Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 23
Текст из файла (страница 23)
СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 3.2.1. Вольт-амперные характеристики Ниже рассмотрены основные статические характеристики биполярных р — и — р- и и — р — и-транзисторов. На рис. 1 приведены условные обозначения и названия элементов т Тгапз)з1ог — $гапз|ег гез)з)ог — преобразователь(трансформатор) резисторов. Билоллрныв втранвистлоры р — п — р- и п — р — и-транзисторов.
Стрелкой указано направление тока при нормальных условиях работы, т. е. при прямом смещении эмиттерного р — и-перехола и обратном смещении коллекторного перехода. На рис. 2 показано включение р — п — р-транзистора по схеме с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Направления токов и знаки напряжений соответствуют нормальным условиям работы. Для и — р — и-транзистора все направления токов и полярности напряжений необходимо изменить на противоположные. Ниже рассмотрены р — п — р-транзисторы; результаты сохраняются и для п — р — п-транзисторов при соответствующем изменении полярностей. На рис. 3, а показан условный разрез р — и — р-транзистора, включенного по схеме усилителя с общей базой, на рис.
3, б — профиль легирования транзистора, имеющего однородную концентрацию примеси в каждой из областей, а на рис. 3, в приведена зонная диаграмма при нормальном режиме работы транзистора. Статические характеристики транзистора можно непосредственно получить из теории р — и-перехода (гл. 2). Говоря об Рнс. 1. Условные обозначения и названия элементов биполярного транзистора. а) р — л — р-транзистор; б) и — р — и-транзистор. основных свойствах транзистора, будем считать, что вольт-амперные характеристики эмиттерного и коллекторного переходов подчиняются уравнениям идеального диода 12 ), т. е. можно пренебречь эффектами, обусловленными поверхностной рекомбинацией — генерациеи, последовательным .
сопротивлением и высоким уровнем инжекции. Эти эффекты будут учтены позже. 144 Глава 3 г; м а Ю Рис. 2. Три схемы включения р — и — р-транзистора. а схема с общей базой; б — схема а общим змиттером; в — схема с общим коллектором Если весь потенциал падает на обедненной области р — п-перехода (рис. 3, б), из уравнения непрерывности и уравнения для плотности токов определяются равновесные характеристики.
Для нейтральной области базы уравнения имеют вид О = — +0 —,, Р Р дар тв ~Р— — РВ дх т (2) 1л — — 1~о~+ Ф — дт (3) др др где рв — равновесная плотность неосновных носителей в базе, У~„ — полная плотность токов проводимости, ти — время жизни неосновных носителей, 0 — коэффициент диффузии. Условия для концентрации избыточных носителей иа границе обедненной области эмиттера можно записать следующим образом: р' (О): — р (О) — р — рВ [ехр (ц7ВВ)И') — 1 1, п' ( — хи) = и ( — хи) — пВ = пи [ехр (дУВВ(ИТ) — 1), (3) где пи — равновесная плотность неосновных носителей (электронов) в эмиттере. Аналогичные соотношения можно записать для коллекторного перехода: р' (К) = р (1к') — рВ = рВ [ехр (ЧУсВ~И ) — 11, и' (хс) = и (хс) — пс = пс [ехР (г()~сВ(Н") — 11.
Решения уравнения (1), описывающие распределение неосновных носителей в приборе, т. е. дырок в базе и электронов в эмиттере и коллекторе, имеют вид р' (Пт) р' (О) е 1 «и„ [ р' (Ю') — р' (О) е )< -К/1. [ Ф'/т. »=" ° ~ «. '~ ~ . '!" (5) !45 Биползрньм транзисторы п(х) = пи+ и'( — хи) ехр [(х+ хн)!!.п[т х - — хн, (б) и (х) = по+ и'(хе) ехр [ — (х — хе)/1.е1, х > хе, (7) где 1.н = у'твйв — диффузионная длина дырок в базе, ~.в и ~.е — диффузионные длины электронов в эмиттере и коллекторе. Особенное значение имеет выражение (5), так как оно связывает ширину базы К с распределением неосновных носителей.
Если К-э. оо или ВЛ.в )) 1, выражение (5) сводится к р (х) = ра+ р (0) е (8) змиптчз база Коллет~ар )ЕВ Рис, 3. Биполярный транзистор р — п — р-типа, включенный по схеме с общей базой (а), профиль легирования транзистора со ступенчатым распределением примесей (б) и зонная диаграмма при нормальной 'работе (в). Бипояяркые транзисторы !47 Рис, 4„ Профиль легирова- Л7 + иии транзистора с гра- Ю диеитом концентрации примеси и базе (191. Подставляя выражение (13) в выражение (14), получим ° ) = Фв + ). р дЛ( Нр т ж х ах (15) Решение уравнения (15) для равновесного состояния с граничными условиями р = О при х = й7 имеет вид р = —" — ~ У (х)дх.
