double arrow

Зависимость коэффициента передачи тока от режима работы

7.4.1. Эффекты малых и больших уровней инжекции в базе транзистора

 

   B                                                                  В общем случае коэффициент передачи то-     

                                                                ка базы биполярного транзистора имеет эк-

                                                                            стремальную зависимость от тока коллек-

                                CУИ                                 тора (рисунок 7.12).Такой вид зависимости

           МУИ                           БУИ            определяется увеличением эффективности

                                                                на малых уровнях инжекции, связанным со

                                                                снижением вклада тока рекомбинации в 

                                                                  ОПЗ и на поверхности эмиттерного p-n пе-

                                                                рехода в полном токе эмиттера, при увеличении прямого смещения или тока эмит-

                                                     lg IC тера. Снижение коэффициента усиления   определяется эффектами больших уров-

Рисунок 7.12 - Зависимость коэффициента      ней инжекции:

                  усиления В от тока коллектора

 

  • уменьшением эффективности из-за более сильной потенциальной зависимости тока обратной инжекции;
  • двумерный эффект «оттеснения» эмиттерного тока к периферии эмиттера;
  • эффект расширения квазинейтральной базы (эффект Кирка) и снижение коэффициента инжекции и переноса;
  • боковая инжекция и увеличение компонента тока базы, обусловленного рекомбинацией на квазинейтральной поверхности и омическом контакте базы;

· эффект квазинасыщения коллектора при малых напряжениях источника питания.

Малые уровни инжекции

На малых уровнях инжекции значительный вклад в ток эмиттера вносят процессы рекомбинации в ОПЗ и на поверхности эмиттерного p-n перехода. Поэтому эффективность эмиттера значительно ниже идеального значения, определяемого диффузионными токами:

.                                       (7.21)

При UE > 6 jT, и m = 2 (5.40, 5.43, 5.73),

.                                 (7.22)

Решив квадратное уравнение относительно  и подставив его значение в (7.21), получим

,                                                              (7.23)

где    .

В реальном транзисторе эффективность монотонно возрастает при увеличении тока эмиттера с асимптотой γ 0 (рисунок 7.13,а). При токе IE = 8 I 0,   γ = 0,5 γ 0 (7.23). Таким образом, характеристический ток I 0 (8 I 0) определяет минимальное значение тока эмиттера, при котором усиление тока базы начинает превышать единицу, и следовательно, характеризует режим микротоков входных каскадов усилителей.

                                                                           ln ID ln Iрек

1,0                                                                                                                         m=1 

                                                                  ln 8I0

 

0,5                                                                                                                   m=2

                                                              ln(B+C)

 

                                           IE                                                                       UE

  8I0                                                                                   UE*

 

                 а)                                         lnID0E                    б)

Рисунок 7.13 - Зависимость эффективности от тока эмиттера (а), и тока эмиттера

 от напряжения в полулогарифмическом масштабе (б)

Из анализа (7.23) следует, что для повышения усилительных свойств транзистора в микрорежиме необходимо увеличивать время жизни носителей заряда, т.е. уменьшать концентрацию рекомбинационных центров в объёме и на поверхности эмиттерного p-n перехода, и, следовательно, использовать операции геттерирования БДП и подавления дефектов упаковки, индуцируемых окислением. С точки зрения конструкции необходимо использовать структуру с малой площадью эмиттера с круговой либо квадратной топологией эмиттера, обеспечивающей минимальное отношение периметра к площади .

При увеличении тока эмиттера до значений   IE > 102I 0 (UE > UE*, рисунок 7.13,б) вклад Iрек в ток эмиттера уменьшается из-за более слабой потенциальной зависимости (m =2), и эффективность стремится к асимптоте γ 0.

Второй причиной увеличения коэффициента передачи тока является увеличение дрейфовой компоненты тока эмиттера наряду с диффузионной при пролёте базы, которая моделируется введением эффективного коэффициента диффузии в базе (5.59):

.

Учёт диффузионного поля в базе с помощью DB.eff приводит к увеличению коэффициентов переноса (7.15) и инжекции (7.16).

Большие уровни инжекции

На БУИ ток обратной инжекции из базы в эмиттер изменяется по более сильному потенциальному закону, чем ток прямой инжекции (5.69). В результате эффективность эмиттера уменьшается с ростом тока (5.72, рисунок 5.40). В схеме с общим эмиттером

                                         ,

где ;

    – уровень инжекции;

    Bγ 0 – определяется выражением (7.18).

Критическая плотность тока коллектора, при которой эффективность эмиттера в схеме ОЭ подает в два раза (Ζ =1), определяется уровнем легирования базы и её толщиной WВ:

                  .                                                                                (7.24)

Уменьшение эффективности эмиттера усиливается двумерным эффектом оттеснения эмиттерного тока к периферии эмиттера.

