Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Время, необходимое для нарастания тока до уровня 90 % тока насыщения (=Рс,Л~~), называют временем включения т„. В момент времени /г ток змиттера снижается до нуля и начинается процесс выключения. В интервале от /г до /, плотность неосновиых носителей в базовом слое остается большой, что соответствует режиму области 111 ~рис. 32, б), но постепенно она снижается до нуля. В течение отрезка времени т, импеданс транзистора сохраняется низким и коллекторный ток определяется внешней цепью.
В момент времени 1о плотность носителей около коллекторного перехода становится близкой О. Одновременно быстро возрастает импеданс коллекторного перехода и транзистор начинает работать в активной области 11. Интервал времени т, называют временем рассасывания носителей. Начиная с момента 1г переходный процесс рассчитывается, исходя из параметров активной области 11. К моменту времени 14 коллекторный ток снижается до 10 о~о максимального значения. Интервал времени т.„заключенный между /г и 14, называют временем спада. Время включения т, можно получить из анализа переходного процесса в активном режиме.
Для ступенчатого входного сигнала 1е, преобразование Лапласа имеет вид /~,/з. Если коэффициент усиления в схеме с общей базой представить в виде а~-/(1 + /то/ь,„), где а,~ — частота отсечки коэффициента а, при которой а/аы = 1/у' 2, то преобразование Лапласа для коэффициента усиления имеет вид ан/(1 + э/сон). Тогда для коллекторного тока преобразование Лапласа будет иметь следующий вид: (99) Обратное преобразование Лапласа этого выражения записываегся в виде (102) Гс = !иии(1 — е "~'). (100) Обозначив через /с, = 1/ссЯ~ величину коллекторного тока в режиме насыщения и подставив /о = 0,9/с, в формулу (100), получим значение т,: т,= — 1и ~~ / /Ег 101 0ю ',/вг О,Э/сг/ссм ( ) На основе подхода, аналогичного изложенному выше, можно получить формулу для времени рассасывания и времени спада переходного процесса выключения транзистора в схеме с общей базой 1591: ого + оэ! ~ /ег — /ег 1п1 огл)ого (1 — о-ной ~ (/сг/Фж) — /ег (10З) '= Ю ~0,1/с,— ам/Ег/' Глава 3 192 где о, — частота отсечки инверсного коэффициента сс, (величины 4, и 7в, указаны на рис.
34). Из формулы (102) следует, что время рассасывания становится равным О, если транзистор не попадает в область насыщения 111 (как при токовом режиме работы), поскольку в этом случае 1с, = и, !в,. Приведенные выше выражения можно использовать для схемы с общим эмиттером, если выполнить следующую замену величин: при определении т, и т, частота о~ заменяется на частоту отсечки 11, равную елl(1— — и„,-), !е, и 1е, заменяются на 7а, и 7в,, а а;, заменяется на а,.й1 — а,„); при определении т, производятся две последние замены: 7в, и 7в, заменяются на 7„, и 7д2, а а~- заменяется на а~!(1 — а,). Из приведенных выше соотношений вытекает, что время переключения, т. е.
время включения т, и время выключения (т, -1- т,), обратно пропорционально частоте отсечки. Для повышения скорости переключения необходимо увеличить частоту отсечки. Важно отметить, что быстродействие большинства переключающих транзисторов ограничено накоплением в коллекторе, которое может быть снижено при увеличении частоты отсечки, 3..":. РАЗНОВИДНОСТИ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ 3.6.1. Масштабирование транзисторов В интегральных схемах (ИС), и особенно в сверхбольших интегральных схемах (СВИС), для повышения быстродействия и плотности размещения элементов необходимо уменьшать размеры биполярных транзисторов. Прогресс в уменьшении размеров биполярных транзисторов за последнее десятилетие проиллюстрирован на рис.
35 1601. Отметим, что основное отличие транзисторов интегральных схем (интегральных транзисторов) от дискретных транзисторов заключается в планарном расположении всех выводов на верхней поверхности подложки, а также в необходимости электрической изоляции транзисторов для предотвращения паразитного взаимодействия между ними. До 1970 г.
использовалась изоляция р — п-переходом (рис. 35, а) и коллекторные области п-типа отделялись друг от друга изолирующими р-областями, смещенными в обратном направлении. С 1971 г. начали применять изоляцию приборов термически выращенным окислом, что привело к существенному уменьшению размеров (рис. 35, б). В 1975 г. научились ограничивать окисной стенкой эмнттер, и площадь дополнительно уменьшилась на 50 в~о (рис. 35, в). В настоящее время уменьшение всех размеров осуществляется на основе принципа масштабирования: если коэффициент масштабирования равен 2, то в результате площадь уменьшается в четыре раза, а ширина базы — в два раза (рпс.
35, г). Биполярные транвистарат !93 1 1 1 1 1 1 1 миттер 1 1 Кс хеектар 1 Ц~,'~ЯД ,тк00„к,, г ! ! ! ! т Ьжттер ппектар Е 1 .3 Плащ адь 5000мкм е ,хмиттер ! /риттер ! ,— 7ермижский 1, ! акисет 1 ! ,тмиттер ! — ! — терми-„ ческий + ! алисе т ! ! ! Трехмерное изображение транзистора с окисной изоляцией приведено на рис.
