|
| |
|
Главная Журналы 1. Значительная часть инжектированных эмиттером электронов попадает в область пассивной базы, образуя достаточно большой базовый ток. Пассивную область базы ( ) можно рассматривать как диод, шунтирующий часть, эмиттерного перехода, относящуюся к активной области транзистора (/) (рис. 4.2.3 и 4,2.7). 2. Транзистор имеет сильно разветвленную периферийную область эмиттера и, как следствие, достаточно большую дырочную составляющую эмиттерного тока. 3. При формировании транзистора с помощью двух диффузий (см. рис, 4.2.6) образуется плавный эмиттерный переход с низкой эффективностью, так как на границах перехода выполняется соотношение Лдэ~Лаб [см. выражение (4.2.42)]. Кроме того, встроенное электрическое поле базы оказывает тормозящее действие на инжектированные в базу электроны, что гнижает коэффициент переноса электронов в базе. Для улучшения усилительных свойств инверсно включенного планарного транзистора может быть рекомендовано следующее: 1. Снижение площади и объема пассивной области базы. Это позволяет уменьшить ток через диод, шунтирующий активную область транзистора. 2. Снижение дырочного тока эмиттера и соответственно повышение эффективности эмиттера .в результате применения сильнолегированного эмиттера из материала и+-типа (см. рнс. 4.4.7). Одна- jJifrjB;*S5D\ ко такой эмиттерный переход харак-теризуется высокой барьерной емкостью, снижающей быстродействие транзистора. Достаточно эффективным способом снижения дырочного тока эмиттера является применение отражающей «-области, расположенной на небольшом расстоянии от перехода (см. рис. 4.4.3). Сравнительно слабо легированная тонкая Рис. 4.2.8. Зависимость коэффици- «-область позволяет получить не-ента усиления 5ст от тока кол- большую барьерную емкость "ня Ё,;ГтеГрТтурьГ™" п 3. Применение однородной базы. Ири этом устраняется тормозящее электрическое поле в базе. Коэффициент усиления базового тока йст зависит от тока коллектора и напряжения смещения коллекторного перехода (рис. 4.2.8). Зависимость Бет (/к) обусловлена следующими причинами: 1. В области малых токов (доли - десятки микроампер) значительную долю в полных токах эмиттера и базы составляют токи  ОПЗ рек V г ОПЗ рек S рекомбинации в объеме и на поверхности ОПЗ: ..... Их влияние увеличивается с уменьшением абсолютных значений токов транзистора. При этом существенно снижается доля полез- ной (электронной) составляющей тока эмиттера, определяющей уровень (Коллекторного, тока. 2. В области больших токов коллектора (единицы - десятки миллиампер) эмиттерный переход работает в режиме высокого уровня инжекции. При этом концентрация инжектированных в базу неосновных носителей п-р вблизи эмиттерного перехода сравнима с концентрацией основных носителей в базе рро и может даже превышать ее. Происходит модуляция проводимости материала базы и, как следствие этого эффекта, снижение эффективности эмиттера. Кроме того, при повышенных уровнях токов транзистора наблюдается эффект вытеснения тока эмиттера в периферийную область эмиттерного перехода из-за падения напряжения на сопротивлении активной базы Гба, обусловленного базовым током /б . Примерная картина распределения напряжения смещения Бэ (у) вдоль торцевой части эмиттерного перехода в модели транзистора с одним выводом базы показана на рис. 4.2.9. Минимальное напряжение смещения соответствует наиболее удаленной области эмиттерного перехода относительно вывода базы.  