Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

на тему

МЕТОДЫ УВЕЛИЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ПО ТОКУ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Минск 2014



Содержание

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
• 2. КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ ПО ТОКУ
• 2.1 ЗАВИСИМОСТЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭМИТТЕРА ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСИ В НЕМ
• 2.2 ПАДЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ПО ТОКУ ПРИ БОЛЬШИХ ПЛОТНОСТЯХ ТОКА
• 2.3 ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ПО ТОКУ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
• 3. МЕТОДЫ УВЕЛИЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ПО ТОКУ
• 3.1 КОНФИГУРАЦИЯ ЭМИТТЕРА
• 3.2 ЭМИТТЕРЫ С НИЗКОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ПРИМЕСИ (НКЭ-ТРАН- ЗИСТОР)
• 3.2.1 Транзистор со слаболегированным эмиттером (ТСЭ- транзистор)
• 3.2.2 Транзистор с пониженной концентрацией фосфора в эмиттере (ПКФ-транзистор)
• 3.2.3 Транзистор с эмиттером, легированным мышьяком (ЭЛМ-транзистор)
• 3.2.4 Транзистор с гетеропереходом в эмиттере
• 3.3 Монолитный мощный транзистор Дарлингтона
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
• ПРИЛОЖЕНИЕ А


ВВЕДЕНИЕ

В данной курсовой работе рассматривается коэффициент усиления по току мощных биполярных транзисторов, а также методы его увеличения.

Рассматривается общее представление о мощных БИП-транзисторах. Более подробно описывается конфигурация эмиттера, гетеропереходы эмиттер-база. Также рассматривается схема Дарлингтона, одна из схем составных транзисторов.

В заключении данной курсовой работы приводится общий вывод о применении мощных биполярных транзисторов.



1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Биполярный транзистор представляет собой три области полупроводника, чередующиеся по знаку проводимости, как показано на рис. 1. Левый p-n-переход (эмиттер) смещен в прямом направлении. С его помощью осуществляется биполярная инжекция неосновных носителей в средний слой полупроводника (база). Правый переход (коллектор) смещен в обратном направлении и собирает неосновные носители, прошедшие через базу. Характерной особенностью бездрейфового транзистора является равномерное распределение примеси в базе.

В отличие от электронных ламп, где проводимость осуществляется только электронами, в приборах на твердом теле можно осуществить как электронный, так и дырочный эмиттер. Различие между указанными транзисторами (р-n-p или n-p-n) не принципиальное и касается только полярности внешних источников питания и несущественных с физической точки зрения различий в значениях подвижности для дырок и электронов. Поэтому все последующее изложение принципа действия будет относиться к р-n-р-транзистору и без ущерба для понимания может быть перенесено на транзисторы n-р-n типа.

Рисунок 1 - Модели биполярных p-n-p- и n-p-n-транзисторов

Принципиальным условием для работы транзистора является большой коэффициент инжекции дырок через эмиттерный переход, т. е.



,(1)

где I_э - полный ток эмиттера, а I_рэ и I_nэ - соответственно дырочная и электронная составляющие.

Электронная составляющая тока эмиттера равна

.(2)

Приток электронов в базу со стороны коллектора связан с электронной составляющей обратного тока коллектора I_пк, который также мал и не зависит от напряжения на коллекторе. Электронная составляющая тока коллектора I_пк сильно зависит от температуры и ширины запрещенной зоны полупроводника. Результирующий электронный ток базы I_пб равен разности:

.(3)

Этот ток беспрепятственно вытекает через антизапорный контакт базы. Для неосновных носителей эмиттерный переход является инжектирующим, а коллекторный - антизапорным. Поэтому дырки, в отличие от электронов, могут беспрепятственно перемещаться вдоль базы. При г_р1 дырочный ток эмиттера I_рэ практически равен полному току эмиттера

Дырки, инжектированные в базу, образуют там положительный пространственный заряд, который может быть нейтрализован только за счет притока электронов через базовый контакт, так как со стороны эмиттера и коллектора обмен электронами практически отсутствует. Эта нейтрализация, так же как в p-n-переходе, осуществляется с максвелловским временем релаксации. В результате в базе образуется градиент концентрации дырок и электронов, которые смещаются в сторону коллектора. На этом пути некоторое число дырок рекомбинирует с электронами и до коллектора доходит только их часть, равная р_к = б_п p_э, где б_п <1 - коэффициент переноса. Эти дырки беспрепятственно проходят в коллектор, где они становятся основными носителями. Оставшиеся в базе электроны для восстановления электрической нейтральности могут выйти только через базовый контакт. В результате электронный ток базы, связанный с переносом дырок, будет равен разности между потоками электронов, вошедших в базу и вышедших из нее для установления электрической нейтральности. Другими словами, электронный ток базы равен разности между дырочными составляющими тока эмиттера I_рэ и тока коллектора I_рк

