Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 23
Текст из файла (страница 23)
5.1, б). Такое включение транзистора называют включением с общей базой (или схемой с общей базой) и обозначают ОБ. Напомним, что задавать прямое напряжение на р-и-переходе практически невозможно; как правило, задается прямой ток. Значит, для включения ОБ характерна заданная величина тока эмиттера. Схема ОБ позволяет хорошо раскрыть физику транзистора; есть у нее и некоторые другие положительные особенности. Но тот факт, что она не обеспечивает усиления тока и обладает малым входным сопротивлением (равным сопротивлению эмиттерного перехода), делает ее не оптимальной для большинства применений. Поэтому главную роль в транзисторной технике играет другое включение — с общим эмиттером, которое обозначают ОЭ.
Для включения ОЭ характерна заданная величина тока базы. Оба включения показаны на рис. 5.4, а, б с использованием схемотехнических символов, присвоенных п-р-н-транзистору. 1зо Глава б.Фнзнческне врнвцнвы работы травзнстора н тнрнстора На рис. 5.4, в, г показаны аналогичные включения р — п — р-транзисторов. Как уже отмечалось, этим транзисторам свойственны обратные полярности рабочих напряжений. Соответственно обратные направления имеют и рабочие токи.
Использование р — п-р-транзисторов открывает возможность сочетания п-р — п- и р-п — р-транзисторов в одной и той же схеме. Такое сочетание в ряде случаев обеспечивает упрощение структуры и оптимизацию параметров соответствующих схем, Транзисторы и-р — п и р-и — р в таких схемах, а также сами схемы такого типа называют комплемепрпарными (дополняющими), как и в МДП-микросхемах. 5.3.
Распределения носителей Для того чтобы рассчитывать токи, межэлектродные напряжения и избыточные заряды в транзисторе, необходимо знать распределения избыточных концентраций, т.е. функции Лп(х) или Лр(х). Эти функции рассматриваются ниже применительно к главному элементу ИС вЂ” транзистору и — р — п-типа.
В одном и тоже слое функции Лп и Лр совпадают в силу принципа квазинейтральности, поэтому ниже приводятся выражения только для избыточных концентраций неосновных носителей (электроноз). Случай нормального включения бездрейфового транзистора. В стационарном режиме концентрация носителей, инжектированных в базу„описывается диффузионным уравнением а и, и, — , 3 (5.1) ах' т, где эб и тб — коэффициент диффузии и время жизни электронов в базе; пр — конЦентРаЦиЯ электРонов; по = и,~/Мб — Равновесная концентрация электронов; Фб — концентрация акцепторов в базе. При записи граничных условий для нормального включения транзистора примем, что на коллекторном переходе задано обратное напряжение У, а на эмиттерном переходе — прямой ток 1ы точнее — его электронная составляющая 1,„.
Концентрация электронов у коллекторного перехода находится из граничного условия Шокли У. п (и) =пое" р (5.2) 1з1 З.З. Расяредвлеяяя яееятелеа Так как коллекторный переход имеет обратное смещение, то величина пр(ю) близка к нулю и избыточная концентрация электронов Лпе =прйс) -пс = — по. Поскольку в базе р типа равновесная концентрация электронов очень мала„пренебрежем величиной по и запишем первое граничное условие в виде Лп (и~) =О.
(5.3) (5.4) где Я вЂ” площадь эмиттерного перехода. Знак минус в правой части (5.4) отражает тот факт, что у и-р-и-транзисторов прямой, т.е. положительный ток эмиттера означает инжекцию электронов в базу; при этом градиент их концентрации должен быть отрицательным. Из (5.4) легко найти градиент концентрации электронов и соответственно второе граничное условие: д(Лпе) ~ 1„, (5.5) Используя граничные условия (5.3) и (5.5), можно найти рещение диффузионного уравнения в следующем виде: Ь зЦ(в — х)/Ь1 Лпз х =~,„ д1),Я сЦ~юф,) (5.6) Поскольку в транзисторах выполняется неравенство и «Ь, полученное выражение можно упростить, воспользовавшись соотношениями, действительными для малых аргументов: зп(з) = з и сЬ(г) = 1.
Тогда Лпэ(~) = 1,„ Ф'зЗ'ч (5.7) Как видим, бездрейфовых транзистораж с однородной базой свойственно почти линейное распределение избыточных носителей (рис. 5.5). Электроны, инжектированные в базу, распространяются в ней под действием диффузии, поэтому для электронной составляющей можно записать 132 Глава б. Физические прикипим работы траизистора и тиристора Интегрируя функцию Ллб(х) в пределах от 0 до ш и умыожая интеграл на площадь Я и элементарный заряд д, получим величину избыточного заряда в базе: Лзтб = 1за(зз /81)б).