О h И Рис, 4,2,9, Структура биполярного транзистора с одним выводом базы Закон изменения плотности тока вдоль торцевой части эмиттера можно представить в виде /за (у) ==/эа осхр [it/бэ (У)/фт]- Максимальная плотность тока будет у грани эмиттера, расположенной рядом с выводом базы при у=0: /эа (0) = /эа шах = /эа О ехр [U (0)/ф,], где (0)~:Lb3-/в бп (гбп - сопротивление пассивной обла- сти базы). Представив напряжение смещения эмиттерного перехода в виде бБэ (0)-Абэ (у), найдем отношение плотностей токов в сечениях у=Ьэ и у=0 /эа ihVis (0) = ехр [-Аиэ{ЬэУЧ>г] При А[/бэ (э)~2,3фт. плотность тока уменьшается на порядок (при Г=300К фт=0,026мВ, 2,Зфт=60мВ). Этот пример показывает, что падение напряжения на сопротивлении базы в несколько де- сятков милливольт достаточно для вытеснения тока эмиттера в периферийную область торцевой части и в боковую область перехода. В то же время выше было обращено внимание на то, что коэффициент переноса неосновных носителей, инжектированных боковой областью эмиттерного перехода, мал, так как большая часть неосновных носителей рекомбинирует в объеме и на поверхности пассивной базы. Таким образом, вытеснение тока эмиттера в периферийную часть эмиттерного перехода приводит к падению коэффициента передачи тока а и соответственно к снижению 5ст=а/(1-а). Для уменьшения неравномерности распределения плотности тока эмиттера по сечению эмиттерного перехода необходимо снижать сопротивление базы Гб=Гба+Гбп. Формулы для расчета Гба и Гбп приведены в табл. 4.2.1, где рб, рубп я раб, Рабп - удельные Таблица 4.2.1 Формулы для расчета сопротивлений активной и пассивной областей базы Номер позиции Форма элемента Сопротивление  /ба = Руб I 31Гб b □ б ба = рКб I 12 b  f6n = Pt6n / J объемные и поверхностные сопротивления слоев активной и пассивной областей базы с толщинами и бп- Стрелками показаны направления входящих и выходящих токов. Позиции 1 соответствует активная область базы с одним выводом (рис. 4.2.10,а), по- зиции 2 -с двумя выводами базы (рис. 4.2.10,6), позиции 3 - пассивная область базы. В модели транзистора с двумя выводами базы Гб = /-ба + Гбп11кбп2 = ба+бп/2. При расчете сопротивления базы предполагается, что эквипотенциальные плоскости в облас1и базы проходят через боковые грани  а) б) Рис. 4.2.10. Модели для расчета сопротивления базы планарного транзистора эмиттера и выводы базы (штриховые линии на рис. 4.2.10). Значительное уменьшение сопротивления базы достигается при полос-ковой форме эмиттера, так как сопротивление базы пропорционально ширине 6э и обратно пропорционально длине U эмиттера. Зависимость коэффициента усиления 5ст от напряжения на коллекторном переходе обусловлена в основном модуляцией толщины базы Ц7б при изменении напряжения i/b из-за изменения толщины объемного заряда Лкп коллекторного перехода [см рис, 4.-2.4 и выражения (4.2.42), (4.2.44), (4.2.47)]. Например, при увеличении напряжения L/b расширяется ОПЗ (увеличивается Лкп), уменьшается We и соответственно увеличивается Лет. Зависимость 5ст от температуры обусловлена в основном температурной нестабильностью времени жизни неосновных носителей в областях базы и эмиттера. С понижением температуры уменьшаются Тпб, Трэ, растет рекомбинационный ток базы [см. (4.2.43)] и соответственно уменьшается 5ст. Режим, насыщения. В этом режиме оба р-л-перехода находятся под прямым смещением (рис. 4.2.11). В этом случае инжекция осуществляется как эмиттерным, так и коллекторным переходом. Распределение концентрации неосновных носителей в объеме коллектора Арпк(.