. (4)

Таким образом, по своей физической природе ток базы, связанный с переносом дырок, обусловлен рекомбинацией. Действительно, если бы дырки не рекомбинировали, т. е. з = 1, то I_рб = 0. При сильной рекомбинации з0 и I_рк0 и ток базы равен току эмиттера, как в p-n-диоде. Эти примеры соответствуют двум предельным случаям, когда ширина базы много меньше длины диффузии L_p и почти все дырки проходят в коллектор и когда l >>L_p, и все дырки рекомбинируют в базе, не доходя до коллектора. При l >>L_p между эмиттером и коллектором нет взаимодействия и структура на рис. 1 представляет собой не транзистор, а два изолированных p-n-перехода, включенных навстречу друг другу. Поэтому необходимым условием для переноса неосновных носителей через базу является требование l <<L_p.

Полный электронный ток базы согласно (2), (3) и (4) равен

,(5)



где б₀=б_n - коэффициент передачи на постоянном токе. Обычно з<г1, ток I_nк = const и мал, поэтому коэффициент передачи фактически равен коэффициенту переноса б₀з и, следовательно, полный ток базы в основном обусловлен рекомбинацией. Это обстоятельство является очень важным для понимания усилительных и частотных свойств транзисторов в различных схемах включения.

Полный ток коллектора равен:

.(6)

Очевидно, что сумма токов базы и коллектора, вытекающих из транзистора, должна быть равна втекающему току эмиттера. В этом легко убедиться, просуммировав выражения (5) и (6). Для переменных составляющих связь между токами принимает вид:

; ,

Где, согласно (6)

. (7)

Из (7) следует, что дифференциальный коэффициент передачи по переменному току б не равен коэффициенту передачи б₀ на постоянном токе. Это связано с тем, что г и з зависят от тока эмиттера. При очень малых токах эмиттера вклад рекомбинационного тока и поверхностных токов утечки в обедненной области эмиттерного перехода превышает полезный ток инжекции неосновных носителей. Поэтому коэффициент инжекции г при малых токах много меньше единицы и возрастает с током эмиттера примерно, как г~ I_э^1/2. В рабочем интервале токов б = гз =const. Когда ток эмиттера соответствует большому уровню инжекции, коэффициент инжекции и коэффициент переноса начинают убывать, г - за счет притока электронов к эмиттеру, а з - за счет уменьшения времени жизни при большом уровне инжекции. В результате при малых токах эмиттера б > б₀, так как > 0, далее бб₀=const (0) и при больших токах б < б₀ (<0). В рабочем интервале токов эмиттера, где , можно пренебречь вторым членом в (7) по сравнению с первым. Поэтому в дальнейшем будем считать, что коэффициенты передачи по переменному и постоянному току равны: б = б₀.



2. КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ ПО ТОКУ

Коэффициент усиления по току мощного транзистора существенно зависит от степени легирования эмиттера и базы и от плотности инжектированного тока. Он зависит также от конфигурации эмиттера (из-за эффекта оттеснения тока) и от вертикальной геометрии транзистора (из-за эффекта расширения базы).

Ток коллектора I_к как функция тока эмиттера I_э выражается следующим образом:

I_к = бI_э + I_к-б0 , (8)

где б --коэффициент усиления по постоянному току в схеме с общей базой; I_к-б0 (или I_ко)--ток утечки коллектора.

Предполагая, что ток утечки пренебрежимо мал, можно выразить б как

б = I_к / I_э (9)

или

б = г б_пМ, (10)

где б_п - коэффициент переноса через базу; г - эффективность эмиттера; М - коэффициент умножения при лавинном пробое коллекторного перехода. Для участков, достаточно удаленных от области пробоя коллектора,

б = гб_п. (11)

В схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по току (ток постоянный)



h_{п.р. э} = I_к / I_б, (12)

где I_б есть базовый ток транзистора. Поскольку I_э = I_к + I_б,

h_{п.р. э} = б /(1-б). (13)

В обоих случаях малосигнальный коэффициент усиления может быть получен дифференцированием уравнения (8) по I_э:

б _м.с. = б + I_э . (14)

Коэффициент усиления по току в режиме малого сигнала б _м.с. является суммой коэффициента усиления по постоянному току б и производной б по этому току. Соответственно малосигнальный коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером

h_1м = h_{п.р. э} / [1- I_б(dh_{п.р. э}/d I_к]. (15)

В первом приближении коэффициент усиления по току не зависит от эмиттерного тока. Более точная теория учитывает ряд эффектов, которые приводят к зависимости б от I_э: модуляцию проводимости базы (эффект Вебстера), расширение базы (эффект Кирка). Более того, б является функцией напряжения на коллекторе вследствие эффекта Эрли.