 Плотность эмиттерного тока выше на краях полоски эмиттера, чем в центре из-за поперечного падения напряжения на сопротивлении активной базы () (рисунок 7.14). Потенциал края эмиттера относительно базы . В центре полоски эмиттера переход смещен до меньшей величины , где . Поэтому , и при некотором значении тока эмиттера: , основная часть тока протекает по периферии, а не всей площади эмиттера. Очевидно, что эффекты БУИ будут проявляться при меньших значениях интегрального тока в структурах с большей неоднородностью плотности тока эмиттера (большим сопротивлением активной базы ).

 

Рисунок 7.14 - Структура транзистора (а), распределение плотности тока

 и потенциала эмиттера (б)

 

Для полосковой конфигурации эмиттера (рисунок 7.14,а) с двухсторонним базовым контактом

                           ,                                                                  (7.25)                                                                                               

где ,   – длина и ширина эмиттера;

    – толщина активной области базы;

 – удельное сопротивление активной базы.

Для уменьшения эффекта «оттеснения» эмиттерного тока необходимо использовать конструкцию транзистора с полосковой топологией эмиттера с малой шириной , большим периметром () и малым удельным сопротивлением активной базы (транзистор с эмиттерным гетеропереходом) (7.25). По этой причине все дискретные транзисторы средней и большой мощности имеют полосковую топологию эмиттера. Увеличение отношения периметра к площади эмиттера позволяет расширить на порядок диапазон по току коллектора в усилительном режиме (рисунок 7.15).

 Можно показать, что для обеспечения квазиравномерной плотности тока эмиттера () ширина эмиттерной полосы должна быть меньше определённого значения . Ширина полоски эмиттера у СВЧ транзисторов составляет единицы микрометра.

 

Рисунок 7.15 - Полосковая топология эмиттера (а), зависимость коэфициента усиления

от тока коллектора для различных параметров эмиттера (б)

 

Эффект Кирка или расширение квазинейтральной базы обусловлен влиянием динамического заряда подвижных носителей на конфигурацию объемного заряда и распределение по координате поля в коллекторном переходе. При протекании тока коллектора динамический (подвижный) заряд носителей увеличивает объемную плотность заряда в ОПЗ со стороны базы, тем самым уменьшая её толщину, что приводит к увеличению квазинейтральной базы. Плотность заряда в ОПЗ со стороны коллектора уменьшается, и ОПЗ расширяется (рисунок 7.16)  – динамический заряд; V – скорость дрейфа дырок в ОПЗ коллектора.

При постоянном напряжении коллекторного перехода положительный заряд ОПЗ со стороны базы должен быть равен отрицательному заряду со стороны коллектора. 

 

Рисунок 7.16 - Изменение толщины квазинейтральной базы (а) и конфигурации объемного разряда в ОПЗ коллекторного перехода при увеличении тока коллектора (б)

 

 


                          .

Из этого равенства следует, что с увеличением динамического заряда или плотности тока толщина базы увеличивается (  уменьшается) .   

В n-p-n транзисторе подвижный динамический заряд определяется электронами, . Но и в этом случае плотность заряда ОПЗ в базе будет увеличиваться, так как заряд ионов примеси базы в этом случае отрицательный, и толщина этой области будет уменьшаться с ростом тока коллектора, что приводит к расширению квазинейтральной базы.

Для транзисторов с высокоомной базой (сплавные, эпитаксиальные) со структурой n+-p-n+  или   p+-n-p+ блокирующее коллекторное напряжение ОПЗ расположено в базе, толщина которой определяется концентрацией ионов в базе (5.27),                      

                                 .

Физическая толщина базы   в отсутствии тока коллектора определяется как 

                                  ,                                               (7.26)

где WBj – металлургическая толщина базы.

Уменьшение толщины физической базы при увеличении обратного смещения коллектора (7.26) носит название эффекта Эрли.

При протекании тока коллектора плотность заряда в ОПЗ увеличивается. При некоторой критической плотности тока – тока Кирка – концентрация заряда в ОПЗ удва-ивается. Для n+-p-n+ транзистора

                 .

Для произвольных значений тока коллектора , и толщина ОПЗ

                              .

Приращение толщины квазинейтральной может быть представлено в виде:                                                                                                     

                                   .                                   (7.27)

Большинство усилительных и импульсных транзисторов, в том числе высоковольтные транзисторы имеют структуру типа n+-p-n-n+, минимальная толщина  высоковольтного слоя коллектора определяется требуемой величиной максимального рабочего напряжения, . Как и в диодных структурах p+-n-n +, малая толщина высокоомного коллектора обеспечивает малые омическое сопротивление и ёмкость коллектора, а следовательно, малые потери мощности и высокое быстродействие в импульсном режиме и работе на переменном сигнале. Изменение конфигурации распределения элект-рического поля в ОПЗ коллекторного p-n перехода при протекании тока определяется решением уравнения Пуассона с учётом динамического заряда,

                                 .                                             (7.28)

Проинтегрировав (7.28), получим:

                                     .                                             (7.29)

Напряжённость поля в n- слое изменяется по линейному закону, как в n- базе обратно смещённого p-n перехода (5.8). Однако наклон уже зависит не только от уровня легирования , но и плотности тока коллектора (рисунок 7.17). До некоторой плотности тока коллектора   поле распределено аналогично обратносмещённому p-n переходу. При этом наклон в p- базе увеличивается (плотность заряда в ОПЗ базы увеличивается), а в n- коллекторе уменьшается (7.28). При плотности тока, которое носит название тока Кирка,

                                 ,                                                                      (7.30) 

поле в ОПЗ коллектора становится однородным (кривая 3), поскольку динамический заряд электронов полностью компенсирует заряд доноров.

