Главная  Журналы 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 [ 23 ] 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47

«1;


К>1

ми областями показано на рис. 4.2.5. Несимметричная структура эмиттерного р-я-перехода обеспечивает высокую эффективность эмиттера ,как инжектора электронов. Неоднородно легированная база получается при формировании транзисторов с помощью двух

диффузий. При неравномерном распределении концентраций атомов примесей (рис. 4.2.6) в неоднородной базе дрейфового п"-р-rt-транзистора образуется встроенное электрическое поле, сильно влияющее на усилительные свойства и быстродействие дрейфового транзистора.

Биполярный транзистор работает в трех режимах: режим отсечки, активный режим, режим насыщения.

-л -Хэк --зп О


Рис. 4.2.4. Одномерная модель ак-тпвной зоны биполярного транзистора

а - схема включения при работе в нормальном активном режиме: б - распределение концентраций неравновесных неосновных носителей в областях базы ДЛр(л;) и эмиттера Др„(д;); s - энергетическая диаграмма при термодинамическом равновесии (---) и нормальном включении (---)

Режим, отсечки. В этом случае оба перехода транзистора заперты, так как иа них подано обратное смещение. Кремниевые транзисторы надежно заперты и в том случае, когда напряжение смещения эмиттерного р-п-перехода f/gB- равно нулю.

Активный режим. В этом режиме эмиттерный р-и-переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном (см. рис. 4.2.4,а). Неосновные носители заряда (электроны в и+-. р-п-траизисторе), инжектированные эмиттером, переносятся от эмиттера к коллектору с помощью диффузии в однородной базе и диффузии и дрейфа в неоднородной базе. В объеме базы происходит рекомбинация неосновных и основных носителей. При тонкой базе (Иб<С/-„) большая часть неосновных носителей, инжектированных эмиттером, доходит до границы коллекторного перехода и ускоряющим полем этого перехода переносится в область коллектора, образуя поток основных носителей.

Законы распределения концентраций неосновных носителей зарядов в однородно легированных (£=0) базовой и эмиттерной областях в стационарном режиме (рис. 4.2.4,6) находятся в результате решения уравнений (4.2.5) - (4.2.6) при следующих гра-

ничных условиях для концентраций неосновных носителей в областях базы и эмиттера соответственно:

ЛпЛ0) = Про(е*-1). (4-2-34)

Апр(б) = «Ро(е-"*-1)«0; Ap„(-M-Pno(e*-1). (4.2.36)

АрЛ-эк)«0. (4.2.37)

При малых толщинах базы (ГеСп) распределение концентрации неравновесных неосновных носителей заряда (электронов) в

-Тдз

tli-Pi

I. я

Рис. 4.2.5. Структура и распределение концентраций атомов примесей (а), основных н неосновных носителей заряда в условиях тсрмодннами-ческого равновесия (б) в диффузионном транзисторе с однородно легированными областями


Рис. 4.2.6. Распределения концентраций атомов примесей (а, б), основных и неосновных носителей заряда в условиях термодинамического равновесия (в) в дрейфовом транзисторе



базе близко к линейному:

А Пр а W да А Лр (0) (1 -х/Гб)- (4.2.38)

Здесь и в дальнейшем индекс «а» обозначает, что определяемый параметр относится к активной области транзистора, представленной в виде модели на рис. 4.2.4,а.

Электронный ток эмиттерного перехода

9 п а

л: = О Гб

(еэ 1) = 5за(е---1), (4.2.39)

где Л/аб -концентрация атомов акцепторной примеси в области базы, - толщина базы.

Дырочный ток эмиттера прн экспоненциальном распределении неравновесной концентрации дырок в однородно легированной п+-области iWn:>Lp) получим с учетом соотношения (4.2.16)

/зра=5за(е"«-1), (4.2.40)

где Л/дэ, - концентрация атомов донорной примеси и диффузионная длина дырок в области эмиттера соответственно. Полный ток эмиттера

Эффективность эмиттера как инжектора .неосновных носителей в базу транзистора определяется коэффициентом инжекцил

па /

/аа ~[

- 1 +

DnO Njg Lpg J

(4.2.42)

Pvp Рэ]

где pvn+, pvp - удельные объемные сопротивления материалов эмиттера и базы соответственно. Из выражения (4.2.42) видно, что эффективность эмиттера возрастает при уменьшении отношения NslWqI(NLpg), которое обеспечивается ярко выраженной асимметрией эмиттерного р-п-перехода (Лаб/Лдэ<1 или Prn+/pvp<l) и малой толщиной базы Wq (WsfLps <1). Ток объемной рекомбинации в базе

/ба Qn 6а • рек I--

2 б ~ 2N:

аб Тдб 144

Anpjx)dx =

Тпб .

(4.2.43)

Ток коллектора транзистора определяется той частью инжектированных электронов, которая попадает в область коллекторного р - л-перехода:

кл - кп & - а -рек v = -э п а -рек \/э п а)-

Для идеализированной модели транзистора, в которой не учитываются рекомбинационные токи в объеме и на поверхности пассивной области базы, коэффициент переноса неосновных носителей через область активной базы

Рба = Uh п а = 1 - /рек v/h п а = 1 " {WoUn of (4-2.44)

Из выражения (4.2.44) видно, что эффективность переноса неосновных носителей через область активной базы увеличивается при уменьшении отношения W/Ln6- В современных транзисторах с тонкой базой (и7б»0,5 ... 2 «км) Гб/1„б<1.