Когда транзистор работает в качестве ключа и находится во включенном состоянии, т.е. в режиме насыщения, коллектор смещается в прямом направлении. Такой обращенный транзистор характеризуется обратным коэффициентом усиления в схеме с общей базой б_обр и обратным коэффициентом усиления в схеме с общим эмиттером.



2.1 ЗАВИСИМОСТЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭМИТТЕРА ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСИ В НЕМ

Повышение степени легирования эмиттера приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны кремния, увеличению собственной эффективной концентрации и понижению времени жизни. Все эти эффекты в определенной степени способствуют снижению эффективности эмиттера.

Сужение запрещенной зоны

Плотность тока неосновных носителей J_р в эмиттере n-p-n транзистора складывается из диффузионной и дрейфовой составляющих:

J_p = eµ_ppE - eD_p , (16)

где поле

E = - ;(17)

µ и D_p - подвижность и коэффициент диффузии дырок соответственно; р - избыточная концентрация; N (x) - концентрация примеси в эмиттере, зависящая от координаты. В соответствии с соотношением Эйнштейна

D_p = kT/eµ. (18)

Из выражений (16) и (17) получим

J_p = eD_p [- ].(19)

При высокой степени легирования эмиттера эффективная собственная концентрация n_i связана с собственной концентрацией соотношением

n_i²_эф = n_i² exp [E_g /(kT)].(20)

Это изменение собственной концентрации из-за сужения запрещенной зоны приводит к возникновению дополнительной составляющей электрического поля в диффузионном эмиттере. Выражение для этой составляющей получено Мертеном:

E = - .(21)

Поле E действует в направлении, противоположном направлению поля, обусловленного градиентом концентрации примеси, так что суммарное поле в эмиттере

E = [- ].(22)

Выражение для электронного тока (19) при этом также видоизменится:

J_p = eD_p [].(23)

Таким образом, степень легирования эмиттера сильно влияет на распределение электрического поля в эмиттерной квазинейтральной области и способствует достижению неосновными носителями контакта к эмиттеру.

Влияние Оже-рекомбинации на эффективность эмиттера

На эффективность инжекции эмиттера влияет диффузионная длина неосновных носителей в эмиттере и, следовательно, время жизни носителей, которое в области низких концентраций диффузионного эмиттера определяется рекомбинацией Шокли--Рида--Холла (ШРХ). В сильно легированной эмиттерной области, согласно Шенгу, следует учитывать Оже-рекомбинацию. Поскольку время жизни, определяемое Оже-рекомбинацией ф₀, уменьшается как квадрат концентрации неосновных носителей, оно начнет превалировать над временем жизни, определяемым ШРХ-рекомбинацией ф_ШРХ, начиная с некоторой точки x₀, в которой

ф₀ = ф_ШРХ.(24)

Рисунок 2 - Действительный (кривая 1) и эффективный (кривая 2) профили: в области I превалирует рекомбинация Оже, в области II - рекомбинация ШРХ; заштрихованная область представляет собой активную область эмиттера

Эмиттерная область, таким образом, может быть разделена на две области, в одной из которых преобладает рекомбинация ШРХ, в другой -- Оже-рекомбинация -- см. рис. 2. Для оценки верхнего предела диффузионной длины L_p можно пренебречь наличием в эмиттере электрического поля и записать уравнение диффузии дырок в эмиттере в виде

d²p/dx² = p/(D_p ф₀).(25)



При гауссовском распределении примеси

N(x) = N₀ exp(--x²/L²), (26)

где L -- диффузионная длина атомов примеси; N₀ -- поверхностная концентрация. Подставляя это соотношение в (25), получим

,(27)

где L_пов -- диффузионная длина неосновных носителей для случая, когда концентрация примеси равна поверхностной концентрации. Решение (27) относительно р как функции расстояния от поверхности эмиттера приводит к выражению, из которого можно вычислить эффективную диффузионную длину L_p:

erf () = erf () - .(28)

Из выражения (28) следует, что при небольших изменениях хо (рис. 2) эффективная диффузионная длина L_p меняется очень медленно, следовательно, заштрихованная область на рисунке остается неизменной, что делает положение точки x0 более или менее независимым от точного значения величины ф_ШРХ. В работе показано, что вследствие Оже-рекомбинации только часть эффективного профиля (на рис. 2 заштрихованная область) является активным эмиттером. Для приборов с глубиной эмиттерного перехода от 10 до 14 мкм, x₀ = 10 мкм и L_p=2ч3 мкм, Оже-рекомбинацией пренебречь нельзя. Ею можно пренебречь, однако, при L_p >> x₀.

