пробой перехода при ограниченном токе является обратимым явлением (как в опорном диоде) и не представляет никакой опасности. Инжекция в режиме пробоя, как известно, отсутствует и, следовательно, по коллекторной цепи триод остается запертым.

Меньшая ширина эмиттерного перехода у дрейфовых триодов при прочих равных условиях означает большую величину барьерной емкости СЭ. Это обстоятельство вместе с гораздо более высокой частотой ƒα делает существенным влияние емкости СЭ на коэффициент инжекции [3]. Иначе говоря, частотные свойства дрейфовых транзисторов могут ограничиваться не временем диффузии, а постоянной времени rЭСЭ. Для того чтобы уменьшить влияние барьерной емкости СЭ, часто используют дрейфовые транзисторы при большем токе эмиттера, например 4-5 ма вместо 1 ма. Тогда сопротивление rЭ уменьшается и постоянная времени rЭСЭ оказывается достаточно малой. В сущности, критерием при увеличении тока является условие СЭ < СЭ. Д, где СЭ. Д - диффузионная емкость эмиттера [3].

 (1.2)

где tD-среднее время диффузии(пролета носителей через базу).

Заметим еще, что коллекторный слой у дрейфовых транзисторов имеет сравнительно большое сопротивление. Это объясняется, во-первых, значительной толщиной коллектора (она близка в толщине исходной пластинки) и, во-вторых, тем, что исходная пластинка имеет довольно большое удельное сопротивление (ρ≥ омÌсм}. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что в противном случае нельзя было бы обеспечить существенную разницу в концентрациях NБ(0) и NБ (W), а это в значительной степени лишило бы дрейфовый транзистор тех его особенностей, которые связаны с наличием собственного поля и базе. Сопротивление коллекторного слоя особенно важно учитывать в ключевых схемах, построенных на дрейфовых транзисторах.

2. Физические процессы в базе дрейфового транзистора

2.1 Физические процессы в базе дрейфового транзистора при низком уровне инжекции

Рассмотрим физические процессы в базе на основе дрейфового транзистора n+-p-n-n+ типа изготовленного по методу двойной односторонней диффузии.

Распределение легирующих примесей и результирующей примеси в n+-p-n-n+ дрейфовом транзисторе в соответствии с [4] изображено на рис. 2.1.1, б, в, где N1(x) - распределение акцепторной примеси, формирующей базу, a N10(x) - ее поверхностная концентрация. Эмиттер формируется донорной примесью с распределением N2(x) и поверхностной концентрацией N20(x).

а) Структура, б) распределение легирующих примесей, в) результирующее распределение примеси.

Рис.2.1.1 Дрейфовый транзистор n+-p-n-n+ типа.

Сильнолегированный n+-слой коллектора является подложкой транзисторной структуры, концентрация доноров в которой NП. На рис. 2.1.1, в представлено распределение результирующей примеси и обозначены границы ОПЗ эмиттерного и коллекторного р-п переходов. Концентрация примеси в базе (рис. 2.1.1, в) максимальна, как правило, в левой трети базы, примыкающей к эмиттеру. В этой части базы создается не ускоряющее, а тормозящее электроны электрическое поле, что отрицательно сказывается на усилительных и частотных свойствах транзистора. Однако то, что толщина базы дрейфовых транзисторов мала, полностью окупает недостатки, связанные с наличием участка тормозящего поля в базе.

Расчет параметров и характеристик дрейфовых транзисторов осложнен тем обстоятельством, что концентрация легирующей примеси в слоях транзистора зависит от координаты. Зависят от координаты подвижность, коэффициент диффузии и время жизни носителей заряда. Это создает серьезные математические трудности для получения расчетных соотношений на основе решения уравнения непрерывности. Получение конечных результатов в аналитической форме в этом случае возможно только для ограниченного числа упрощенных модельных задач.

Для расчета основных соотношений в дрейфовом транзисторе воспользуемся приближенным теоретическим подходом[4]. В дрейфовом транзисторе с узкой базой при WБ /Ln<0,5 объемная рекомбинация слабо влияет на распределение электронов в базе п(х). Поэтому для отыскания распределения п(х) можно считать, что в первом приближении сквозной ток электронов Jnx в базе постоянен. С учетом этого допущения, подставив выражение для поля Ех [3]

 (2.1.1)

в уравнение для тока электронов и использовав соотношение Эйнштейна Dn=μnφT, получим

 (2.1.2)

В этом уравнении переменные разделяются, и поэтому

 (2.1.3)

В (2.1.3) верхний предел интегрирования x1К является левой границей ОПЗ коллекторного перехода (рис. 2.1.1, в). Взяв интеграл в левой части (2.1.3), получим

 (2.1.4)

При записи правой части мы воспользовались условием Jnx=const и вынесли из-под знака интеграла усредненное значение коэффициента диффузии электронов:

где WБ =x1K -x1Э-толщина квазиэлектронейтральной базы.

