Три схеми включення p-n-p- транзистора. а- схема зі спільною базою; б- схема зі спільним емітером; в- схема зі спільним колектором.
Біполярний транзистор p-n-p- типу, включений по схемі зі спільною базою(а), профіль легування транзистора зі ступінчатим розподілом домішок (б) і зонна діаграма при нормальній роботі (в).
де pB- рівноважна густина неосновних носіїв в базі; Jtot- повна густина струмів провідності; τB- час життя неосновних носіїв; DB- коефіцієнт дифузії.
Залежність повного емітерного струму від прикладеної напруги:
- дифузійна довжина дірок в базі;
- дифузійна довжина електронів в емітері;
- дифузійна довжина електронів в колекторі.
Для Si біполярних транзисторів число лежить Гумеля в діапазоні 1012-1013 см-2.
Профіль легування транзистора з градієнтом концентрації домішки в базі.
Залежність колекторного і базового струму від напруги емітер-база.
Для покращення характеристик в області малих струмів необхідно зменшити густину пасток в збідненій області і на поверхні напівпровідника.
ефективність емітера γ.
коефіцієнт переносу в базі αТ.
коефіцієнт помноження колектора М.
Коефіцієнт підсилення струму в схемі зі спільним емітером β0.
(в гібридній системі параметрів чотириполюсника позначається як hFE).
Оскільки IB=IE-IC, то
Приріст діркового струму із емітера
γ= ---------------------------------------------------
Приріст загального емітерного струму.
Приріст діркового струму, що досяг колектора
αT= ------------------------------------------------------------
Приріст діркового струму із емітера
αT<1
γ<1
Величини, що доповнюють γ і αT до 1, пропорційні електронному струму, що витікає з базового контакту.
В біполярному транзисторі з шириною бази 0.1LB, αT>0.995 і β0 повністю визначається γ.
Якщо αТ близький до 1, то:
При дуже малих струмах колектора вклад рекомбінаційно-генераційного струму в збідненій області емітера і поверхневих струмів витоку може перевищувати корисний дифузійний струм неосновних носіїв в базі. Відповідно, ефективність емітера є низькою.
Залежність коефіцієнту підсилення транзистора від струму колектора.
Зниження кількості об’ємних і поверхневих пасток приводить до збільшення hFE при низьких рівнях струму..
Коли величина базового струму попадає в інтервал, що відповідає ідеальній поведінці, hFE досягає області максимальних значень.
Зменшення коефіцієнту підсилення при збільшенні IC - ефект Вебстера.
При високому рівні інжекції:
Щоб мати великий коефіцієнт підсилення hFE, ступінь легування емітера повинна бути в багато разів вищою, ніж ступінь легування бази, тобто NE/NB>>1.
Однак при дуже високій концентрації домішки в емітері починають проявлятися ефект звуження ширини забороненої зони і ефект оже-рекомбінації. Обидва визивають зменшення hFE.
Густина власних носіїв в емітері
Оскільки ΔEg зростає з концентрацією легування, то коефіцієнт підсилення по струму падає
При кімнатній температурі звуження зони описується формулою
Оже-рекомбінація полягає у взаємному знищенні електрона і дірки, яке супроводжується передачею енергії іншій вільній дірці.
Такий процес, що протікає при участі двох дірок і одного електрона, можливий при інжекції електронів у високолеговану p+ область. Такою областю є емітер p+-n-p транзистора.
Оже-рекомбінація – процес протилежний лавинному помноженню.
Час життя при оже-рекомбінації
де p- концентрація основних носіїв, Gp- швидкість рекомбінації.
(Gp=(1-2)x10-31 см6/с для Si при кімнатній температурі)
Час життя електронів (неосновних носіїв) τ в p- емітері визначається формулою
де τp -час життя, обумовлений рекомбінацією типу типу Са-Нойса-Шоклі
Аналогічно протікає рекомбінація в високолегованій n+ області при участі двох електронів і однієї дірки з характерним часом життя
Профіль легування n-p-n -транзистора з епітаксійним колектором.
Розподіл густини дірок в базі p-n-p транзистора при різних прикладених напругах. а- нормальне включення: VCB=const, VEB- змінна; б- нормальне включення: VEB=const, VCB- змінна; в- VEB- позитивне, VCB=0; г- обидва переходи зміщені в прямому напрямку; д- врахування струмів ICO і ICO’; е- обидва переходи зміщені в оберненому напрямку.
За допомогою цих графіків можна пояснити статичні вольт-амперні характеристики транзисторів.