С другой стороны, в работе показано, что влияние сужения запрещенной зоны преобладает над Оже-процессом и что только Оже-рекомбинация сама по себе не может предсказать реальные измерения значения эффективностей инжекции.

Эффективность эмиттера в двухмерной модели

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В работе рассматривалась одномерная модель транзистора. На рис. 3 представлена двухмерная модель. База прибора создавалась диффузией с гауссовским распределением концентрации примеси в исходный однородный материал. Эмиттер изготавливался диффузией в окна маски и в центральной своей части имел распределение по закону дополнительной функции ошибок. Действительный и эффективный профили в эмиттере и базе резко различаются между собой. Вычисления показывают, что с увеличением степени легирования влияние периферийной части эмиттера на коэффициент усиления по току возрастает. Электроны, инжектированные в сильнолегированную базу на периферии эмиттера, смогут достичь базового контакта вследствие преобладающего влияния на встроенное электрическое поле эффектов сильного легирования (отношение n_iэф/n_i резко возрастает). Дырки, инжектированные в эмиттер в любой точке его периферийной области, могут достаточно легко достичь эмиттерного металлического контакта. Рекомбинация ШРХ возрастает с увеличением n_iэф по квадратичному закону. Таким образом, на периферии, где компенсация примеси наибольшая, ток утечки существенно возрастает. Параметры, характеризующие коэффициент усиления по току и приведенные на рис. 3, обозначают: в₁ -- отношение полного коллекторного тока к току рок, инжектированных в центральную область эмиттера; в_р -- отношение коллекторного тока к току дырок, инжектированных в эмиттер вдоль его периферии, в_n -- отношение коллекторного тока к электронному току, текущему из эмиттера в базовый контакт.

Относительная значимость влияния различных эффектов на эффективность эмиттера

В настоящее время не существует единого мнения относительно значимости влияния каждого из описанных эффектов.

На эффективность эмиттера, в первую очередь, влияет эффективная собственная концентрация n_iэф. Несмотря на то, что точность количественных результатов весьма сомнительна из-за многих приближений и предположений (справедливость соотношения Больцмана, выполнение условий квазинейтральности и квазиравновесия), качественные результаты Мока оказались правильными. Это подтвердило их сравнение с ранее опубликованными экспериментальными результатами. Расчет коэффициента усиления по току биполярного транзистора и его зависимости от уровня инжекции показывают, что одним из наиважнейших механизмов, ограничивающих значение этого параметра, является инжекция дырок в эмиттерную область в периферийной части эмиттера; эффективным стоком для этих дырок является эмиттерный контакт, а не рекомбинация в эмиттерном слое. Этот механизм вызывает падение тока, особенно при высоком уровне инжекции. При низких уровнях инжекции очень большую роль может играть рекомбинация в эмиттере вблизи поверхности полупроводника, даже если предположить, что средние значения времени жизни достаточно велики.

Оже-рекомбинация оказывает заметное влияние на коэффициент усиления по току только для очень мелких эмиттеров, когда она накладывается на эффект сужения зоны. Это утверждение находится в противоречии с результатами Шенга. Доминантными механизмами, приводящими к снижению эффективности эмиттера являются рекомбинация ШРХ и сужение зоны. Более того, при глубине эмиттера в 1 мкм и меньше превалирующим становится эффект сужения зоны. Для транзисторов с глубинами эмиттеров 4 мкм и более главным механизмом является рекомбинация ШРХ. Этот вывод подтверждается экспериментами Адлера, из которых следует, что для этих глубин эмиттера коэффициент усиления по току увеличивается с ростом уровня инжекции. Среди всех эффектов, рассмотренных в модели, только в процессе рекомбинации ШРХ эффективное время жизни увеличивается с ростом тока.

2.2 ПАДЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ПО ТОКУ ПРИ БОЛЬШИХ ПЛОТНОСТЯХ ТОКА

Коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером зависит от коллекторного тока I_к. При малых токах коэффициент усиления мал из-за наличия генерационно-рекомбинационного тока коэффициент усиления h_пр.э растет, достигая максимального значения h_пр.э0 благодаря тому, что диффузионная составляющая превосходит генерационно-рекомбинационную. Однако, достигнув максимума (рис. 4), при дальнейшем росте коллекторного тока коэффициент усиления падает.



