Г.П. Яровой, П.В. Тяпухин, В.М. Трещев, В.В. Зайцев, В.И. Занин - Основы полупроводниковой электроники, страница 16

6.1.Область транзистора между электронно-дырочнымипереходами называют базой. Примыкающие к базе областичаще всего делают неодинаковыми. Одну из областейизготавливают так, чтобы из нее наиболее эффективнопроисходила инжекция носителей заряда в базу, а другую −так, чтобы соответствующий p−n-переход наилучшимобразомосуществлялэкстракцию(т.е.сбор)инжектированныхОбласть транзистора,носителейосновнымиз базы.назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером, асоответствующий p−n-переход − эмиттерным.Область транзистора, предназначенная для экстракции носителей из базы, называют коллектором, соответствующийp−n-пе-реход − коллекторным.113114Однотипность областей коллектора и эмиттера позволяетпри включении менять их местами.

Если эмиттерный переходсмещен в прямом направлении, а коллекторный − в обратном,то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности напряжений − инверсным. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении.В нормальном активном режиме работы транзистора левый р−n-переход (эмиттер) смещен в прямом направлении(рис. 6.1). С его помощью осуществляется биполярная инжекция неосновных носителей в средний слой полупроводника(база).

Правый переход (коллектор) смещен в обратном направлении и собирает неосновные носители, прошедшие через базу. Характерной особенностью бездрейфового транзистора является равномерное распределение примеси в базе.ние принципа действия будет относиться к p−n−p-транзисторуи без ущерба для понимания может быть перенесено на транзисторы п−р−п типа.Рис.6.2. Работа транизистора в схеме с общей базойПринципиальным условием для работы транзистора является большой коэффициент инжекции дырок через эмиттерный переход, т.е.I pEI pE1γp ===,(6.1)σ n LpIEI pE + I nE1+σ p Lnгде IE − полный ток эмиттера, а IpE и InE − соответственно дырочная и электронная составляющие тока эмиттера.Как следует из (6.1), при σ p >> σ n коэффициент инжек-Рис.6.1.

Структура и обозначения биполярных транзисторовВ отличие от электронных ламп, где проводимость осуществляется только электронами, в приборах на твердом телеможно осуществить как электронный, так и дырочный эмиттер. Различие между указанными транзисторами (р−п−р илип−р−п) не является принципиальным и касается только полярности внешних источников питания и несущественных сфизической точки зрения различий в значениях подвижностидля дырок и электронов. Поэтому все последующее изложе115ции дырок γ p → 1 и практически достигает значений ~0,999.При этом электронный ток эмиттера InE составляетγ n = (1 − γ p ) ~ 0,1% от дырочного тока. Как видно из рис.6.2,при этом условии электроны в области базы "заперты" со стороны эмиттера за счет γ n → 0 , а со стороны коллектора − высоким потенциальным барьером ϕ K + qU K .Незначительное перемещение электронов через указанныебарьеры все же возможно.

Электронная составляющая токаэмиттера равна116I nE = I E (1 − γ p ) .(6.2)Приток электронов в базу со стороны коллектора связан сэлектронной составляющей обратного тока коллектора InK ,который также мал и не зависит от напряжения на коллекторе.

Электронная составляющая тока коллектора InK сильно зависит от температуры и ширины запрещенной зоны полупроводника.Результирующий электронный ток базы InB равен разности:I nB = I nE − I nK .(6.3)Этот ток беспрепятственно вытекает через антизапорныйконтакт базы. Для неосновных носителей эмиттерный переход является инжектирующим, а коллекторный − антизапорным. Поэтому дырки, в отличие от электронов, могут беспрепятственно перемещаться вдоль базы. При γ p ≈ 1 дырочныйток эмиттера IpE практически равен полному току эмиттераI pE = γ p I E ≈ I E .Дырки, инжектированные в базу, образуют там положительный пространственный заряд, который может быть нейтрализован только за счет притока электронов через базовыйконтакт, так как со стороны эмиттера и коллектора обменэлектронами практически отсутствует.

Эта нейтрализация, также как в р−n-переходе, осуществляется с максвелловскимвременем релаксации. В результате в базе образуется градиент концентрации дырок и электронов, которые смещаются всторону коллектора. На этом пути некоторое число дырок рекомбинирует с электронами и до коллектора доходит толькоих часть, равная p K = ηp E , где η <1 − коэффициент переноса.Эти дырки беспрепятственно проходят в коллектор, где онистановятся основными носителями. Оставшиеся в базе электроны для восстановления электрической нейтральности могут выйти только через базовый контакт.

В результате элек117тронный ток базы, связанный с переносом дырок, будет равенразности между потоками электронов, вошедших в базу ивышедших из нее для установления электрической нейтральности. Другими словами, электронный ток базы равен разности между дырочными составляющими тока эмиттера IpE итока коллектора IpKI pB = I pE − I pK = I E γ − I E γη = I E (1 − η )(6.4)Таким образом, по своей физической природе ток базы,связанный с переносом дырок, обусловлен рекомбинацией.Действительно, если бы дырки не рекомбинировали, т. е. η =1,то I pB = 0 . При сильной рекомбинации η → 0 и IpK ~ 0 и токбазы равен току эмиттера, как в р–n-диоде.

