Введение. Биполярный транзистор

ВВЕДЕНИЕ. БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР.

 

 

Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий три или более выводов. По принципу действия транзисторы разделяют на два основных класса: биполярные и полевые (униполярные). В биполярных транзисторах физические процессы определяются движением носителей заряда обоих знаков - основных и неосновных, что отражено в их названии. В полевых (униполярных) транзисторах, используется движение носителей одного знака (основных носителей).

Биполярный транзистор содержит три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости n-p-n (а) или p-n-p (б), которые называются соответственно эмиттером, базой и коллектором; эти области разделены двумя взаимодействующими между собой p-n-переходами - эмиттерным и коллекторным. Взаимодействие между переходами обеспечивается благодаря тому, что расстояние между ними (толщина базы) много меньше диффузионной длины неосновных носителей в базе. К полупроводниковым областям созданы омические контакты и внешние выводы. Принцип действия транзисторов типа n-p-n и p-n-p одинаков. Для транзисторов типа p-n-p и n-p-n полярность рабочих напряжений и направления токов противоположны.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА

 

 

1.1 Устройство и принцип действия

 

Простейшая одномерная модель, представлена на рис. 1.1. В этой модели p-n- переходы считаются плоскими, а носители движутся только в одном направлении - вдоль оси х, перпендикулярной переходам. Штриховкой показаны обедненные слои p-n-переходов; расстояние между ними дает физическую толщину базы ω_б, а расстояние между металлургическими границами - технологическую толщину базы ω_б0.

 

Рисунок 1.1 а – Схема энергетических зон транзистора

Рисунок 1.1 б – Энергетическая диаграмма для одномерной модели в состоянии равновесия

Энергетическая диаграмма для одномерной модели в состоянии равновесия (при нулевых напряжениях на переходах) показана на рис. 1.1 б. Она является совмещением энергетических диаграмм р-n- переходов. Равновесная система характеризуется единым уровнем Ферми Е_ф. На границе эмиттера и базы образуется энергетический барьер высотой qj_0e, а на границе базы с коллектором - барьер высотой qj_0e. Небольшое искривление границ энергетических зон в базе (разность энергий на границах базы qdj» 0,1 эВ) обусловлено внутренним электрическим полем в базе, возникающим вследствие неравномерного распределения акцепторов, - их концентрация у границы базы с эмиттерным переходом значительно выше концентрации у границы с коллекторным переходом. Такое распределение примесей характерно для большинства транзисторов. В активном режиме, являющемся основным для усилительных схем, на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный - обратное. Потенциальный барьер эмиттерного перехода уменьшается на значение прямого напряжения U_eb, что приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу. Основное назначение эмиттера (что и отражено в его названии) -обеспечить максимально возможную при данном прямом токе одностороннюю инжекцию электронов в базу. Для этого концентрация доноров в эмиттере N_ge на границе с переходом должна быть значительно больше концентрации акцепторов в базе: N_ge>> N_аБ.

Электроны, инжектированные в базу, движутся к коллекторному переходу. Это движение является совокупностью диффузии и дрейфа. Диффузионное движение обусловлено повышением вследствие инжекции концентрации электронов в базе около эмиттерного перехода, тогда как около коллекторного перехода она мала из-за экстракции полем этого перехода. Диффузия присуща всем типам транзисторов. Дрейфовое движение вызывается внутренним электрическим полем в базе. Транзисторы с неоднородно легированной базой, в которой, существенно, дрейфовое движение, называют дрейфовыми. Менее распространены бездрейфовые транзисторы с однородно легированной базой, в которой нет внутреннего электрического поля.

Часть электронов, инжектированных в базу, не доходит до коллекторного перехода вследствие рекомбинации. Однако их число невелико, так как толщина базы мала по сравнению с диффузионной длиной электронов.

Электроны, достигающие коллекторного перехода, втягиваются в него электрическим полем и перебрасываются в коллектор. Таким образом, в активном режиме коллектор собирает (коллектирует) инжектированные в базу электроны, что и отражено в его названии.