Рисунок 4- Зависимость коэффициента усиления h_пр.э от коллекторного тока I_к при постоянном коллекторном напряжении

Уменьшение коэффициента усиления по току с ростом тока можно проанализировать, используя модель контролируемого заряда Гуммеля - Пуна. Коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером

h_пр.эф = б_пг/(1- б_пг), (29)

где эффективность эмиттера в схеме с заземленной базой

г = г_э/(1+ г_э). (30)

При анализе с помощью метода контролируемого заряда было показано, что

г_э = _nQ_э0 / (_pQ_б0), (31)

где Q_б0 и Q_э0 - равновесные основные электрические заряды ионизированных примесей в базе и эмиттере на единицу площади; _n и _p - средние коэффициенты диффузии электронов и дырок.

В результате инжекции эмиттером неосновных носителей заряд основных носителей в базе увеличивается из-за сохранения нейтральности базы. База также инжектирует в эмиттер неосновные носители, но, поскольку обычно эмиттер сильно легирован, увеличением заряда основных носителей в нем можно пренебречь.

Когда коллекторный ток превышает критическое значение и напряжение на коллекторе мало, ширина базы увеличивается за счет появления квазинейтральной области вблизи коллектора шириной

W_к-б = (1 - J₀''/J_к) W_n. (32)

Отсюда коэффициент усиления по току равен

h_пр.э = k_э /[( W_б + W_к-б)²J_к]. (33)

При J_к >> J₀'' база расширяется максимально:

W'_б = W_б + W_n; (34)

h_пр.э = k_э/ (W²_б J_к), (35)

отсюда следует, что в условиях расширения базы коэффициент усиления по току обратно пропорционален плотности коллекторного тока J_к. При выводе выражения (35) для h_пр.э предполагалось, что время жизни и коэффициенты диффузии в металлургической базе и приколлекторной области W_к-б одинаковы. При более точном анализе следует учитывать их различие.

В условиях оттеснения ток течет только по переферии эмиттера, в центральной части эмиттера тока практически нет. Если обозначить «эффективную» полуширину эмиттера через y₀, а периметр эмиттера - через P_э, среднюю плотность эмиттерного тока можно выразить как

J_к = I_к/S_э = I_к/ (P_эy₀).(36)

Эффективная полуширина эмиттера

y₀ = const W_б' _пр.э.(37)

Подставляя выражение (36) в (35), получим

h_пр.э = const (W_б'I_к)^-2,(38)

откуда следует, что коэффициент усиления по току в условиях оттеснения падает с ростом тока с наклоном, равным -2.

2.3 ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ПО ТОКУ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

В схеме с общим эмиттером эффективность эмиттера транзистора выражается так

г_э = (39)

Коэффициент переноса в схеме с общей базой

б_n = [cosh (W_б /L_n]^-1.(40)

С увеличением температуры h_пр.э заметно увеличивается, главным образом, из-за улучшения эффективности эмиттера. Из выражения (39) следует, что г_э экспоненциально зависит от температуры -- эта зависимость определяется присутствием в формуле (39) члена , который учитывает сужение зоны в сильнолегированных эмиттерах. Для умеренно и слаболегированных эмиттеров (концентрация ниже 510¹⁹ см^-3) величина очень мала и так же пренебрежимо мало влияние температуры на значение коэффициента усиления. При уровнях легирования выше 10¹⁹ см^-3 подвижность дырок в эмиттере практически не меняется с ростом температуры. Из соотношения Эйнштейна тогда следует, что коэффициент диффузии должен при увеличении температуры расти. Время жизни дырок в эмиттере также увеличивается при росте температуры, следовательно, диффузионная длина дырок в эмиттере L_p = при увеличении температуры растет и этот рост совместно с влиянием члена приводит к росту коэффициента усиления транзистора.

Концентрация примеси в базе транзистора всегда гораздо ниже 10¹⁹см^-3, при этом коэффициент диффузии электронов обратно пропорционален температуре. Но поскольку время жизни электронов при увеличении температуры растет и этот рост доминирует над уменьшением D_n, диффузионная длина электронов в базе L_п увеличивается и коэффициент переноса в также увеличивается при увеличении температуры. Все описанные эффекты резко усиливаются при сужении запрещенной зоны.

Из рис. 5. следует, что коэффициент усиления транзистора в схеме с общим эмиттером при повышенной температуре начиная с некоторой точки становится ниже, чем низкотемпературный коэффициент усиления. Это может свидетельствовать о резком спаде с ростом температуры коэффициента диффузии электронов в расширенной базе из-за рассеяния носителей на носителях. Зависимость коэффициента усиления по току от изменения температуры способствует образованию горячих точек и изменению энергетической границы появления вторичного пробоя. Таким образом, желательно уменьшить температурную зависимость коэффициента усиления, например, ослаблением легирования базы транзистора и ограничением поверхностной концентрации примеси (фосфора) в эмиттере значением 710¹⁹ см^-3.