(5.8) Лр,(л) =1зр ' е " *, зр ((.О,я (5.9) Расстояние х отсчитывается здесь от границы перехода вглубь эмиттера (см. штриховую кривую на рис. 5.5). Соотношение граничных концентраций Ллб(О) и Лр,(0) определяется граыичным условием Шокли. Интегрируя (5.9) в пределах от х = 0 до х = оз, умножая результат на Я и д, получим величину избыточного заряда в эмиттере: Лез, =1, т„ (5. 10) где т, — время жизни неосновных носителей в змиттерном слое. Случай нормального включения дрейфового транзистора.
Концентрация носителей в неоднородной базе описывается уравнением непрерывности с учетом диффузионного и дрейфового движения. В общем случае распределение получается гро- Рис. б.б. Распределение алек- Как видим, избыточный заряд тронов в базе бездрейфового ПрОПОрцИОНаЛЕН тОКу ЭМИттЕра, а л-р-л.траизистора при заданном токе уменьшается с уменьшением толщины базы.
Обратимся теперь к распределению дырок, инжектированыых из базы в эмиттер. Поскольку эмиттерыый слой значительно толще базового, ему свойственыо неравеыство зр, » Ь,, где из — толщина эмиттерного слоя, 1, — диффузионная длина носителей (дырок). При выполнении этого неравенства распределение избыточных носителей будет таким же, как при бесконечно длинной базе, т.е. экспоненцизльным. Заменяя в формуле (5.6) электронную составляющую тока ыа дырочную, концентрацию Ллб на Лр, и полагая и -+ о, получаем: 0.3.
Распределения носителей Лн х — т зз 1 — е ~чц [хоп б (5. 11) б(~Н; Мс(О) и Фб(зз) — кон е меси на эмиттерной и коллекторной границах базы. Чем больше разница в концентрациях примеси, тем больше величина гг Поэтому ее называют коэффициентом неоднородности базы. На практике типичны значения з) = 2 — 3, Распределение носителей„описываемое выражением (5.11), показано на рис.
5.6 в относительном масштабе. За единицу масштаба принята граничная концентрация носителей у бездрейфового транзистора, получаемая из (5.7) при х = О Лн~(0) = 1„(ю/д.0,зЯ) (индекс В символизирует чисто диффузионное движение). Из рис. 5.6 видно, что с ростом коэффициента неоднородности распределение носителей в базе дрейфового транзистора все больше отличается от линейного. При одинаковых значениях эмиттерного тока избыточные концентрации у дрейфовых транзисторов значительно меньше, чем у бездрейфовых. Интегрируя функцию (5.11) и умножая на 8 и д, получаем величину избыточного заряда в базе: о о ас, 0 04 08 хгн Рик 0.6. Распределение злектроноз а базе дрейфозого тран- зистора (5. 12а) Сложная функция„стоящая в круглых скобках, хорошо аппроксимируется простой функцией (з) + 1) ~. Поэтому запишем избыточный заряд в виде Лб)с =айза(ю /2(Ч вЂ” 1)Ес).
(5. 126) моздким и ненаглядным. Для тонкой базы оно существенно упрощается: 134 Глава 5. Физические прннанпм работы транзистора и тнрнетора (э) ® Ок х ю хйю 0,8 0,4 0 Рне. 5.8. Рае~ределенне электронов в базе дрейфового трвнзнстора прн инверсном включении Рне. 5.7. Раопределенне электронов в базе бездрейфового транзистора прн каверзном включеннн ,зев-(;ьл Ллб(х) = 1„„— "" Ф'бЭ 2Ч (5.13) где 1з„— электронная составляющая коллекторного тока, а координата х отсчитывается от коллектора к эмитттеру. Соответствующие кривые распределения показаны на рис.
5.8. Сравнивая с рис. 5.6, видим, что при инверсном включении избыточные концентрации у дрейфового транзистора значительно больше, чем у бездрейфового. Соответственно больше оказыва- Распределение дырок, инжектированных из базы в эмиттер, показано на рис. 5.6 штриховой линией. Это распределение и соответствующий избыточный заряд можно оценить по формулам (5.9) и (5.10).
Случаи инверсного включения и режима двойной июкекции. При инверсном включении бездрейфового транзистора распределения носителей и в базе, и в коллекторе получаются практически такими же, как при нормальном включении (ср. рис. 5.7 и 5.5). У дрейфовых транзисторов инверсное включение характерно качественно иным распределением носителей в базе.
Это связано с тем, что поле в базе является для электронов, инжектируемых коллектором, не ускоряющим, а тормозящим. Изменяя знак коэффициента з) в выражении (5.11), получаем следующее распределение избыточных носителей в базе: б,з. Расяределеиия носителей 133 ются и избыточные заряды. Изменяя знак коэффициента д в (5.12а), получаем величину избыточного заряда в базе: щ~ е " — 2)) — 1 б ка 2г) с 2т) 2 Для избыточных концентраций и зарядов в коллекторе действительны выражения (5.9) и (5.10), если заменить индексы «э» на «к». Поскольку у дрейфовых транзисторов коллекторный переход почти симметричный, граничные концентрации электронов и дырок почти одинаковы (см. штриховую линию на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