*:) зависит от его конструкции и особенностей коллекторного перехода (резкий, плавный). В качестве примера на рис. 4.2,11 показаны распределения концентраций неравновесных неосновных носителей в областях коллекторов с отражающим л- л+-переходом. Режим насыщения характерен для ключевых транзисторов. На рис. 4.2.12 показана упрощенная схема транзисторного ключа, в которой учтены сопротивления эмиттерной (Гтэ), коллекторной (гтк) и базовой (Гб) областей транзистора, емкости эмиттерного Сэ и коллекторного Ск переходов, а также емкость Сп перехода коллектор - подложка. Выходная характеристика транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, совмещенная с нагру- зочной характеристикой, изображена на рис. 4.2.13. В режиме насыщения через транзистор протекает ток /кнас- Важным параметром открытого ключа является напряжение логического нуля 1/°вых, равное напряжению насыщения транзистора   Рис. 4.2.11. Распределение концентраций неравновесных неосновных носителей в областях биполярного транзистора с л-л+-коллектором {WKn<Lp) при работе в режиме насыщения: а -резкий коллекторный р-/г-переход; б - плавный коллекторный р-/г-переход 1,2 - распределение концентрацнй неосновных носителей в базе, инжектированных эмиттерный и коллекторным переходами соответственно Рис. 4.2.12. Схема транзисторного ключа t/jo нас- Величина U нас определяет помехоустойчивость ключа по отношению к U+n (см. § 3.3). Напряжение it/кэ нас определяется не только разностью напряжений переходов Оэ - но и падениями напряжений на сопротивлениях эмиттерной и коллекторной областей: (I-at) КЭ нас = -ф,1п 1 - ;К нас «л 1 + (1-«/)- + -К пас тк + -э т к нас (4.2.49) где ак, ai - нормальный и инверсный коэффициент передачи тока. В планарных транзисторах используются сильнолегированные эмиттеры (Л/дэ» 10 см-). Сопротивление такого эмиттера в (4.2.49) можно не учитывать. Коллекторная область изготовляется из достаточно высокоомного материала (ЖдкЮ см-з). Падение напряжения на соиротивлении коллекторного слоя /кнасГтк сравнимо с разностью напряжений переходов или превышает ее. Значение Гтк зависит от топологии вывода коллектора. Применение «кольцевого» вывода от области коллектора (см. рис. 4.2.14,а) позволяет уменьшить сопротивление тела коллектора Гтк- Однако «кольцевой» вывод сильно увеличивает размеры коллекторной области транзистора (п-карман). При этом увеличивается паразитная емкость л-карман - подложка, влияющая на быстродействие  Рис. 4,2,13, Выходные ВАХ биполярного л-р-л-транэистора, включенного по схе-, ме с общим эмиттером Рис, 4,2,14, Конструкция планарного биполярного транзистора с кольцевым выводом, коллектора без скрытого л+-слоя (а) и со р-скрытым п+-слоем (б) Транзисторного ключа. Существенное снижение сопротивления тела коллектора достигается при применении скрытого «""-слоя (рис. 4.2.14,6), который шунтирует высокоомный слой коллекторной об-ласти. Тонкая высокоомная п-область позволяет получить" достаточно высокое напряжение пробоя и невысокую барьерную емкость коллекторного перехода. В конструкции со скрытым п-сло-ем полное сопротивление коллекторной области равно Гтк=к1-Ь +?к2, где Гк1 - сопротивление активной зоны коллектора, расположенной под эмиттером, Гк2 - сопротивление периферийной области коллектора, расположенной под контактной п+-областью. Если планарный транзистор изолирован от подложки Я р-п-переходом, то при его работе в режиме насыщения проявляется некоторое влияние перехода коллектор - подложка на величину базового тока. Систему, состоящую из п-р-п-транзнстора и изолирующего р-п-перехода, необходимо рассматривать как четы-рехслойную п+-р-п-р-структуру (рис. 4.2.15,а). Эту структуру условно можно разделить на две; п+-р-п и р-п-р (рис. 4.2.15,6). Коллекторный переход ключевого п+-р-п-транзистора, работающего в режиме насыщения, имеет прямое смещение. Этот переход является инжектирующим эмиттерным переходом паразитного р-п-р-транзистора, который включен по схеме с общей базой и работает в нормальном активном режиме. Полный входной 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 |