3. МЕТОДЫ УВЕЛИЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ПО ТОКУ

3.1 КОНФИГУРАЦИЯ ЭМИТТЕРА

Эффективная полуширина эмиттерной полосы пропорциональна ширине эффективной базы и квадратному корню из коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером. Изготовление эмиттерных полос шириной, существенно большей, чем удвоенная эффективная полуширина, не улучшает качества прибора, а в действительности даже ухудшает его за счет увеличения переходной емкости эмиттера. Более того, это увеличивает стоимость прибора из-за неполного использования площади кремниевой пластины. Правильное использование площади кремниевой пластины, малые плотности тока и хорошее усиление по току могут быть обеспечены конструированием эмиттера в виде узких и очень длинных полос. Эта совокупность признаков достигается, например, в так называемой гребенчатой структуре (рис. 6), где все эмиттерные участки выведены под один общий контакт с одной стороны и базовые -- с другой. Существует множество вариантов взаимного расположения базовых и эмиттерных участков относительно друг друга, дающих некоторые преимущества, например легкость подключения балластного сопротивления эмиттера. Во всех этих конструкциях отношение периметра эмиттера к его площади и периметра эмиттера к площади базы должно быть максимально большим. В высокочастотных транзисторах большой коэффициент усиления получить гораздо труднее, чем в низкочастотных приборах, так как необходимо обеспечить очень высокую степень разветвленности базовых и эмиттерных участков. Обычно в ВЧ-транзисторах используется так называемая оверлей-геометрия, представляющая собой множество ячеек, содержащих эмиттеры малой площади, окруженные базовыми контактами. Все они соединяются между собой с помощью слоя металлизации, выполненной по диоксиду кремния, используемому в качестве изолятора между эмиттером и базой.

3.2 ЭМИТТЕРЫ С НИЗКОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ПРИМЕСИ (НКЭ-ТРАН- ЗИСТОР)

3.2.1 Транзистор со слаболегированным эмиттером (ТСЭ- транзистор)

Яги с сотрудниками предложил увеличить эффективность эмиттера за счет исполнения его в виде комбинации двух слоев (рис. 7) сильнолегированной верхней n⁺-области и слаболегированного эпитаксиального n^--слоя. Этот тип эмиттеров сокращенно был назван слаболегированным эмиттером (СЭ). Степень легирования р-базы при этом может быть на порядок выше, чем n^--области. Несмотря на наличие слаболегированного слоя, эффективность эмиттера высока вследствие того, что неосновные носители, инжектируемые из базы в n^--эмиттер, не могут достичь металлического контакта к эмиттеру из-за отражения энергетическим барьером n⁺-n-перехода.

Рисунок 7 - Профиль распределения примесей в транзисторе со слаболегированным эмиттером

Транзисторы, изготовленные в соответствии с рис. 7, действительно имеют высокие коэффициенты усиления по току. Де-Грааф и Слотбум указывали, что базовый ток в НКЭ- транзисторе, так же как и в транзисторе с двойной диффузией, при среднем и высоком уровне плотности тока определяется, главным образом, рекомбинацией в n⁺-области и что главное преимущество НКЭ-транзистора заключается в малой скорости рекомбинации в запирающем слое на границе эмиттер -- база.

3.2.2 Транзистор с пониженной концентрацией фосфора в эмиттере (ПКФ-транзистор)

Занимаясь проверкой предположения о снижении эффективности эмиттеров при сильном их легировании, Мартинелли и Джеттер исследовали мощный n-p-n-транзистор с поверхностной концентрацией фосфора в диффузионном эмиттере (5ч7)10¹⁹ см^-3. По сравнению с эмиттерами, имеющими поверхностную концентрацию фосфора 510²⁰ см^-3, в эмиттере с меньшей концентрацией примеси имели место более высокое время жизни и незначительное сужение зоны. Заряд равновесных основных носителей на единицу площади в эмиттере с высокой концентрацией фосфора составляет примерно 310¹⁷ см^-2, а в эмиттере с пониженной концентрацией фосфора -- 310¹⁶ см^-3.

Сравнение обеих модификаций эмиттеров транзистора показало, что при температуре от 25 до 150 °С в широком диапазоне коллекторных токов ПКФ-транзистор является прибором более высокого качества. Так, при I_к = 10А коэффициент усиления по току ПКФ-транзистора был в 1,5 раза больше, чем коэффициент усиления транзистора с высоколегированным эмиттером.