Эти примеры соответствуют двум предельным случаям, когда ширина базы lмного меньше длины диффузии Lp и почти все дырки проходят в коллектор и когда l>>Lp, и все дырки рекомбинируют вбазе, не доходя до коллектора. При l>>Lp между эмиттером иколлектором нет взаимодействия и структура на рис. 6.2представляет собой не транзистор, а два изолированных р−nперехода, включенных навстречу друг другу. Поэтому необходимым условием для переноса неосновных носителей черезбазу является требование l<<Lp.Полный электронный ток базы согласно (6.2), (6.3) и (6.4)равенI B = I nB + I pB =(6.5)= I E (1 − γ ) + I Eγ (1 − η ) − I nK = I E (1 − α 0 ) − I nK ,где α 0 = γη − коэффициент передачи на постоянном токе.Обычно η < γ ≈ 1 , ток InK = const и мал, поэтому коэффициентпередачи фактически равен коэффициенту переноса α 0 ≈ η и,следовательно, полный ток базы в основном обусловлен рекомбинацией.

Это обстоятельство является очень важным дляпонимания усилительных и частотных свойств транзисторов118в различных схемах включения. Полный ток коллектора равенI K = I pK + I nK = I E γη + I nK = α 0 I E + I nK .Активный режим работы транзистора характерен для усилительных схем. Режимы отсечки и насыщения являютсяосновными при работе цифровых устройств.(6.6)Очевидно, что сумма токов базы и коллектора, вытекающих из транзистора, должна быть равна втекающему токуэмиттера.

В этом легко убедиться, просуммировав выражения(6.5) и (6.6).6.2. Схемы включения транзисторовТранзистор можно включить в электрическую цепь тремяразличными способами − с общей базой, общим эмиттером иобщим коллектором (рис. 6.3). Общим называют электрод,относительно которого измеряют и задают напряжения. Ток вцепи общего электрода не измеряют. Этот электрод являетсяобщим для входной и выходной цепи.6.3.

Модель Эберса−МоллаЗадача моделирования заключается в установлении связимежду физическими параметрами и электрическимихарактеристиками приборов. Моделирование особенно важнопри разработке интегральных схем, когда по простым иточным моделям приборов необходимо определить поведениесложной схемы.

Естественно, что чем точнее модель, тем онаболее сложная. Следовательно, необходимо находить компромисс между точностью и сложностью.Рис. 6.3. Схемы включения транзистораРазличают три режима работы транзистора:- активный режим: один из электронно-дырочных переходов открыт, а другой закрыт;- режим отсечки: оба перехода закрыты, при этом черезтранзистор течет сравнительно небольшой ток;- режим насыщения: оба электронно-дырочных перехода открыты.119Рис.

6.4. Эквивалентная схема для основной моделиЭберса−Молла биполярного транзистораОсновной моделью биполярного транзистора считаетсямодель Эберса−Молла: два диода и два источника тока включены навстречу друг другу (рис. 6.4). Источники тока управ120ляются токами диодов, сами диоды считаются идеальными, аих характеристики имеют видI F = I F 0 (eI R = I R 0 (eqU EB kT− 1) ,(6.7)qU KB kT− 1) ,(6.8)где IF0 и IR0 − соответственно токи насыщения диодов, смещенных нормально в прямом и обратном направлениях.Внешние токи транзистора запишем следующим образом:IE = IF −αI IR,IK = IR −αN IF ,(6.9)I B = −(1 − α N ) I F − (1 − α I ) I R ,где α N и α I − соответственно прямой и инверсный коэффициенты усиления транзистора в схеме с общей базой.

Приведенные выше формулы устанавливают соотношения междувнешними токами IE и IK и приложенными к переходам напряжениями UEB и UKB. Простейшая модель содержит четырепараметра: IR0, IF0, α N и α I .С помощью формул (6.8) и (6.9) для эмиттерного и коллекторного токов можно записать такие общие выражения:I E = a11 (e qU EBI K = a21 (ekTqU EB kT− 1) + a12 (e qU KB− 1) + a22 (ekTqU KB kT− 1),− 1).7. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ7.1.

Эффект поля и поверхностная проводимостьРассмотрим энергетическую диаграмму структуры металл−диэлектрик−полупроводник (МДП). В случае, когда вкачестве диэлектрика используется окисел, структура носитназвание МОП. Предположим вначале для простоты, что поверхностное состояние на границе полупроводника и диэлектрика отсутствует и что работы выхода металла и полупроводника равны, т.е. контактная разность потенциалов междуними равна нулю.В результате можно считать, что до включения внешнегонаправления энергетическая зонная диаграмма полупроводника у поверхности не искривлена и имеет вид, показанныйна рис. 7.1, а.(6.10)Из сравнения выражений (6.9) и (6.10) вытекает:a11 = I F 0 ,a12 = −α I I R 0 ,a21 = −α N I F 0 , a22 = I R 0 .(6.11)Из условия взаимности характеристик четырехполюсника(a12 = a21) вытекает, что α I I R 0 = α N I F 0 .

Следовательно, дляосновной модели Эберса−Молла требуется знание толькотрехпараметров.121aбвРис. 7.1. Энергетическая диаграмма МДП структуры безвнешнего напряжения (а) и с внешним напряжением (б, в)При приложении к электроду отрицательного напряженияна границе полупроводника и диэлектрика появляется индуцированный положительный заряд, который возникает из-заобеднения приповерхностной области полупроводника. Зоны122изгибаются вверх, уровень µ удаляется от дна зоны E c , чтосоответствует уменьшению концентрации электронов у поверхности.

Распределение потенциала в диэлектрике линейно, поскольку в нем нет подвижных электрических зарядов.Таким образом, в приповерхностной области поле объемногозаряда направлено противоположно внешнему полю и экранирует его. При достаточном внешнем напряжении у поверхности образуется инверсионный слой. При смене полярностивнешнего напряжения на границе полупроводника с диэлектриком появляется нескомпенсированный отрицательный заряд, приповерхностная область обогащается электронами,энергетические зоны изгибаются вниз.Изменение концентрации свободных носителей зарядапод действием электрического поля должно привести к изменению поверхностной проводимости полупроводника.