3р 1 (16) Концентрация дырок при х = 0 записывается в виде р(х= О) = ~ — ) Ж(х)дхыр ехр~ г ~"), (17) где )тв, определяется из концентрации доноров при х = О, а ра,— равновесная концентрация-дырок при х = 0 (поэтому пвоРво = = и,'). Ток / = Л.7р (где А — площадь) равен е ) У(х)Их о Полный ток коллектора ), = ), ехр ( '~" ) -(- )„ (19) где 1, — ток насыщения. Типичные экспериментальные результаты приведены на рнс. 5 120), Отметим, что экспоненциальный 148 Глава 3 закон (выражение (19)) хорошо выполняется почти во всем диапазоне токов, за исключением очень высоких токов, при которых плотность инжектированных носителей сравнима или превосходит концентрацию примесей в коллекторе. Постоянная 1, находится путем экстраполяции тока при )~нн = О.
Количество примеси на единицу площади базы (так называемое число Гуммеля (211) можно получить из выражения о,: — 1 ю юнак = + Аавп'. (20) 1 ~а-" Р рг ~+ ак пю ~а ~г твв, ~ коллекторного и базового тока от напряжения змит- Рис. 5, Зависимость тер — база 1201. Для кремниевых биполярных транзисторов число Гуммеля лежит в диапазоне 10" — 10за см '.
На рис. 5 приведена также типичная характеристика базового тока, где можно выделить четыре участка: 1) область малых токов, Биполирные транзисторы 149 3.2.2. Коэффициент усиления тока Когда р — п — р-транзистор смещен в активную область, как показано на рис. 3, а, эмиттерный ток состоит из двух компонент дырочного тока 1 в = АУр (х = О), ннжектируемого в базу, и электронного тока !„е = А/и (х = хв), инжектируемого из базы в область эмиттера.
Коллекторный ток также содержит две компоненты: дырочный ток !рс = АУр (х = К) и электронный ток 1„с = А/„(х = хс). Величины указанных токов определяются выражениями (9) и (10), Коэффициент усиления по току в схеме с общей базой а„ обозначаемый в гибридной системе параметров четырехполюсника как й,„а (где индексы Р и В есть начальные буквы слов 1огъагд— прямо и Ьазе — база соответственно), определяется следующим образом: д1с д1ря д1рс д1с (21) д1я д1в д1ре д1рс Первый из сомножителей д1рв~д1в называют эффективностью эмиттера у, сомножитель д!рс/д1ре — коэффициентом переноса в базе сс„а сомножитель д(~/дУ„,с — коэффициентом умножения коллектора М, Так как при нормальной работе транзистора смещение на переходе коллектор — база гораздо ниже на пряжения пробоя, то статический коэффициент усиления по току в схеме с общей базой имеет вид ао = уагМ уат (22) Статический коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером р„обозначаемый также йрв, равен дтс Роэ— з 6 = д1 ° д1В * (23) Из соотношения (11) видно, что ао и ро взаимосвязаны: ао но = —.
1 — ао (24) где базовый ток изменяется по закону ехр (д$'впlтйТ) с т 2; 2) область идеального поведения; 3) область среднего уровня инжекции, отличающуюся значительным падением напряжения на .сопротивлении базы; 4) область высокого уровня инжекции. Для ~улучшения характеристик в области малых токов необходимо 'уменьшить плотность ловушек в обедненной области и на поверхности полупроводника.
Для уменьшения сопротивления базы и ослабления эффектов, обусловленных высоким уровнем инжекции, необходимо изменить профиль легирования базы и конструкцию самого транзистора. Так как величина аа в биполярных транзисторах близка. к 1, необычно много больше. 1. Например, если а, =0„99, то ~,=99, а,, еслц аа = 0,998, то ~), = 499.
При нормальной работе р — п — р-транзистора Уии > 0 и Уси (( О, поэтому в выражениях (9) и (10) можно пренебречь членом, содержащим Уса. В этом случае справедливы следующие соотношения: Приращение дырочного тока иэ эмиттера Приращение общего эмиттериого тока 1 + он ~~~ ).в 1)~ ~~ (25) Приращение дырочното тока, достигшего коллектора гдт— Приращение дырочного тока из эмиттера )р (» =- В ) 1 )ра )и(х =- 0) св я~)Еа) 2ц~ ' (26) где Жи и Лн — концентрации примеси в базе и эмиттере соответственно, ߄— число Гуммеля, определенное по формуле (20). Следовательно, для данной концентрации Л)к статический коэффициент усиления по току обратно пропорционален Яа.
Эта зависимость для ионно-легированных транзисторов с одинаково легированными эмиттерами приведена на рпс. 6 [22). Доза ионов в базе прямо пропорциональна Я~, и видно, что с уменьшением дозы Лик возрастает. Коэффициент усиления по току в общем случае зависит от тока коллектора. На рис. 7 приведена типичная зависимость, полученная из графика на рис. 5 по формуле (23). При очень малых токах коллектора вклад рекомбинационно-генерационного тока (так называемого тока Са — Нойса — Шокли 1231) в обедненной области эмиттера и поверхностных токов утечки может превышать полезный диффузионный ток неосновных носителей в базе. Следовательно, эффективность эмиттера оказывается низкой.
Коэф- где у — эффективность эмиттера и иг — коэффициент переноса в базе. Отметим, что у < 1 и иг ( 1, а величины, дополняющие их до 1, пропорциональны электронному току, вытекающему- из базового контакта. В биполярном транзисторе с шириной базы, меньшей 0,1Ьэ, аг > 0,995, и коэффициент усиления по току почти полностью определяется эффективностью эмиттера. При условии, что яг 1, Биполлримг иуи1нзасторы диац ррцдгсц сгт-г Рна, б.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