3.2.3 Транзистор с эмиттером, легированным мышьяком (ЭЛМ-транзистор)

Вместо обычно применяемого для изготовления эмиттеров фосфора можно использовать мышьяк. Это дает возможность получить более резкие переходы эмиттер -- база и исключить так называемый эффект вытеснения, имеющий место при диффузии фосфора и особенно неприятный в ВЧ- транзисторах с очень узкими базами. С помощью мышьяка удалось получить эмиттеры с высокой эффективностью, увеличивающейся с ростом поверхностной концентрации до 1,510²⁰ см ^-3. В работе было показано, что значение коэффициента усиления ЭЛМ-транзистора ограничивается не коэффициентом инжекции, а коэффициентом переноса. Такие же результаты получились при использовании в качестве источника диффузии смеси из трех частей мышьяка и одной части фосфора. При увеличении концентрации мышьяка в этой смеси эффективность эмиттера возрастает. Эффективность эмиттера, легированного мышьяком, в значительной степени зависит от способа изготовления транзистора. Фэйр указывает, что при изготовлении легированной бором базы и легированного мышьяком эмиттера методом последовательной диффузии из химических источников имеют место факторы, тормозящие диффузию бора. Эти факторы включают в себя наличие внутренних полей, спаривание ионов, перенасыщение вакансий. Влияние их оказывается несущественным при изготовлении мелких р-n-переходов с помощью ионной имплантации бора и мышьяка перед диффузионной разгонкой. В этом случае взаимодействие между двумя диффузионными процессами отсутствует.

Экспериментальные данные Фэйра хорошо согласуются с результатами его вычислений, основанных на учете различия эффективной ширины запрещенной зоны E_g эмиттера и базы. Это различие пренебрежимо мало до тех пор, пока эффективная концентрация примеси эмиттера не достигнет предельного значения, соответствующего поверхностной концентрации N_п.э= 1,510²⁰ см^-3. В области значений, превышающих максимальную концентрацию эмиттера, различие в E_g (E_g) становится существенным и эффективная концентрация эмиттера начинает падать с увеличением концентрации.

Для имплантированно-диффузионных эмиттеров при отсутствии примесного взаимодействия величина г_э с ростом N_п..э увеличивается гораздо медленнее -- примерно на ^l/5 от скорости увеличения концентрации N_п..э при двойной диффузии. Ионная имплантация, следовательно, является превосходным методом управления значением коэффициента усиления при производстве транзисторов. Поскольку в эмиттерах, легированных мышьяком, сужение зоны не наблюдается вплоть до значений поверхностных концентраций N_п.э < 1,510²⁰ см^-3, можно ожидать, что коэффициенты усиления по току таких транзисторов будут иметь пренебрежимо малую температурную чувствительность.

3.2.4 Транзистор с гетеропереходом в эмиттере

Гетеропереход образуется при контакте двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Переходы, сформированные в одном и том же полупроводниковом материале, называются гомопереходами. Наиболее изученным представляется гетеропереход в системе германий -- арсенид галлия (Ge--GaAs), поскольку постоянные решетки этих полупроводников весьма близки --0,5657 нм для Ge и 0,5653 нм -- GaAs. Хорошее совпадение решеточных констант препятствует образованию поверхностных состояний на границе раздела. В свою очередь, ширина запрещенной зоны E_g для Ge (около 0,8 эВ) и для GaAs (1,43 эВ) резко различаются (значения E_g даны для температуры 300 К).

Два полупроводника могут сформировать четыре типа гетеропереходов: n-Ge--n-GaAs, n-Ge--р-GaAs, р-Ge--р-GaAs, p-Ge--n-GaAs, Энергетическая диаграмма контакта p-Ge--n-GaAs представлена на рис. 8. Подобный же вид, естественно, будут иметь диаграммы и для гетеропереходов, образованных другими материалами.

На границе раздела двух полупроводников имеет место изгиб зон вследствие истощения зарядов при одинаковом положении уровня Ферми. Полное встроенное напряжение U_p-n на гетеропереходе складывается из встроенных потенциалов по одну и другую стороны перехода (см. рис. 8):



U_i = U_i1 + U_i2.(41)

