Конструктивно-технологические приёмы повышения параметров биполярного транзистора

1. Для получения как можно более близкого к единице коэффициента инжекции, концентрация примесей в эмиттере должна быть больше, чем в базе. Этим обеспечивается преимущественная инжекция носителей из эмиттера в базу. Так уменьшается вклад компоненты тока эмиттера, обусловленной инжекцией носителей из базы в эмиттер, которая не участвует в управлении током коллектора. В идеале желательно иметь одностороннюю инжекцию из эмиттера в базу.

Зависимость коэффициента инжекции от концентрации примеси в эмиттере имеет максимум. Это связано с тем, что с ростом концентрации примеси происходит увеличение скорости Оже-рекомбинации в эмиттере. За счёт этого происходит уменьшение диффузионной длины электронов в эмиттере и, следовательно, увеличение инжекции из базы в эмиттер. С ростом концентрации примеси уменьшается ширина запрещенной зоны в эмиттере. Поскольку в дрейфовом транзисторе концентрация примеси растёт в направлении от базы к поверхности эмиттера, в эмиттере возникает варизонная структура [Тугов, с. 39]. Ширина запрещённой зоны в эмиттере плавно уменьшается при приближении к поверхности эмиттера. Наличие варизонной структуры в эмиттере вызывает уменьшение коэффициента инжекции.

Чрезмерное уменьшение концентрации примеси в базе нежелательно. При этом увеличивается сопротивление активной базы току базы. Это ухудшает частотные свойства транзистора. Кроме этого, при низком уровне легирования базы напряжение коллектор-эмиттер может быть ограничено проколом базы.

2. Транзистор конструируется с площадью коллектора большей площади эмиттера. Для дискретного транзистора в 1,5 – 3 раза, для интегрального транзистора в 15 – 20 раз. Это делается для того, чтобы уловить коллектором как можно больше носителей, которые диффундируют в пассивной базе в направлении вывода базы. Между эмиттером и пассивной базой имеется градиент концентрации инжектированных носителей. Поэтому носители перемещаются в направлении параллельном коллекторному переходу. Большая площадь коллектора позволяет улавливать основную часть этих носителей.

3. Для повышения коэффициента передачи необходимо, чтобы ширина базы была намного меньше диффузионной длины инжектированных носителей. Это обеспечит близкий к единице коэффициент переноса носителей через базу. Однако, чем меньше ширина базы, тем при меньшем напряжении коллектор-эмиттер происходит прокол базы.

4. Поверхность кристалла подвергается химической полировке, при этом удаляется часть поверхностных дефектов. Это уменьшает скорость рекомбинации на поверхности пассивной области базы. При этом увеличивается вероятность попадания носителя в коллекторный переход при движении в базе после взаимодействия его с поверхностью пассивной базы.

5. Удаление выводов базы от активной области позволяет уменьшить рекомбинацию на выводах базы. Чем больший путь должен пройти носитель, чтобы достичь вывода базы, тем больше вероятность перехвата его коллектором.

6. Глубина залегания эмиттерного перехода должна быть 10 – 20 раз меньше ширины эмиттерного перехода, чтобы обеспечить преимущественную инжекцию из эмиттера в активную часть базы, а не в пассивную, через боковую поверхность эмиттера. Однако она не может быть меньше 50 нм, иначе невозможно создать надёжный контакт с металлизацией. Кроме этого необходимо обеспечивать заданное обратное напряжение эмиттерного перехода. Обратное напряжение возникает при работе транзистора в генераторных и ключевых схемах. Оно будет определяться сферической частью эмиттерного перехода и пробоем по поверхности, так как поверхностная концентрация примесей базы существенно больше, чем донная. Чем меньше радиус сферической части эмиттера, тем меньше напряжение пробоя. Радиус примерно равен глубине залегания эмиттера. Обычно допустимое обратное напряжение на эмиттерном переходе не превышает 5 В.

7. При технологии двойной диффузии распределение концентрации носителей в активной базе имеет максимум. За счёт этого у эмиттерного конца базы возникает тормозящее поле для носителей, инжектированых из эмиттера, а у коллекторного – ускоряющее. В большей части базы поле является ускоряющим. Наряду с диффузией появляется дрейф инжектированных носителей в направлении коллектора. Это уменьшает время движения их в базе. Тем самым улучшаются частотные свойства транзистора. Подавляющее большинство выпускаемых транзисторов являются дрейфовыми.

8. Для уменьшения эффекта вытеснения тока к краю эмиттера, что приводит к уменьшению коэффициентов передачи тока эмиттера и базы, увеличивают периметр эмиттера. Для этого эмиттер и базу делают либо гребенчатыми или выполняют в виде отдельных ячеек.

9. В перспективных разработках переход база эмиттер выполняется в виде гетероперехода. Эмиттер изготавливают широкозонным, а базу узкозонной. Это позволяет обеспечить практически одностороннюю инжекцию из эмиттера в базу. В такой гетероструктуре потенциальный барьер для инжектируемых носителей из эмиттера меньше, чем для носителей, которые инжектируются из базы в эмиттер. При этом появляется возможность более сильно легировать базу для уменьшения сопротивления базовому току, что повышает предельную частоту транзистора. База может быть легирована даже в большей степени, чем эмиттер.

10. Для повышения быстродействия транзистора используют материал с большей подвижностью. Так подвижность электронов в арсениде галлия примерно в три раза больше, чем у кремния. Алмаз имеет ещё большую подвижность носителей. Обычно при улучшении частотных свойств, уменьшается коэффициент передачи тока. В перспективе для улучшения частотных свойств без снижения усилительных, возможно одновременное применение широкозонного эмиттера и варизонной базы. Плавное уменьшение ширины запрещенной зоны в базе по направлению к коллектору приводит к появлению электрического поля, ускоряющего инжектированные носители к коллектору.

11. Для увеличения температурного диапазона работы транзистора его изготавливают из материала с большей, чем у кремния шириной запрещённой зоны. Например, транзистор на основе гетероструктуры GaP-AlGaP работает в температурном диапазоне от –195 до +550 ^оС. Алмазные транзисторы имеют ещё больший верхний предел по температуре.