За допомогою цих графіків можна пояснити статичні вольт-амперні характеристики транзисторів.
Струми на виході транзистора зв’язані з розподілом неосновних носіїв в області бази. У випадку транзистора з високою ефективністю емітера в формулах для IE, IC залишаються лише члени пропорційні градієнту неосновних носіїв (dp/dx) при x=0 і x=W відповідно.
Для даного транзистора емітерний струм IE і колекторний струм IC є функціями прикладених напруг VEB і VCB, тобто IE=f1(VEB, VCB) і IC=f2(VEB, VCB).
В схемі з спільною базою колекторний струм практично рівний емітерному струму (α0=1) і фактично не залежить від VCB
В транзисторі з шириною бази набагато більшою розміру збідненої області в базі напруга Ерлі дорівнює
Зменшення вертикальних розмірів в основному зобов’язане розвитку дифузійних процесів і іонної імплантації.
Зменшення горизонтальних розмірів зобов’язане успіхам літографії.
За рахунок топології транзистора досягаються необхідні струмові параметри. Для цього варіюється кількість смушкових областей емітера і контактів до бази.
За допомогою зміни профілю легування досягаються необхідні частотні властивості і прийнятні пробивні напруги.
Для покращення високочастотних властивостей транзисторів мають бути суттєво зменшені розміри активних областей і значення паразитних параметрів.
Оскільки рухливість електронів в кремнії більша рухливості дірок, то всі кремнієві НВЧ-транзистори – прилади n-p-n типу. Для зменшення послідовного колекторного опору в якості підкладки використовують епітаксій ну n-n+ структуру.
дорівнює 1.
Частота відсічки зв’язана з фізичною структурою транзистора через час затримки носіїв, що пролітають від емітера до колектора, τec:
Час затримки τec є сума чотирьох часів затримки, які характеризують послідовні фази руху носіїв від емітера до колектора:
τE- час зарядки збідненого шару емітера, визначається виразом:
де re - опір емітера; Ce- ємність емітера; Cc- ємність колектора; Cp - інші паразитні ємності пов’язані з базовим виводом; IE- емітерний струм, який приблизно рівний колекторному струму.
де η=2 для випадку рівномірного легування бази.
У випадку нерівномірного розподілу домішки в базі, як в дрейфовому транзисторі, коефіцієнт η має бути збільшеним
Якщо вбудоване поле Ebi постійне, то коефіцієнт η приймає значення
де E0=2DB/μBW. При Ebi/E0 =10 η≈60, тобто за рахунок великого вбудованого поля досягається значне зменшення τB.
Третя складова часу затримки пов’язана з прольотом носіїв через збіднений шар колектора:
де vs - гранична швидкість носіїв в колекторі.
де rc- послідовний опір колектора, Cc - ємність колектора.
В епітаксійному транзисторі rc може бути суттєво зменшеним і час затримки τ’c знехтувано малий в порівнянні з іншими часами затримки.
Таким чином, вираз для частоти відсічки fT має вид
Видно, що для підвищення частоти відсічки необхідно зменшити товщину бази транзистора, товщину колектора і працювати при високих густинах струму.
Однак при зменшенні товщини колектора відбувається відповідне зменшення пробивної напруги. Отже необхідно шукати компроміс між високочастотними властивостями транзистора і його здатністю витримувати високі напруги.
Зі збільшенням робочого струму частота відсічки підвищується, оскільки час зарядки емітера τE обернено пропорційний струму. Разом з тим, коли струм стає досить великим і густина інжектованих неосновних носіїв зрівнюється або перевищує концентрацію домішки в базі, ефективна товщина бази зростає від WB до (WB+WC).
При низьких густинах струмів τec падає з ростом JC, і колекторний струм переноситься в основному за рахунок дрейфу, тобто
де μC, NC, EC - рухливість, концентрація домішки і електричне поле в колекторному епітаксійному шарі відповідно.
При подальшому наростанні струму час затримки приймає мінімальне значення, а потім починає зростати, особливо швидко при струмі J1. Цьому струму відповідає максимальне однорідне електричне поле
В результаті ефекту Кірка цей струм є оптимальним з точки зору максимальної частоти відсічки. Слід відмітити, що зі збільшенням VCB одночасно зростає і величина J1.
Залежність потужності від частоти для біполярних НВЧ-транзисторів.
Вихідна потужність обернено пропорційна квадрату частоти, що є результатом обмежень, які накладаються полем лавинного пробою і граничною швидкістю носіїв.
Если не удалось найти и скачать презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:
Email: Нажмите что бы посмотреть