Пасынков.Полупроводниковые приборы (1084497), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Пояснение скачкообразного нзменення гока коллектора прн перемене полярносгн входного напряжения 4 ьле. шрмы в транзисторах Транзистор, как и другие полупроводниковые приборы, обладает собственными шумами, т. е. беспорядочными колебаниями тока и напряжения на выходе прн отсутствии сигналов на входе. Физические явления, обусловливающие появление шумов в транзисторе, по существу, те же, что н в других полупроводниковых приборах, т. е.
шумы в транзисторе можно подразделить на тепловые, дробовые н избыточные. Тепловые шумы вызваны беспорядочным перемещением зарядов в полупроводнике из-за теплового хаотического движения носителей заряда, что сопровождается флуктуацнями тока илн электродвнжущей силы, определяемой по формуле американского физика Х. Найквиста: $' = 4йТК/з/, (4.! 72) где Л/ — полоса частот, внутри которой измеряют флуктуации ЭДС.
Скорости теплового хаотического движения носителей заряда обычно значительно превышают скорости дрейфа этих носителей в электрическом поле. Поэтому интенсивность тепловых шумов не зависит ни от приложенного напряжения, ни от тока, нн от частоты (а только от полосы частот, в которой происходит измерение шумов) . Дробовые шумы связаны с дискретностью заряда носителей н со случайным характером инжекцин н экстракцин этих носителей через электрические переходы. Среднеквадратичное значение дробового шума / =2г//эй/. (4.173) Избыточные шумы вызваны неравномерностью процессов генерации и рекомбинации носителей заряда, а также процессамн захвата и освобождения носителей заряда ловушками захвата.
Все этн процессы наиболее интенсивно происходят на поверхности полупроводника. Спектральный состав этих шумов 262 При описании шумовых свойств транзистора можно использовать а! его шумовую эквивалентную схему, принцип построения которой примерно тот же, что н обычных экви'ъ ч валентных схем. При построении з г к ь формальной эквивалентной схемы транзистор можно рассматривать ась как идеальный нешумящий четырех. к полюсник, во входную н выходную к/ цепи которого включены генераторы шумов (рис. 4.47,а).
Этот четы- Рссс. 4.47. ШУмовые зквнваленгные схемы гранзнсгоров; рехполюсник можно заменить экви- а — формальная б — фязнчесиая валентной схемой, например как в $4.11. Значения ЭДС (или тока) генераторов шумов можно определить экспериментально. Физические шумовые эквивалентные схемы дают возможность связать источники шумов в транзисторе с коэффициентом шума.
При этом генераторы шумов, включаемые в эквивалентную схему, связывают с определенными процессамн (рис. 4.47, б). Шумы эмиттерного перехода транзистора являются дробовымн и отражаются соответствующим генератором, шумы активного сопротивления базы — тепловыми. На коллекторном переходе имеются н дробовые, н избыточные шумы. ЭДС генераторов шумов можно определить следующим образом. Через эмиттерный переход идет ток; значит, там должны быть дробовые шумы.
В соответствии с формулой (4.!73) ЭДС от этих шумов, выделяемая на сопротивлении эмнттера (для еди- ничной полосы частот), й„= у 2г//эгэт. (4.176) алз "лк" ь /зг Аналогично, ЭДС дробовых шумов в цепи коллектора 263 связан с временем жизни носителей заряда, Поэтому интенсивность избыточных шумов уменьшается с ростом частоты примерно обратно пропорционально частоте. Основным параметром, характеризующим шумы в транзисторах, считают коэффигьиеит шума (Р,м„/Р ),„ (Р,„ /Р ),„„' ГДЕ Рсиси МОЩНОСТЬ СИГНаза; Рм МОЩНОСТЬ Шумоа. Коэффициент шума показывает, во сколько раз ухудшается отношение сигнал/шум из-за наличия собственных шумов усилителя (в данном случае транзистора). Для идеального усилителя Р= 1.
Иногда коэффициент шума выражают в децибелах. Тогда Р= 10 !и '"'" ' " . (4.175) акьк (Р ../Ри)м (Р,„,„/Ря),„„' м.бим и,„= Р124)кгт. (4. 177) База представляет собой активное сопротивление; следовательно, здесь должны наблюдаться тепловые шумы с ЭДС Втб= )/4ФТго. (4.! 78) ЭДС избыточных шумов отнесенных полностью к цепи коллектора, можно определить по эмпирической формуле ~язв. К( пхв Т 1 ) (4. 179) где К вЂ” коэффициент, зависящий от материала и обработки поверхности полупроводника; а и в — показатели степени, имеющие значения в пределах 1,2 — 1,8.
Пользуясь эквивалентной схемой (рис. 4.47, б), можно определить а1 р шумы, создаваемые транзистором в т схеме. Коэффициент шума транзистора зависит от режима его работы и частоты. Зависимость коэффициента шума от тока транзистора представлена на рис. 4.48, а, из которого видно, что коэффициент шума при 1 малых !э, когда преобладают теплог вые и избыточные шумы, сначала сравнительно слабо зависит от тока, а при дальнейшем увеличении тока в связи с увеличением роли дробоб) У вых шумов растет примерно пропор- ционально !э. Рис.