Рисунок 8 - Зонная диаграмма гетероперехода

Очевидно, что потенциальный барьер для электронов, текущих из широкозонного в узкозонный материал, гораздо ниже, чем для дырок, текущих в противоположном направлении: высота барьера для электронов равна E_c, а для дырок -- E_v+e (U_i1 + U_i2). Следовательно, протекающий ток почти полностью будет током электронов из GaAs в Ge. Дырочная составляющая тока, определяемая инжекцией дырок из узкозонного в широкозонный материал, пренебрежимо мала, так что коэффициент инжекции такого р--n-перехода практически равен единице и остается очень высоким даже при сильном легировании германиевой p-области. Использование такой n--р-структуры в качестве эмиттера дает возможность изготовить сильнолегированные базы без ухудшения коэффициента инжекции и тем самым в значительной степени предотвратить оттеснение базового тока, что улучшает характеристики вторичного пробоя и повышает максимальную рабочую частоту транзистора. До недавнего времени очень трудно было получить высококачественные широкозонные эмиттеры, главным образом, из-за высокой скорости рекомбинации на границе раздела. Оучи предложил для изготовления n-эмиттера использовать полуизолирующий поликристаллический кремний (сипос), сильно легированный фосфором. Слой сипос (толщиной от 10 нм до 1 мкм) покрывали поликристаллической кремниевой пленкой толщиной 0,3--0,5 мкм, металлизированной алюминием. Легированный кислородом поликристаллический кремний (сипос) имеет ширину запрещенной зоны 1,5 эВ, гораздо большую, чем монокристаллический кремний, используемый для изготовления p-базы.

Однако в настоящее время сипос-кремниевые транзисторы находятся на начальной стадии разработки и требуются дальнейшие их исследования для преодоления определенных ограничений.

3.3 МОНОЛИТНЫЙ МОЩНЫЙ ТРАНЗИСТОР ДАРЛИНГТОНА

Мощные транзисторы имеют, как правило, низкое значение коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером (h_nр.э<<10) при высоких плотностях токов вследствие влияния расширения базы. Пара Дарлингтона (рис. 9), исключая этот недостаток, дает огромное увеличение h_nр.э, но не без ухудшения других параметров: увеличивается напряжение насыщения, уменьшается скорость переключения. Прибор, изображенный на рис. 9, выполнен на одной кремниевой пластинке, что оказывается дешевле, чем изготовление двух отдельных транзисторов. Конечно, можно использовать для соединения по схеме Дарлингтона несколько приборов, но это ограничивается общей величиной напряжения насыщения.

На рис. 10 изображена типичная зависимость коэффициента усиления по току (ток постоянный) от коллекторного тока для для монолитной (выполненной на одной пластинке) пары Дарлингтона при двух температурах: 150 °С -- кривая 1 и 25 °С -- кривая 2. Из-за очень высоких значений коэффициента усиления (1000 и более) при больших токах эти приборы могут непосредственно управляться интегральной схемой без дополнительных источников управления. Транзисторы Дарлингтона применяются в качестве ключей и усилителей звуковой частоты.

Если коэффициенты усиления запускающего и выходного транзистора в паре Дарлингтона соответственно обозначить через h_nр.э1 и h_nр.э2, то общий коэффициент усиления

h_{nр.э =} h_nр.э1 + h_nр.э2 (h_nр.э1 +1).(42)

Полный коллеторный ток равен сумме двух коллекторных токов:

I_k = I_k1 + I_k2,(43)

и общее напряжение коллектор - эмиттер

U_к-э2 = U_к-э1 + U_б-э2.(44)

Рисунок 10 - Зависимость коэффициента усиления по току h_nр.э от коллекторного тока I_к для пары Дарлингтона (U_к-э=5 В)



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Биполярные мощные транзисторы нашли широкое применение и качестве усилителей низкой и высокой частот, генераторов, мощных переключающих устройств. Они нужны в самых разнообразных схемах: усилителей звуковой частоты, зажигания автомобилей, горизонтальной развертки телевизоров, мощных источников питания.

Главным и характеристиками мощного транзистора являются напряжение, ток, преобразуемая мощность. Мощные транзисторы должны обладать способностью рассеивать большую мощность без каких-либо изменений структуры. Структура мощных транзисторов отличается от структуры простейших, малосигнальных n--р--n- или р--п--р-приборов, поскольку мощные транзисторы пропускают через себя большой коллекторный ток н выдерживают на коллекторе большие напряжения.

В то же время электрические модели мощных транзисторов целиком основываются на моделях, развитых для маломощных приборов, которые с большой точностью применимы в одномерном случае. Точная модель мощного транзистора, учитывающая трехмерные эффекты, еще разрабатывается.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

транзистор эмиттер монолитный

[1] Блихер, А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов / А.Блихер. - Л. : Энергоатомиздат, 1986.

[2] Колосницын, Б. С. Мощные и СВЧ полупроводниковые приборы / Б. С. Колосницын. - Минск : БГУИР, 2008.

[3] Ржевкин, К. С. Физические принципы действия полупроводниковых приборов / К. С. Ржевкин. - М. : МГУ, 1986.



ПРИЛОЖЕНИЕ А

(обязательное)

Размещено на Allbest.ru