36. Изолирующие области можно выполнять непосредственно внутри транзистора, что не только уменьшает общую площадь, но и значительно улучшает характеристики прибора из-за уменьшения паразитных емкостей. С развитием ионной имплантации, литографии и методов сухого травления можно Рнс. 36. Трехмерное изображение транзистора с окисной изоляцией !!1!. Рис. 35. Уменьшение горизонтальных и вертикальных размеров биполярных транзисторов за последнее десятилетие !60!. а — изоляцяя р — н-яереходом; б — окисная изоляция; в, г — масштабирование тран- зисторов с окнсной изоляцией. Глава 3 194 в недалеком будущем ожидать появления биполярных транзисторов с субмикронными размерами, обладающих произведением мощности на время задержки менее 1 пДж. 3.6.2.
Интегральная инжекционная логика 161, 62) Интегральная инжекционная логика (И'Л) с 1972 г. получила гнирокое распространение в логических и запоминающих устройствах. Ее привлекательными особенностями являются совместимость с технологией биполярных транзисторов, простота топологии и высокая плотность упаковки. Эквивалентная электрическая схема и разрез структуры интегральной инжекционной логики представлены на рис. 37. Базовый элемент И'Л содержит продольный р — и — р-транзистор Ят и инверсный вертикальный многоколлекторный л — р — л-транзистор 9,. Поскольку для И'Л не требуются изолирующие области и резисторы, плотность упа- Лухост Л'сллвл. ттсюы Рис. 37.
Интегральная инжекционная логика. а — эквивалентная схема элемента; б раэреэ элемента. Биполярные транзисторы Ес Е --— е п-,4 Рис. ЗВ. Зонная диаграмма гетеронереходного и — р — п-транзистора. ковки схем может быть очень высокой. Для повышения быстродействия в качестве коллекторов целесообразно использовать диоды Шоттки ~гл. 5) 1631.
3.6.3. Транзисторы с гетеропереходами 1641 Энергетическая зониая диаграмма гетеропереходного транзистора с широкозонным эмиттером приведена на рис. 38. Прибор имеет эмиттер а-типа из А1,6а1„Аз, базу р-типа из баАз и коллектор и-типа из баАз. К преимуществам гетеротранзистора относится следующее: 1) высокая эффективность эмиттера, так как потоку дырок (иеосновных носителей в эмиттере) из базы в эмиттер препятствует высокий барьер в валентной зоне; 2) уменьшенное сопротивление базы, поскольку база может быть сильно легироваиа без снижения эффективности эмиттера; 3) меньшее вытеснение тока в эмиттере вследствие малого падения напряжения вдоль перехода эмиттер — база; 4) улучшенная переходная характеристика из-за высокого коэффициента усиления по току и низкого сопротивления базы; 5) расширенный температурный диапазон — гетеротранзистор может работать при более высоких температурах 1 350'С), так как ширина его запрещенной зоны больше, и при низких температурах (вплоть до гелиевых (4 К)), так как содержит мелкие примесные уровни.
В настоящее время получены гетеротранзисторы с коэффициентом усиления по току 350 [65 1, Однако из-за технологических ограничений частота отсечки не превышает 1 ГГц. 3.6.4. Транзисторы на горячих электронах Горячими считаются те электроны, энергия которых превыигает энергию Ферми на несколько ИТ, где й — постоянная Больцмана, а Т вЂ” температура решетки.
Было предложено много трехэлектродных структур, подобных биполярным транзисторам, с переносом горячих электронов от эмнттера к коллектору. Первый такой прибор со структурой металл — диэлектрик — металл— Глана 3 3мип~ате~ Жиа Каллекгпар д а Рис. 39. Транзисторы на горячих электронах 1671. а — МДМДМ-структура; б — туннельный транзистор; в — транзистор о металлической базой', г — транзистор с ограничением тока нространственным зарядом. диэлектрик — металл ~МДМДМ), в котором протекание тока в слое диэлектрика происходило за счет туннелирования (рис, 39, а), известен с 1960 г. 166). Лучшие характеристики имеет прибор с коллектором в виде диода Шоттки 1рис.
39, б), Дальнейшее улучшение прибора связано с использованием эмиттера в виде барьера Шоттки (рис. 39, в). Предлагалось также использовать эмиттср в режиме ограничения тока пространственным зарядом (рис. 39, г), Основное отличие этих транзисторов от других приборов заключается в способе инжекции электронов в базу 167).
Только транзистор с металлической базой обладает потенциально лучшими СВЧ-характеристиками, чем биполярный транзистор. Однако экспериментально полученные значения аа при комнатной температуре малы ( 0,3). Эти результаты получены для транзистора со структурой т1 — Ап — Сте при толщине золотой пленки 90 А (68). Использование перспективных технологических методов (молекулярно-лучевой эпитаксии, выращивания монокристаллических пленок металла на полупроводниках 169) и переход на работу при низких температурах) позволяет надеяться на получение хороших высокочастотных характеристик и высоких коэффициентов усиления по току.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
