150261 (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 N_a0. С поверхности полупроводника происходит диффузия акцепторной и донорной примесей, причем на поверхности N_a>N_d. 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 N_a-N_d от x (рис. 1.2,б).

Распределение примесей в дрейфовом транзисторе.

Рис.1.2.

Теперь видны три области в полупроводнике: р-типа (x<0, N_a-N_d>0), п-типа (W>x>0, N_a-N_d<0), р-типа (x>W, N_a-N_d>0). Первая область может использоваться в качестве эмиттера транзистора, вторая — в качестве базы, третья — коллектора. Обычно режим диффузии выбирается так, что N_aэ>> N_dб,ср>> N_aк (N_dб,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 t_D 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 t_D и постоянная времени τ_α, оказывается меньше в десятки раз; соответственно увеличивается граничная частота f_α. 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 L_Д — 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 С_к 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 С_к 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 N_d(0) делают весьма большой; N_d(0) >> N_{a. к}, где N_{a. к} — концентрация акцепторов в исходной пластинке (рис.1.4). Очевидно, что сопротивление r_б 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 r_б у дрейфовых транзисторов примерно такая же, как у диффузионных, и даже меньше.

Эмиттерный переход у дрейфовых транзисторов, как правило, ступенчатый. Поскольку граничная концентрация доноров N_d(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 С_Э. Это обстоятельство вместе с гораздо более высокой частотой ƒ_α делает существенным влияние емкости С_Э на коэффициент инжекции [3]. Иначе говоря, частотные свойства дрейфовых транзисторов могут ограничиваться не временем диффузии, а постоянной времени r_ЭС_Э. Для того чтобы уменьшить влияние барьерной емкости С_Э, часто используют дрейфовые транзисторы при большем токе эмиттера, например 4—5 ма вместо 1 ма. Тогда сопротивление r_Э уменьшается и постоянная времени r_ЭС_Э оказывается достаточно малой. В сущности, критерием при увеличении тока является условие С_Э < С_{Э. Д}, где С_{Э. Д} - диффузионная емкость эмиттера [3].

(1.2)

где t_D–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≥ омּсм}. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что в противном случае нельзя было бы обеспечить существенную разницу в концентрациях N_Б(0) и N_Б (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 N_П. 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 W_Б /L_n<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 J_nx в базе постоянен. С учетом этого допущения, подставив выражение для поля Е_х [3]