В активном режиме токи коллектора и эмиттера почти одинаковы, а их разность равна току базы. Коллекторный ток практически не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку при любом обратном напряжении все электроны, достигающие в базе коллекторного перехода, попадают в его ускоряющее поле и уносятся в коллектор. Поэтому дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (r_k=dU_kb/dI_k), очень велико, что характерно для p-n-переходов, включенных в обратном направлении. В цепь коллектора можно включить нагрузочный резистор с достаточно большим сопротивлением R_н без существенного уменьшения коллекторного тока. В то же время дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (r_e=dU_eb/dI_e). включенного в прямом направлении, очень мало (r_э<<r_к). При увеличении эмиттерного (входного) тока на DI_э колекторный ток возрастает приблизительно на то же значение (DI_k»DI_э). Изменение мощности DР_вх=DI_эDU_эb=DI_э²r_e, потребляемой в цепи эмиттера, может быть много меньше изменения мощности DР_вых=DI_кDU_кb=DI_э²R_н, выделяемой в нагрузке. Электрическая схема, содержащая транзистор, источник питания и нагрузочный резистор R_н>r_э, способна усиливать мощность электрического сигнала (DР_вых>DР_вх), причем коэффициент усиления по мощности DР_вых/DР_вх»R_н/r_э.

Схемы включения транзистора представлены на рис. 1.2. В схеме с общей базой (ОБ) напряжения на эмиттере U_ЭБ и коллекторе U_кв отсчитываются относительно базы-общего электрода для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей.

Эта схема обладает усилением по мощности и напряжению (DU_кв>DU_эв), но не обеспечивает усиления тока (DI_к»DI_э) и характеризуется малым входным сопротивлением (равным сопротивлению эмиттерного перехода при прямом напряжении).

Рисунок 1.2 - Схемы включения транзистора

 

Наиболее широко применяется схема с общим эмиттером (рис. 1.2 б) (ОЭ), в которой напряжения на базе U_вэ и коллекторе U_кэ отсчитываются относительно эмиттерного электрода, общего для входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепей. Так как I_в = I_э – I_k<<I_k (I_k»I_e), то эта схема обеспечивает усиление тока (DI_к>>DI_b) и напряжения (DU_кe>DU_эв). Кроме того, ее входное сопротивление много больше входного сопротивления схемы ОБ.

В схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 1.2 в) напряжения на базе U_вк и эмиттере U_эк отсчитываются относительно коллектора - общего электрода для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей. Так как I_в<<I_э то эта схема обеспечивает усиление тока (DI_к>>DI_b), приблизительно такое же, как и схема ОЭ. В отличие от схем ОБ и ОЭ схема ОК не обеспечивает усиления напряжения. Ее достоинством является большое входное сопротивление, возрастающее при увеличении сопротивления нагрузочного резистора в цепи эмиттера.

Независимо от схемы включения транзистор может работать в одном из четырех режимов, отличающихся полярностью напряжений на р-n- переходах. В активном режиме, кратко рассмотренном выше, напряжение на эмиттерном переходе прямое, а на коллекторном - обратное. В режиме насыщения оба перехода включены в прямом направлении, а в режиме отсечки - в обратном. В инверсном режиме напряжение на коллекторном переходе прямое, а на эмиттерном- обратное.

 

Рисунок 1.3 – Кремниевый эпитаксиально-планарный транзистор

 

 

1.2 Структура транзистора

 

По конструктивным особенностям и технологии изготовления транзисторы делят на эпитаксиально-планарные планарные, диффузионные, сплавно-диффузионные, сплавные и др. В настоящее время основным полупроводниковым материалом для транзисторов служит кремний. Выпуск германиевых транзисторов ограничен. Биполярные транзисторы на основе других полупроводниковых материалов, например арсенида галлия, не вышли из стадии лабораторных исследований.