4.4з. зависимости козффи- С изменением напряжения кол- циеитв шума трвиаисторв: лектора коэффициент шума также п — от тока зииттерв; б — от Сиацааа ИЗМЕНяЕтСя МаЛО (рнС. ивпряжеиия ив коллекторе; а — от частоти П вЂ” затрвзиеииая поверх- 4 48, б), а затем растет доволъно ность кристалла, Т вЂ” иориальио бЫСтрО. Эта ОбьяевяЕтея тЕМ, Чта обрабсчавввя поверхиосттп б — по- Прн НИЗКИХ НаПряжЕНИяХ КОЭффнверхиость с улучпзеииоб обработ«об) циент шума определяется тепловы- ми и дробовыми шумами, а при больших напряжениях начинают преобладать избыточные шумы.
При росте частоты (рис. 4.48, в) коэффициент шума сначала падает из-за снижения роли избыточных шумов, затем в некотором диапазоне частот остается постоянным. Здесь он определяется тепловыми и дробовыми шумами, На частотах, где уменьшается коэффициент усиления транзистора, коэффициент шума снова растет. Это следует из определения коэффициента шума (4.!74) — при очень высоких частотах мощность сигнала на выходе падает, в то время как мощность шумов, создаваемых в транзисторе, не изменяется.
Состояние поверхности полупроводника существенно влияет на избыточные шумы (рис. 4.48, в). Поэтому создание мало- шумящих транзисторов основано на совершенствовании обработки поверхности. й 4.11. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Н ИОНСТРРТбцмя еиполюных транзистОРОВ Классификация по мощности и по частоте В зависимости от максимально допустимой мощности рассеяния биполярные транзисторы можно подразделить на транзисторы малой мощности (Р ..<0,3 Вт), средней мощности (0,3(Р,„< (1,5 Вт) и балычок мощности (Р„„„)1,5 Вт); в зависимости от значения граничной частоты коэффициента передачи тока— на транзисторы низкой частоты (1„(3 Мгц), средней частоты (3 МГц<)„<30 МГц), высокой частоты (30 МГц<!в< (300 МГц) и сверхвысокой частоты или СВЧ-транзисторы (1тр ) 300 Мгц) . Методы формирования транзисторных структур В начальный период развития транзисторной техники биполярные транзисторы делали только нз германия методом вплавления примесей — сплавные транзисторы.
В последующие годы, после преодоления ряда трудностей очистки монокристаллического кремния, были созданы кремниевые транзисторы. Кремний обладает большей шириной запрещенной зоны. Поэтому кремниевые транзисторы могут работать при более высоких температурах (до 125'С), имеют меньшие обратные токи коллектора и эмиттера, а также более высокие пробивные напряжения. На кремниевых монокристаллах относительно просто можно создать слой диоксида кремния, который обладает маскирующими свойствами, при диффузии легирующих примесей в кремний. Это привело Ори производстве кремниевых транзисторов и других кремниевых приборов к широкому использованию высокопроизводительных и точных методов планарной технологии. В связи с перечисленными преимуществами кремниевые биполярные транзисторы практически полностью вытеснили аналогичные германиевые приборы.
Основным методом формирования транзисторных структур современных транзисторов является планарная технология (см. $ 2.4). Транзисторы, выполненные по этой технологии, называют аланармыми. Одним нз преимуществ планарной техно- 265 логии является ее уииверсальностйь позволяющая иа одном и том же оборудовании организовать производство различных по параметрам транзисторов путем изменения набора фатошаблонов и режимов диффузии примесей. При планарной технологии можно создавать транзисторы с хорошими частотными свойствами. Это обусловлено тем, что в данном случае можно проводить селективную диффузию, т. е. вводить примеси только в небольшие ограниченные области, строго контролируя глубину диффузии.
В то же время оптические методы, применяемые при фотолитографии, позволяют с большей точностью совмещать эти области. В результате возможно изготовление транзисторов с толщиной базы в доли микрометра н размерами выпрямляющих электрических переходов в единицы микрометров. Граничная частота коэффициента передачи тока биполярных транзисторов достигает !О ГГц. Места выхода р-и-переходов плаиарного транзистора на поверхность кристалла полупронодника оказываются под слоем диоксида кремния, который является хорошим диэлектриком.
Ои служит защитой поверхности кремния от внешних воздействий, повышая стабильность параметров и надежность транзисторов. Для усиления защитных свойств слоя диоксида кремния сверху наносят тонкий слой легкоплавкого стекла. Для уменьшения объемного сопротивления коллекторной области транзистора формирование транзисторной структуры производят в тонком эпитаксиальиом слое с относительно малой концентрацией примесей, нанесенном иа ннзкоомную подложку с электропроводностью того же типа, Например, при подложке и эпитаксиальном слое с электропроводиостью п-типа, полученная структура транзистора п~-р-л-л+-типа имеет двухслойную коллекторную область, состоящую из высокоомной тонкой части эпитаксиального слоя и низкоомной подложки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
