Влияние высокого уровня легирования эмиттера на его эффективность

Для обеспечения высокой эффективности эмиттера последний легируют значительно сильнее, чем область базы. Однако при превышении уровня легирования эмиттера некоторого значения коэффициент усиления не увеличивается, а уменьшается. Это обусловлено двумя эффектами: сужением ширины запрещённой зоны эмиттера и значительным увеличением темпа рекомбинации Оже, которые приводят к увеличению тока обратной инжекции из базы в эмиттер.

При концентрации примеси в эмиттере более 10¹⁸ см^–3 среднее расстояние между атомами примеси становится меньше 10^–6 см, что сравнимо с длиной волновой функции электрона. Перекрытие волновых функций приводит к расщеплению примесных уровней в примесные подзоны и увеличению плотности разрешённых состояний в запрещённой зоне, что эквивалентно сужению ширины запрещённой зоны (рисунок 7.9).

В расчётах эффективности эмиттера используют эмпирические соотношения для величины сужения ширины запрещённой зоны в кремнии

(эВ),

или                                                                                                                          (7.19)

(эВ).

E                                                                     Сужение ширины запрещённой зоны

                                                    E_C       приводит к увеличению собственной

                     DE_g                                 концентрации носителей заряда

                    E_V^’            DE_g0             

E_A                                       DE_E            E_V         .                        (7.20)                        

                                                                      При уровне легирования эмиттера

                                                                N_E = 5∙10¹⁹ см^-3 выражение (7.19) даёт

                                                                величину  D Е_Е   ≈ 0,11эВ. Это означает,

                                                                  что концентрация   при

                                                     N_V  Т = 300К, а следовательно, концентра-

                                                                 ция неосновных носителей заряда в

Рисунок 7.9 - Сужение ширины запре-       эмиттере и ток обратной инжекции

щённой зоны p⁺- эмиттера и увеличе-         увеличивается также на полтора порядка.     

ние плотности состояний                                   

 

.

Увеличение тока обратной инжекции с ростом уровня легирования за счёт сужения ширины запрещённой зоны эмиттера приводит к экстремальной зависимости B_γ (N_E) (рисунок 7.10).

Поэтому для обеспечения максимального значения коэффициента усиления кремниевых транзисторов необходимо оптимальное легирование эмиттера.

Дополнительное снижение эффективности эмиттера при высокой концентрации основных носителей заряда связано с уменьшением времени жизни за счёт прямозонной рекомбинации Оже (рисунок 7.11).

В _γ                                             τ_Е

                                                                                                      τ_А

                                          

 

 ~ N_E                          D E_E (N_E)

 

 

                                                                        τ_SE

 

             N_E.опт.              N_E                                                                            N_E

Рисунок 7.10 - Зависимость эффективности         Рисунок 7.11 - Уменьшение времени жизни

    эмиттера от уровня легирования                 носителей заряда в эмиттере с ростом

                                                                                        уровня легирования

 

,

где  – время жизни, определяемое рекомбинацией через ловушки;

   – время жизни, определяемое рекомбинацией Оже.

Так как эффективность (7.16) уменьшается со снижением времени жизни в эмиттере, то высокий уровень легирования приводит к уменьшению коэффициента усиления транзистора. Следует отметить, что для кремниевых транзисторов эффект сужения ширины запрещённой зоны эмиттера играет более важную роль, чем рекомбинация Оже.