При дальнейшем увеличении тока коллектора наклон  меняет знак. При плотности тока  расширяется до металлургической толщины . Напряжённость поля в плоскости перехода становится равной нулю, а напряжение коллектора блокируется избыточным электронным зарядом в n- слое и положительным зарядом ионов n+- подложки. Напряжённость поля на границе n-n+, .

Значение критической плотности тока определяется уровнем легирования , толщиной  и приложенным смещением .

. (7.31)

 

Рисунок 7.17 - Распределение напряженности электрического поля в ОПЗ коллектора при различных токах

 

 


Выражение (7.31) следует из (7.29) при , и . При дальнейшем увеличении тока граница квазинейтральной базы перемещается в n- коллектор, в пределе достигая n+- подложки. Таким образом максимальная толщина квазинейтральной базы может достигать значений:

                                 .                                                         (7.32)

Для определения толщины «наведённой» базы проинтегрируем (7.28) при .                

            .

В плоскости n-n+ напряжённость максимальна ()

             .                         (7.33)

Из (7.33) следует:    

                      ,                                            (7.34)

где    даётся выражением (7.31), а  из (7.30).   

В большинстве транзисторов, реализованных диффузионной либо эпитаксиальной технологиями, коллекторный переход при небольших смещениях представляет собой линейный или плавный p-n переход (рисунок 5.2).

В этом случае форма ОПЗ имеет вид треугольника (рисунок 7.18), и наложение постоянной плотности динамического заряда смещает координату границ ОПЗ в глубь коллектора.

Увеличение толщины базы может быть представлено в виде: . Зависимость толщины базы от плотности тока коллектора имеет линейный характер 

     , (7.35)                                                       где  – ток Кирка.

Рисунок 7.18 - Смещение ОПЗ под действием динамического заряда в линейном   p-n переходе


Эффект квазинасыщения связан с падением напряжения на омическом сопротивлении низколегированной n- области коллектора. При увеличении тока коллектора напряжение на ОПЗ коллектора уменьшается ;  , где  – сопротивление тела коллектора.

При некотором значении,   – напряжение .

При превышении этого тока коллекторый переход смещается в прямом направлении, т.е. транзистор входит в режим насыщения. В этом случае из p- базы в прилегающую часть высокоомного коллектора инжектируются дырки, которые нейтрализуются электронами. Функцию блокирующего слоя коллектора принимает на себя оставшаяся часть n- слоя коллектора (рисунок 7.19) толщиной      

                                    ; .                                                (7.36)

Увеличение толщины   за счет n- части коллектора имеет вид:   

.   (7.37)

Эффект квазинасыщения прояв-ляется в транзисторах с высокоомным коллектрором, работающих при малом напряжении коллектора.

Рисунок 7.19 - Распределение электронов (а)  и поля (б) в режиме квазинасыщения
Рассмотренные эффекты Кирка и квазинасыщения приводят к снижению коэффициента усиления тока базы на БУИ. Ещё большее влияние эти эффекты оказывают на динамические параметры транзистора: граничную частоту усиле-ния, время включения и выключения в импульсном режиме работы [24].

 

 

Боковая инжекция из эмиттера определяет компоненту тока базы, связанную с рекомбинацией носителей на квазинейтральной поверхности базы, омическом контакте базы и в объёме пассивной квазинейтральной базы (рисунок 7.20). При увеличении тока коллектора смещение края эмиттера растет сильнее, чем в центре полоски (эффект оттеснения эмиттерного тока), что приводит к увеличению вклада тока боковой инжекции в базовый ток и падению коэффициента переноса. Величина тока боковой инжекции определяется боковой поверхностью  (периметром и глубиной залегания эмиттерного p-n перехода), скоростью поверхностной рекомбинации и расстоянием между краем эмиттера и  базовым контактом (К). Для уменьшения влияния боковой инжекции область под базовым контактом легируют основной примесью более сильно, чем в активной базе. Встроенное поле ограничивает боковую инжекцию и ток рекомбинации на базовом контакте. Кроме того, подлегирование базы уменьшает сопротивление пассивной базы, что улучшает быстродействие транзистора.

 

                           

Рисунок 7.20 - Боковая инжекция из эмиттера





Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: