Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Обычно для ослабления эффекта смещения границы эмиттера и улучшения его эффективности используют мышьяк в качестве эмиттерной примеси (361. За счет тополопш транзистора достигают необходимых токовых характеристик. Для этого варьируют число полосковых областей эмиттера и контактов к базе. Биполярные пьранзисторы 167 3 1И ас !Р э 1г7 й 171 ПЧ Ы 6Р 717 Ю 1Т30 / гтсуы Ы Рис.
17. Уменьшение двух критических размеров дискретных транзисторов (ширины эмнттерной полоски и толщины слоя базы), достигнутое с 1952 г. Указаны также основные этапы развития технологии. На рис. 17, а показан транзистор с полосковой геометрией электродов. В интегральных транзисторах критические размеры примерно в 1О раз больше для предотвращения закороток между эмиттером и коллектором 137, 111. С помощью изменения профиля легирования добиваются требуемых частотных свойств и приемлемых пробивных напряжений. Низкочастотные транзисторы отличаются от СВЧ-транзисторов размерами активных областей, значениями паразитных параметров полупроводниковой структуры и корпуса. Для улучшения высокочастотных свойств транзисторов должны быть существенно уменьшены размеры активных областей и значения паразитных параметров.
В высокочастотных транзисторах определяющими критическими размерами являются ширина эмиттерной полоски 3 и толщина базы Н7п. На рис. 17, б приведены данные, иллюстрирующие тенденцию уменьшения этих размеров со временем (начиная с 1952 г,), а также отмечены основные события, связанные с развитием технологии транзисторов (11, 371. Уменьше- Глава 8 168 а Рис. 18. Диффузионные трубки (а) н диффузионные выступы (б) в базе вдоль дислокаций !381.
ние вертикальных размеров в основном обязано развитию диффузионных процессов и ионной имплантации, в то время как уменьшение горизонтальных размеров связано с успехами литографии. В настоящее время ширина эмиттерной полоски составляет меньше 1 мкм, а толщина базы может составлять всего несколько сотен ангстрем. С уменьшением ширины базы первостепенную важность приобретает устранение возможных закороток между эмиттером и коллектором, вызванных диффузионными трубками и диффузионными выступами в базе вдоль дислокаций (рис.
18) !38!. Поэтому должны использоваться технологические процессы, исключающие образование дефектов упаковки вследствие окисления, появление дислокаций скольжения (обусловленных эпитаксиальным выращиванием) и другие нарушения, сопутствующие технологи чески м опера ци ям. 3.3.1. Частота отсечки (бЗ) Время задержки т„представляет собой сумму четырех времен задержки, характеризующих последовательные фазы движения носителей от эмиттера к коллектору: = те + тв + тс + тс. (64) Частота отсечки ~~ является наиболее важным показателем качества СВЧ-транзисторов. Она определяется !40! как частота, на которой коэффициент усиления по току в режиме короткого замыкания схемы с общим эмиттером 6,„(из д! .!д1а) равен 1. Частота отсечки связана с физической структурой транзистора через время задержки носителей, пролетающих от эмиттера к коллектору, т„: Бинолярные транзисторы 169 Здесь тв — время зарядки обедненного слоя эмиттера, определяемое выражением тв = ге (С, + С, + С„) = — (С, + С, + С,,), (65) где г, — сопротивление эмиттера; С, — емкость эмиттера; С,— емкость коллектора; С вЂ” другие паразитные емкости, связанные с базовым выводом; 1в — эмиттерный ток, примерно равный коллекторному току /с.
Величина г, является производной по напряжению эмиттерного тока, определяемого соотношением (9). Вторая составляющая времени задержки в формуле (64) представляет собой время пролета через слой базы и равна В'~ тв р з Чх" в (66) 2 [1+ ( — ") (68) где Ю, = 2Он/р,„К. При Ргн/Жо — — 10 х1 = 60, т. е. за счет большого влроенного поля достигается значительное снижение тв.
Встроенное поле создается автоматически в реальных транзисторах, в которых база формируется диффузией. На рис. 10 показан типичный пример высокочастотного эпитаксиального и — /з — п-транзистора, полученного двойной диффузией. Третья составляющая времени задержки связана с пролетом носителей через обедненный слой коллектора (рис. 3): хс — В' тс— Од (69) где о,. — предельная скорость носителей в коллекторе. где Ч = 2 для случая равномерного легирования базы. Формулу (66) можно получить, подставив Е.в = у Овтв/(1 -~- ротв) в выражения (25) и (26), что дает малосигнальный коэффициент усиления в схеме с общей базой 1411: 1 1 Я ° (67) сЬ (К 1/(1+ 1сотв)/Овтв) 1 +!У~2<о/2ов Время задержки тв определяется из формулы 1/2п/"„, где так называемая «альфа»-частота отсечки — равна частоте, на которой усиление падает в 1/1~2 раз по сравнению со значением на низкой частоте. Вклад эффективности эмиттера у во время задержки мал и в формуле (67) не учитывается.