В соответствии с граничным условием pn=ni2exp(U/φT) [4] для носителей заряда у коллектора имеем

 (2.1.5)

Выражая из (2.1.4) концентрацию электронов, получаем

 (2.1.6)

Запишем условие квазиэлектронейтральности заряда в базе:

p(x)-n(x)+N(x)≈0 (2.1.7)

или

p(x)=n(x)-N(x), (2.1.8)

Выражение (2.1.6) с учетом (2.1.8) представляет собой интегральное уравнение для нахождения п(х) при произвольном уровне инжекции. В общем случае оно может быть решено только численными методами. При низком уровне инжекции электронов в базе выражение (2.1.6) можно упростить, так как этому условию соответствует

n(x)<< - N(x), p(x)≈ - N(x) . (2.1.9)

Во избежание недоразумений напомним, что знак результирующей концентрации примеси в базе определяется знаком заряда ионов акцепторов, т. е. сама результирующая концентрация примеси в базе N(x)<0 (рис. 2.1.1, в). Кроме того, знак минус перед Jnx в выражении (2.1.6) связан с тем, что вектор плотности тока электронов направлен против оси х, т.е. Jnx<0. При подсчете тока электронов, учтя положительное направление тока IЭ (стрелка на рис. 2.1.1, а), будем далее полагать Inx=-SЭJnx.

Таким образом, в нормальном активном режиме работы транзистора (UK<<-φT) и низком уровне инжекции электронов в базе

 (2.1.10)

С помощью полученного выражения можно получить распределение п(х) в аналитическом виде, если интеграл от N(x) выражается в квадратурах. В противном случае необходимо применять численные методы.

Рассмотрим практически важный случай, когда реальную зависимость N(x) в базе можно аппроксимировать экспонентой. На рис. 2.1.1,6 такая аппроксимация соответствует штриховой линии, которая проходит через точки графика с координатами (хЭ, NАЭ) и (xК, No), т.е.

N*(x)=-N*10·e-ax+N0=-NАЭ exp(-a(x-xЭ)+N0. (2.1.11)

Параметры аппроксимации определяются следующим образом:

N*10=NАЭexp(axЭ). (2.1.12)

Учитывая то что напряженность электрического поля равна[4]:

 (2.1.13)

Получаем

 (2.1.14)

Это означает, что при экспоненциальном распределении примеси напряженность электрического поля практически во всей квазиэлектронейтральной базе постоянна, за исключением небольшой приколлекторной части базы, как правило, занятой ОПЗ коллекторного перехода. Знак минус означает, что поле в базе направлено против оси х, т. е. ускоряет электроны от эмиттера к коллектору. Для оценки «силы» влияния ускоряющего поля в базе вводят понятие фактора поля, который показывает, во сколько раз разность потенциалов в базе ΔUБx=ExWБ0, возникающая за счет наличия «встроенного» поля в базе Ех, больше φТ:

 (2.1.15)

Таким образом, фактор поля тем больше, чем больше перепад концентрации акцепторов в базе. Например, при NАЭ = 1016 см-3 , N0=1014 см -3 имеем η=4,6.

Подставляя (2.1.11) в (2.1.10) и учитывая, что практически во всей базе N* (х) >>N0), получаем

 (2.1.16)

В бездрейфовом транзисторе η =o, и распределение концентрации электронов в базе практически линейно. При наличии ускоряющего (η >o) электрического поля часть тока электронов по-прежнему переносится за счет диффузии, а другая часть - за счет дрейфа. По этой причине градиент концентрации электронов вблизи эмиттера уменьшается, как показано на рис. 2.1.2 [4]

а) распределение концентрации электронов от координаты, б) -зависимость m(η} в транзисторе с ускоряющим полем в базе, в) распределение п(х) в реальном транзисторе

Рис. 2.1.2.

Уменьшается и общий заряд электронов Qn в базе. Это приводит к уменьшению тока объемной рекомбинации электронов в базе JvA=Qn/τn, а значит, к возрастанию коэффициента переноса при увеличении ускоряющего поля в базе. Вычисляя заряд Qn и ток объемной рекомбинации электронов в базе в соответствии с выражениями [4]:

Страницы: 1, 2