Полупроводниковая структура кремниевого эпитаксиально-планарного транзистора (рис. 1.3), характерна для большинства дискретных транзисторов. Поперечный разрез структуры показан на рис. 1.3 а. На сильнолегированной подложке 1 n+-типа сформирован слаболегированный эпитаксиальный слой 2 n-типа толщиной ω_эп около 10 мкм. Методом диффузии примесей или ионным легированием созданы области базы 3 р-типа и эмиттера 4 n+-типа. Металлические тонкопленочные слои 5, 6 и 7 образуют соответственно электроды эмиттера, базы и коллектора. На поверхности полупроводника расположен тонкий защитный диэлектрический слой диоксида кремния SiO₂.

На рис. 1.3 б дана конфигурация в плане эмиттерной (граница 4) и базовой (граница 3) областей, а также тонкопленочных проводников 5 и 6 (заштрихованы) и обозначены геометрические размеры: b_э, а_э -длина и ширина эмиттера, ДЭБ расстояние от границы эмиттерной области до базового контакта. На рис. 1.3 в приведены распределения концентраций примесей в вертикальном направлении для сечения, проходящего через эмиттерную область: координата х отсчитывается от эмиттерного контакта (рис. 1.3 а). Распределения концентраций доноров N_gэ и акцепторов N_ав получены в результате операций легирования, формирующих эмиттер и базу; N_gк, N_gn-

распределения концентраций доноров в коллекторе (эпитаксиальном слое) и подложке. Металлургические границы эмиттерного х_э и коллекторного х_к переходов (рис. 1.3 а и б) соответствуют точкам, где N_gэ(x_э)=N_gb(x_э) и N_gБ(x_k)=N_gk. Технологическая толщина базы равна W_во =x_к - x_э и для маломощных высокочастотных транзисторов составляет 0,3-1 мкм. Физическая толщина базы W_в (рис. 1.1 а) соответствует расстоянию между границами обедненных слоев, поэтому она меньше технологической толщины базы.

При прямом напряжении на эмиттерном переходе и обратном напряжении на коллекторном электроны движутся из эмиттера в коллектор преимущественно через ту часть базовой области, которая расположена под эмиттером (на рис. 1.3 а эта часть базовой области ограничена вертикальными штрихпунктирными линиями). Данную часть базовой области называют активной, а остальную часть, граничащую с базовым контактом или диэлектрическим слоем, - пассивной. Вблизи краев эмиттера инжектированные из него в базу электроны движутся не только в вертикальном, но и в боковых направлениях, как показано стрелками па рис. 1.1 а. Однако размеры областей транзистора в вертикальном направлении обычно много меньше, чем в горизонтальном. Следовательно, краевые эффекты несущественны, т. е. в активном режиме можно учитывать только движение электронов в активной базовой области. При этом p-n- переходы можно считать плоскими, что соответствует рассмотренной выше одномерной модели (см. рис. 1.1 а). Влияние пассивной базы в первом приближении можно учесть, подключив во внешнюю цепь базы резистор.

В других режимах работы (например, инверсном), когда на коллекторном переходе прямое напряжение, точность одномерной модели резко снижается, так как значительная часть электронов, инжектируемых из коллектора в пассивную базу, движется по сложным траекториям. Для более точного анализа необходимо использовать двумерную модель.

Полупроводниковые структуры эпитаксиально-планарных транзисторов в зависимости от требуемых электрических параметров отличаются как геометрическими размерами областей, так и распределениями концентраций примесей.

1.3 Физические параметры

К физическим параметрам относят коэффициент передачи тока, дифференциальные сопротивления переходов, объемные сопротивления областей, коэффициент обратной связи по напряжению, емкости переходов и др. Эти параметры характеризуют основные физические процессы в транзисторе. Кроме того, системы других параметров транзистора тесным образом связаны с физическими параметрами.

Дифференциальные сопротивления переходов. В активном режиме ВАХ эмиттерного перехода описывается формулой:

                                (1.1)

Согласно

                                       (1.2)

при I_э>>I_эо, где I_эо - тепловой ток эмиттерного перехода, дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода r_э=j_t/I_э- Оно имеет малое значение, уменьшается с ростом тока I_э и увеличивается при повышении температуры.

В активном режиме для схемы ОЭ при I_в =соnst дифференциальное сопротивление коллекторного перехода r_k^*=(Ib(db/dU_kb))^-1, т.е. сопротивление уменьшается с ростом тока базы. При малых напряжениях на коллекторе, когда ударная ионизация в коллекторном переходе не наблюдается, сопротивление r_k^* определяется эффектом модуляции толщины базы. Толщина коллекторного перехода зависит от напряжения по закону L_обк » (j_ок + U_кв)^m, где m=0,3-0,5. Поэтому производная dL_oбк/dU_kв, а значит, и dω_Б/dU_kb, db/dU_kb уменьшаются, а сопротивление r_k^* увеличивается с ростом U_кв. При больших напряжениях U_кв начинается ударная ионизация в коллекторном переходе или происходит смыкание переходов, в обоих случаях сопротивление r_k^* снижается с ростом U_кв и становится очень малым при пробое. При повышении температуры дифференциальное сопротивление r_k^* (в схеме ОЭ) уменьшается вследствие увеличения коэффициента передачи.

В активном режиме для схемы ОБ дифференциальное сопротивление коллекторного перехода определяется как r_k = dU_kb/dI_k = (Ib(db/dU_kb))^-1 при I_e=соnst, откуда с учетом r_k=r_k^*(1+b). Таким образом, дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме ОБ значительно выше, чем в схеме ОЭ. Значение r_к практически не изменяется с ростом температуры.

Объемные сопротивления областей. Сопротивление базы r_b является важным физическим параметром транзистора, его значение определяется размерами структуры и распределением концентраций примесей в активной и пассивной областях базы. В структуре, показанной на рис. 1.2, сопротивление активной базы r_ва - это сопротивление в горизонтальном направлении части базового слоя между центром и краем эмиттерного перехода, а сопротивление пассивной базы - это сопротивление между краем эмиттерного перехода и базовым контактом. Для транзисторов с тонкой активной базой обычно r_ва> r_БП. Например, для структуры с распределением концентраций примесей, приведенным на рис. 1.3 в, при b_э =2а_э и a_эб= а_э/2 сопротивления r_ба =400 Ом, r_Бп=100 Ом.

При достаточно большом токе базы падение напряжения на сопротивлении базы снижает напряжение на эмиттерном переходе по сравнению с внешним напряжением U_bэ между выводами базы и эмиттера на величину DU_вэ Основная часть эмиттерного тока протекает через краевые области эмиттерного перехода, и падение напряжения происходит на сопротивлении пассивной базы r_вп. Тогда DU_вэ=I_Бr_Б^’, где r_Б^’ - эквивалентное сопротивление базы, зависящее от r_вп и геометрии транзисторной структуры. Например, для структуры, представленной на рис. 1.3, r_Б^’» r_Бn/2, так как через каждый из двух базовых контактов течет ток I_в/2.

Сопротивление коллектора. Это есть сопротивление полупроводниковой области, расположенной между коллекторным переходом и контактом. Для структуры, приведенной на рис. 1.3, а, оно уменьшается при увеличении концентрации доноров в эпитаксиальном слое и площади активной коллекторной области, а также при снижении толщины этого слоя. Для маломощных транзисторов сопротивление составляет десятки Ом, а для мощных - единицы Ом.

Сопротивление эмиттерной области обычно пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением базы из-за высокой концентрации примесей.

Коэффициент обратной связи по напряжению в схеме ОБ. Коэффициент определяется как m_ос=d½U_эБ½/dU_kb - (при I_э=соnst). В активном режиме обратная связь в основном обусловлена эффектом Эрли и поясняется рис. 1.3, на котором показаны распределения концентрации электронов в базе при двух значениях обратного напряжения на коллекторном переходе и, следовательно, разных толщинах этого перехода и базы. Оба распределения соответствуют одному и тому же значению эмиттерного тока: при увеличении напряжения U_КБ от U_КБ1 до U_КБ2 граничная концентрация электронов n_гр уменьшается. Действительно, при неизменном значении n_гр дрейфовый ток в базе у границы с эмиттером останется прежним, а диффузионный (и, значит, полный) ток увеличился бы из-за роста градиента концентрации в связи с уменьшением толщины базы, так как dn_Б/dx ~ n_гр/W_Б.

В схеме ОЭ коэффициент обратной связи определяется как m_О.С=d|U_БЭ|/dU_кэ (при I_в =соnst). С ростом напряжения U_kэ увеличивается коэффициент передачи b, а так как ток базы должен поддерживаться постоянным, то необходимо увеличивать ток эмиттера за счет увеличения напряжения U_БЭ. Таким образом, при увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе в схеме ОЭ (I_в =соnst) прямое напряжение на эмит терном переходе растет, а в схеме ОБ (I = соnst) - уменьшается. По абсолютному значению коэффициенты обратной связи приблизительно одинаковы. Для эпитаксиаль нопланарных транзисторов m_о.с= 10^-4-10^-3.

Емкости переходов.Аналогично отдельному p-n переходу эмиттерный и коллекторный переходы транзистора характеризуются барьерными и диффузионными емкостями. Емкости переходов зависят от геометрии полупроводниковой структуры, распределении концентрации примесей, напряжений и токов.

В структуре, представленной на рис. 1.3, барьерные емкости складываются из емкостей плоских и боковых цилиндрических поверхностей.

Для приближенных оценок барьерных емкостей используют формулы плоского перехода, в которые подставляют концентрации примесей, характерные для нижней поверхности, и площадь полной поверхности. При этом получают заниженные значения емкости, поскольку у цилиндрических поверхностей переходов концентрации примесей выше. Распределения концентраций примесей (рис. 1.3, в) аппроксимируют экспоненциальными функциями N_дэ~ехр(-х/L_g), N_аb~ехр(-х/L_а), где L_g и L_а - расстояния, на которых концентрации доноров и акцепторов уменьшаются в е раз. В активном режиме при прямом напряжении на эмиттерном переходе его ширина мала по сравнению с L_g и L_а, так что в пределах перехода распределения концентраций примесей линейны. Поэтому можно применить формулу плавного р-n- перехода, из которой, (при замене (j_о на j_оэ - U_вэ)

   (1.3)

где S_э - площадь эмиттерного перехода.

Емкость коллекторного перехода С_кбар=S_кE_оE_п/L_обк, где S_к - площадь коллекторного перехода; L_обк - ширина коллекторного перехода, в котором (j_о следует заменить на j_ок+U_кв.

Хотя S_э<S_к, обычно С_кбар < С_эбар из-за меньшей концентрации доноров в коллекторе по сравнению с концентрацией акцепторов в базе около эмиттерного перехода.

Диффузионная емкость эмиттерного перехода:

                                            (1.4)

 

 

                                 (1.5)

где: t_прб – время пролета (диффузии-дрейфа) электронов от эмиттера к коллектору в области активной базы;

                               (1.6)

где: η – коэффициент неоднородности базы; N_аБ1, N_аБ2 - концентрации акцепторов в базе соответственно на границах с эмиттерным и коллекторным переходами.

Формула для С_эдф справедлива на низкой частоте f<<1/(2pt_прБ).

Диффузионная емкость коллекторного перехода существенна в инверсном режиме и режиме насыщения, когда коллекторный переход включен в прямом направлении. Она отражает изменение зарядов неосновных носителей в базе и коллекторе при изменении напряжения на коллекторном переходе. В режиме насыщения С_кдф=(bI_Б-I_к)t_кэф/j_т; эта формула справедлива на низкой частоте f<<1/(2pt_прБ).

 

1.4 Виды транзисторов и их параметры

 

Классификация транзисторов. Наиболее часто в технической литературе и справочниках транзисторы классифицируют по допустимой рассеиваемой мощности и граничной частоте. Транзисторы, имеющие допустимую рассеиваемую мощность менее 1 Вт, относят к маломощным, а более 1 Вт - к мощным. Транзисторы с граничной частотой ниже 30 МГц относят к низкочастотным, с граничной частотой, лежащей в пределах 30 - 300 МГц - к высокочастотным, с граничной частотой выше 300 МГц - к сверхвысокочастотным.

По назначению транзисторы могут быть универсальными, усилительными, генераторными, переключающими, импульсными и другими в зависимости от типа схем, для применения в которых они предназначаются.

Большая часть транзисторов изготавливается из кремния. Германиевые транзисторы, ранее широко применявшиеся в схемах, вытесняются кремниевыми, имеющими лучшие параметры: большие максимально допустимую рабочую температуру, мощность, коэффициент передачи тока и граничную частоту.

По физической структуре и технологии изготовления транзисторы подразделяют на эпитаксиально-планарные, планарные, меза-планарные диффузионно-сплавные и др. Широкое распространение эпитаксиально-планарных и планарных транзисторов связано с использованием в технологии изготовления дискретных приборов прогрессивных методов микроэлектроники, обеспечивающих лучшие параметры транзисторов.

По конструктивному оформлению различают корпусные и бескорпусные транзисторы, последние применяются в гибридных интегральных схемах и микросборках и могут иметь гибкие или жесткие выводы.

Системы справочных параметров. Приводимые в справочниках параметры транзисторов делятся на электрические и предельные эксплуатационные.

К электрическим параметрам относятся:

- граничная частота f_гр при заданных напряжении U_кэ и токе эмиттера;

- статический коэффициент передачи тока в схеме ОЭ h_21Э при заданных напряжении U_кэ и токе I_э;

- обратные токи переходов I_кво, I_ЭБО при заданных обратных напряжениях соответственно U_кб и U_ЭБ;

- обратный ток коллекторного перехода I_кэR при заданных напряжении и U_kэ и сопротивлении R_вэ резистора, включенного между базой и эмиттером;

- емкости переходов С_э, С_к при заданных обратных напряжениях (емкость С_э часто приводится также при U_БЭ=0).

Кроме перечисленных выше общих электрических параметров в зависимости от назначения транзистора указывают ряд специфических параметров.

Для усилительных и генераторных транзисторов помимо граничной частоты обычно приводятся постоянная времени цепи обратной связи t_к при заданных напряжении U_кв, токе I_э и частоте f, а также максимальная частота генерации f_макс при заданных напряжении U_кв и токе Iэ. Зная значение t_к, можно оценить коэффициент обратной связи ½h_12б(f)½=2pft_k. Для переключающих и импульсных транзисторов указываются напряжения в режиме насыщения U_вэнас и U_кэнас и время рассасывания t_рас при заданных токах I_кнас и I_в.

Для СВЧ-транзисторов часто указывают коэффициент усиления мощности К_р на заданной частоте, а также индуктивности и емкости выводов.

Предельные эксплуатационные параметры - это максимально допустимые значения напряжений, токов, мощности и температуры, при которых гарантируются работоспособность транзистора и значения его электрических параметров в пределах норм технических условий. К предельным эксплуатационным параметрам относятся:

- максимально допустимые обратные напряжения на переходах U_Кбмакc, U_ЭБмакс;

- максимально допустимое напряжение U_кэмакс в схеме ОЭ при заданном сопротивлении R_БЭ внешнего резистора, подключенного между базой и эмиттером;

- максимально допустимая рассеиваемая мощность Рмакс;

- максимально допустимый ток коллектора I_Кмакс;

- максимально допустимая температура корпуса Т_кмакс.

Помимо этого указывается диапазон рабочих температур.