Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы (1988) (1095417), страница 86
Текст из файла (страница 86)
и способы его сокращения В активном режиме работы переход эмиттер †ба гранзистора смещен в прямом направлении, а переход коллекгор †па в обратном Эмнттер инжектнрует неосновные носигели (электроны если транзистор прп-типа) в базу, пройдя через когорую, он ступают на коллектор.
В этом режиме работы коллектор только принимает электроны и обратной эмиссии алек~роков в базг происходит. Эта ситуация иллюстрируется рис 7 9, а, а рис. 7.9, б показана зависимость конценграцци ннж,кгиох ''чах неосновных носителей от расстоя нч. Комоараогорм напряжения 491 Объемный заряд в области базы создается электронами, про. ходя ящИМИ ЧЕРЕЗ НЕЕ, И ОирЕдЕЛяЕтея ВЫражЕНИЕМ ~В Гаоп = г 7и, где ~г, — вРемЯ пРолета электРонов чеРез базУ от амита к коллектору.
Это время очень мало, как правило, от 30 Змигпггтар ~база ~ Хояяектр и— 1 ~тгво~ б Рнс. 7,9, Работа траиаиотора в активном режиме. до !00 пс. Наряду с этим существует небольшой объемный заряд в области эмнттера, связанный с инжекцией дырок из базы в змит"ер вследствие смещения в прямом направлении перехода эмиттер-база. По сравнению с током электронов в обратном направ~~~ин ток инжекции этих дырок очень мал, поскольку сильно база— отличаются уровни легнрования эмиттера л+ и базы р перехода к то аза-эмиттер Сильное легирование области эмиттера приводит поэтг тому, что время жизни инжектированпых дырок очень мало, ~~ему невелик результирующий объемный заряд в области зтч'ггера Ои Глава 7 Когда транзистор попадает в область насыщения, оба пер хода смещаютсЯ в пРЯмом напРавленин, поэтомУ коллектоР буд „ не только принимать поступающие в него электроны, но н анже ..
тировать электроны обратно в базу, Большинство этих электр . база аа- 4 база Каллет~. е Змитер Рнс. 700. Работа транзистора в ремнне насыщенна, нов после прохождения через базу поступает на эмнттер, тде накапливается не только основная часть электронов, инжектнруемых коллектором, но еще и часть электронов, инжектнрованных в базу самим эмиттером (рнс.
7.10). Когда транзистор находится в состоянии глубокого насыщенна> оба перехода, и эмиттер — база и коллектор — база, сильно смещены в прямом направлении, что приводит к большому току влектронов через базу в обоих направлениях. В результате область базы будет буквально переполнена электронами и объемный зяр"а области базы будет очень большим по сравнению с зарядом в в" кивком режиме. Компарапюры напряжения 493 В то же время происходит значительная инжекция дырок из базы в коллектор. Большой ток инжекции дырок в коллектор является следствием гораздо меньшей степени легирования области „оллектора по сравнению е областью базы. Если переход коллектор база смещен в прямом направлении больше чем на 0,5 В, и' 1с1 нч Рис. 7.11, Характеристика выключения транзистора.
то потоки электронов из коллектора в базу и дырок из базы в коллектор будут очень велики. Большой ток инжекции дырок в область коллектора н относи1ельно продолжительное время жизни дырок создают значительный объемный заряд, Суммарный объемный заряд транзистора в режиме насыщения определиетси выРажением 11в <зат1= 1~в + (~и + Яс. Уже отмечалось, что заряд Як очень мал.
Вследствие очень малой ширины базы 1 0,3 — 1,0 мкм) и в результате очень небольшого времени "Ролета носителей через базу основной составляющей суммар- 494 Глаеа 7 ного объемного заряда будет Яс, который в основном опред„ ляется инжекцией дырок из области базы. Этот заряд, связанны„. с базовым током, примерно Равен 9з ~злт~ — ()с = 1в <зхт~т,,, где тр — время жизни дырок в области коллектора, которое обычи составляет от ! до )О мкс (сравните с временем пролета носите. лями области базы 30 — )00 пс). Таким образом, объемный заржал транзистора, работающего в режиме насыщения, на несколько порядков больше, чем у транзистора, который работает в ак.
тинном режиме. Если транзистор должен выйтн из режима насьпцения, пройти активный режим и попасть в режим отсечки, то через него должен протекать определенный ток в течение периода времени, необхо днмого, чтобы удалить этот объемный заряд (рпс.?.! !). Период времени, в течение которого течет этот ток, называется временем рассасывания, (,, Уменьшение объемного заряда происходит двумя путями. Один из них — протекание обратного тока базы 1а гаь который непосредственно удаляет заряд из транзистора. Другой путь — рекомбинация неосновных носителей объемного заряда с основными носителями. Скорость процесса рекомбинации дырок в области коллектора с электронами определяется выражением ЩП1 = Яс?т„. Суммарная скорость уменьшения объемного заряда, следовательно, равна М),1Ж = — 1в ~я~ — Яз?т~, где 1э <я! — обратный ток базы, и мы приняли, что основная часть объемного заряда накоплена в области коллектора.