В полной модели транзистора (рис. 4.2.7) показаны составляющие токов как в активной, так и в пассивной области базы, а так-


Рис. 4.2,7. Модель биполярного п-р-л-транзистора с составляющими диффу-зионны.\ н рекомби1ационных токов при нормальном включении

же токи рекомбинации в объеме и на поверхности области пространственного заряда (ОПЗ) эмиттерного перехода. Поток электронов, инжектированных боковой областью эмиттера в область пассивной базы, определяет электронную составляющую тока эмиттера hnu- Эти электроны практически полностью рекомбинируют с дырками в объеме и на поверхности пассивной области базы. Таким образом,

гг п да ./рек V ~\~ Iрек s - рек,

где /™рект, .°"рек8 - токи рскомбинации в объеме и на поверхности пассивной базы соответственно. Для снижения этих токов необходимо уменьшать объем и поверхность пассивной базы, применять специальные технологические процессы, способствующие сни-



жению скорости поверхностной рекомбинации на границе раздела кремний - окисел.

Полный дырочный ток эмиттера определяется суммой токов, обусловленных инжекцией дырок торцевой (активная зона) и боковой (пассивная зона) областями эмиттерного перехода:

Полный ток базы транзистора

/ /ба . гбп . гбп . ,ОПЗ . гОПЗ , б ~" рек V i- рек V i- рек S -- рек V "Г / рек S +

+ эРа + эрп - рек V + рек + рек" + Р

где /реку , /ре™ -рекомбинационные токи в объеме и на поверхности ОПЗ соответственно. Эти токи зависят от размеров ОПЗ, времени жизни неравновесных носителей в объеме и скорости поверхностной рекомбинации на поверхности ОПЗ, граничащей с пленкой окисла кремния. Для уменьшения скорости поверхностной рекомбинации применяют специальные технологические операции (отжиг в различных газообразных средах, пассивация фосфо-росиликатным стеклом и др.).

Соотношения между токами транзистора определяются интегральными коэффициентом передачи тока эмиттера а=/к э = =УйРб и коэффициентом усиления тока базы hiq =Вс1 = 1к11 ь-Учитывая, что /к~/эпа, выражение для Bet можно представить в виде

/эра i VkV i 9Рп + /рекН-р

гОПЗ

г опз

5сх =

/э п а /э п а

Из выражений (4.2.45), (4.2.39), (4.2.40), ,(4.2.43) следует Dp 9 Лаб

(4.2.45)

-Р 9

2 \ /.пб /

о рп Н" / рек

(4.2.46)

Это выражение в наглядной форме позволяет оценить влияние составляющих токов пассивной базы, протекаюидих через боковую область эмиттерного перехода и токов рекомбинации в ОПЗ на величину Бет. Токи рекомбинации в ОПЗ /ре" сравнимы с током /эпа при работе транзистора в микрорежиме.

В дрейфовом транзисторе с неоднородно легированной базой (рис. 4.2.6) закон распределения концентрации акцепторной примеси близок к экспоненциальному: Лаб(л:) ~Лаб(0)ехр(-x/Lg) при

OXWe, где La= 1б/1п[Лаб(0)/Лаб(1б)], Лаб(О), УУаб(Гб)-

концентрации атомов акцепторной примеси при x=Q и x-W(, соответственно. В плавном коллекторном переходе можно принять Л/аб(№б)-Л/дк, где Л/дк - концентрация атомов донорной примеси в коллекторе. Электронная составляющая тока эмиттера определяется выражением [10]

дОпб (0)п?

-"за

/Z£(eэ/ l). (4.2.47)

\ а /

VVaO (0) Гв

Из ЭТОГО выражения видно, что неравномерное легирование базы транзистора способствует повышению эмиттерного тока в Wo/Lg, раз по сравнению с эмиттерным током диффузионного транзистора при прочих равных условиях. Во столько же раз увеличивается ток коллектора, так как /к~4па.

При определении коэффициента инжекции эмиттерного перехода дрейфового транзистора учитывается влияние статического электрического поля в области неоднородно легированного эмиттера на поток дырок, инжектированных из области базы. Эмиттерный переход при небольших положительных смещениях можно считать линейным и полагать Л/дэ(-/гэп) ~Лаб(0), где Л/дэ(-Нэп) - концентрация атомов донорной примеси в области эмиттера при х=-кш- С учетом этого замечания и выражений (4.2.30), (4.2.47) определим коэффициент инжекции эмиттера дрейфового транзистора:

- Л» Ра .1 а

\ /э п а /

/а р а

Л-

Тр э (о)

где L„ - характеристическая длина в распределении доноров в эмиттерной области; Трэ - время жизни дырок в эмиттере. Эффективность эмиттера возрастает при уменьшении характеристических длин в распределениях акцепторов La и доноров 1д, т. е. при увеличении ускоряющего электрического поля в базе Яб-фт/а и тормозящего поля в эмиттере э - фт/д.

Коэффициент переноса электронов в базе дрейфового транзистора [10]

/-пб (0)

/Уаб (0)

/VaG (Ug)

(4.2.48)

где Ln6(0) - диффузионная длина электронов в базе на границе, с эмиттерным переходом. Из выражения (4.2.48) видно, что коэффициент переноса неосновных носителей в базе дрейфового транзистора зависит не только от соотношения б/1-пб(0), как это характерно для диффузионного транзистора, но и от перепада концентраций акцепторной примеси Л?аб(0)/Л/аб(б). При /Уаб(О)/ -Va6(W6) = 100 второе слагаемое в (4.2.48) уменьшается более чем в два раза по отношению к его величине в диффузионном транзисторе.

В современных конструкциях полупроводниковых ИС биполярный планарный транзистор используют не только в нормальном, но и в инверсном включении. В этом случае и-область кармана выполняет роль эмиттера, а диффузионная «-область - роль коллектора.

Усилительные свойства планарного транзистора при инверсном включении недостаточно высоки. Это обусловлено следующими причинами:





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 [ 23 ] 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47