В случае неравномерного распределения примесей в базе, например, как в дрейфовом транзисторе (рис. 4), коэффициент Ч в формуле (66) должен быть увеличен. Если встроенное поле д'о; постоянно, то коэффициент Ч принимает значение (421 170 7с, 'Г/очаг Рнс. !9. Время движения носителей от вмиттера к коллектору в зависимости от плотности коллекторного тока для транзистора, изображенного на рис, !О 128]. Четвертая компонента задержки обусловлена временем, в течение которого заряжается обедненная емкость коллектора: тс = г,С,, (70) где г, — последовательное сопротивление коллектора, Се — емкость коллектора, В эпитаксиальном транзисторе г, может быть существенно уменьшено и время задержки т,' пренебрежимо мало по сравнению с другими временами задержки, Таким образом, выражение для частоты отсечки ~т имеет впд ! / !г ИТ (Сд + Сс + Ср) !г' хс !!! 2~~~ес ( ~ Ч7с НОВ 2ою (71) Из выражения (71) видно, что для повышения частоты отсечки необходимо уменьшать толщину базы транзистора (один из критических размеров, показанных на рис.
17), толщину коллектора и работать при высоких плотностях тока. Однако при уменыпении толщины коллектора происходит соответствующее снижение пробивного напряжения. Счедовательно, необходимо искать компромисс между высокочастотными свойствами транзистора и его способностью выдерживать высокие напряжения. С увеличением рабочего тока частота отсечки повышается, так как время заряда эмиттера тв обратно пропорционально току. Вместе с тем, когда ток становится достаточно большим и плотность инжектированных неосновных носителей сравнивается или превышает концентрацию примеси в базе, эффективная толщина базы возрастает от %'в до (Кв + Ч7о) (разд.
3.2). На рис. 19 приведены теоретические значения времени задержки носителей при движении от эмиттера к коллектору т„для транзистора, показанного на рис. 10 128). При низких плотностях токов т„ Биполярные транзистора падает с ростом 1о, как следует из формулы (71), и коллекторный ток переносится в основном за счет дрейфа, т. е. о с = ЧРсй~с~ с (72) где ро, Ус и Юо — подвижность, коицентрапия примеси и электрическое поле в коллекторном эпитаксиальном слое соответственно.
При дальнейшем нарастании тока время задержки принимает минимальное значение, а затем начинает возрастать, осо. бенно быстро при токе 1,. Этому току соответствует максимальное однородное электрическое поле Тс — — - (1'со + ~ 1'сп 1)/Кс, где Ксо — контактный потенциал коллектора, а~си — напряжение, приложенное между базой и коллектором. Токи, превышающие 1ы не могут уже переноситься через эпитаксиальную область коллектора только за счет дрейфовой компоненты. Величина Ут определяется выражением (72) и равна т т = ЧРсй~с (1 со+ ~ р'св ~И('с. (73) В результате эффекта Кирка этот ток является оптимальным с точки зрения максимальной частоты отсечки.
Следует отметить, что с увеличением загса одновременно возрастает и величина lт. 3.3.2. Высокочастотные характеристики Для описания высокочастотных характеристик транзисторов широко используют матрицу рассеяния (э-параметры), так как на высоких частотах их измерять проще, чем другие. системы параметров !43, 44). На рис. 20 показан обобщенный четырехполюсник с падающими (а„ае) и отраженными (Ь„ЬД волновыми сигналами, используемыми для определения з-параметров, Четырехполюсник описывается линейными соотношениями (74) где параметры Ь, 1 а1 ~а, =О э„, я„, э„и э„имеют следующее значение: коэффициент отражения на входе при согласованной нагрузке на выходе (7~ — 7, означает, что ас = О (Ле — внутренний импеданс)); Рис. 20. Четырехполюсник с падающими (а„аа) и отраженными (Ьт, Ьа) волно- вымп сигналами, используемыми для определения з-параметров.
!72 Глава 3 ~ 52! ~2(1 — Гб~) (75) о (! — г! 21112) + Гдь (~ в22 12 — 0'-') — 2йе(Г1,Лу) ' где г, = (л„— г,цл,+к,), 0 = З11о22 о12о2!г й1 а22 а 'о1!' В этой формуле Ке означает действительную часть комплексной величины, а звездочка: — комплексно сопряженную величину, По коэффициенту устойчивости 7( можно судить о том, будет ли транзистор генерировать при любом сочетании пассивной нагрузки и импеданса источника в отсутствие внешней обратной связи. Коэффициент записывается в виде ! + ! Е! Р— 1 во Р— ! вфр Р 2 ~ вуфвр! ! (76) Если К ) 1, прибор абсолютно устойчив, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