Если в процессе переключения обратный базовый ток незначителен или вообще равен нулю, то скорость рассасывания заряда приближенно определяется формулой Щ„?А! ж — Д,?тр, т. е. рассасывание заряда со временем происходит по экспоненциальному закону: (1,(1) = (), (О) ехр( — (1т,), гле 9, (О) — объемный заряд перед началом переключения. Отсюда время, необходимое для рассасывания объемного заряда, будет около 3 или 4т„. Это приведет к очень большим временам рассасывания — вплоть до нескольких микросекунд. Если же пропустить значительный обратный базовый ток 1а ~ем то, меняя его величину, можно управлять скоростью рассасывания объемного заряда.
В этом случае имеем йЗ,/й ж — 1в ~ям пли Щ (1) ж Я. (О) — 1а <я~1. ВРемЯ Рассасыванна — это вРемЯ необходимое для уменыпсния заряда до нуля, поэтому (Ъ (О)/1в шь Поскольку Я, (О) = Яс (О) = 1в щлт>тр, фор мулу для времени рассасывания ьюжпо записать в виде )1в ~злт~11а пн ! тя, Таком образом, использование большого обратного тока базы может существенно снизгпь время рассасы вания. В большинстве случаев оно может быть сокращенодо !О нс Комяараторм наяряжения Время спада, одна из составляющих времени срабатывания „ мпаратора, — это время, необходимое для изменения падения апряження на емкости перехода база — змиттер от напряжения насыщения Уве ~злт~ до напряжения отсечки Увв мшапм Емть перехода база — змиттер Се, обычно составляет от 10 до 50 пФ, а напряжение, необходимое для перевода транзистора из остояння насыщения в режим отсечки, лежит в пределах от 0,2 до 0,4 В.
Время спада определяется формулой АУвв = А4еь'я!Сь я = 7в <нЯСь откуда 1у = АУвеСь'е!1в ж = (Уве шлт1 Увв <яыап1) Сь'я/7в ~я1 (7.8) Например, если Уве <злт1 = 0,75 В, Уве мыып = 0,55 В, См, = 20 пФ, а !в ~я| = 1,0 мА, то время спада равно = 0,2 Вх 20 пФ~1,0 мА = 4 нс, откуда следует, что обратный базовый ток — определяющий фактор и для времени спада. 7.5. Методы повышения быстродействия Есть несколько способов повышения скорости переключения транзистора из режима насыщения в режим отсечки. 1.
Уменьшение времени рассасывания за счет сокращения времени жизни неосновных носителей. 2. Уменьшение времени рассасывания и спада путем увеличения обратного тока базы. 3. Сокращение объемного заряда в областях базы и коллектора за счет использования тонкой н слаболегированной базы. 4. Применение диодов с барьером Шотки, включенных параллельно переходу коллектор — база, для предотвращения прямого смещения перехода коллектор — база.
7.5.!. Сокращение времени жизни неосновных носителей. Первый способ сокращения времени жизни неосновных носителей связан со слабым легирозанием дополнительной примесью кристалла ИС в процессе производства. Эта примесь уменьшает время жизни неосновных носителей и, следовательно, приводит к уменьшению объемного заряда, особенно в области коллектора. В качестве такой примеси обычно используют золото, которое является очень аффективным центром рекомбинации в кремнии, способствуя взаимодействию свободных злектронов н дырок.
Это по"ь1шает скорость протекания процесса рекомбинации и сокращает ~реми жизни неосиовных носителей. Кроме золота и качестве при* весей могут использоваться н другие тяжелыо металлы, например медь и железо. Глава 1 Применение дополнительного легирования кремния золотом (концентрация золота обычно от !О'4 до 10м см ') позволяет сокр . тить время жизни неосновных носителей от ! — 1О мкс (в случа о>сутствия дополнительного легирования) до менее 10 нс. Это при.
водит к уменьшению времени рассасывания также до примерк,> 10 нс. Основной недостаток процесса легирования золотом заклю. чается в его неизбирательности по отношению к другим элементам, т. е. легированию подвергаются все элементы, расположенные иа ИС. Сокращение времени жизни неосновных носителей, вь>3 ванное легированием золотом, оказывает благоприятное влияние с точки зрения уменьшения объемного заряда, но наряду с этим имеют место нежелательные побочные эффекты. Сокращение вре мени жизни неосновных носителей приводит к уменьшению коэф. фпциента передачи по току р транзисторов, поскольку усиливается рекомбинация пеосновных носителей при прохождении через узкую область базы.
На лрп-транзисторы с тонкой базой и временем пролета неосновных носителей через базу от 30 до 100 пс сокращение времени жизни неосновяых носителей до 10 нс не будет оказывать сильного влияния. Объясняется это тем, что время жизни неосновных носителей значительно больше времени пролета, поэтому большинство инжектированных неосновных носителей будет благополучно достигать коллектора, пре. одолев область базы. Однако в сплавных и планарных рлр-транзисторах толщина базы обь>чно составляет от 4 до 10 мкм, следовательно, и время пролета в них будет больше, чаще всего в пределах от 10 до 50 нс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
