Вопрос 33. Распределение потоков носителей в реальной одномерной бт

Ответ:

Токи, протекающие в p-n-p транзисторе в активном нормальном режиме

1. I_эn 2- I_Rjэ 3- I_RБ 4- I_КБ0

В p-n-p транзисторе направление токов эмиттера и коллектора совпадает движением носителей (дырок), которые в основном образуют эти токи. Для n-p-n транзистора направления потоков изменятся на обратные.

Ток эмиттера: I_э =I_nэ +I_pэ (I_nэ ток инжекции из n-базы в эмиттере)

Ток базы: I_Б = I_nЭ + I_RjЭ + I_RБ – I_КБ0

I_RjЭ – часть дырок тока I_pэ рекомбинирует в эмиттерном p-n переходе, увеличивая ток базы на I_RjЭ

I_RБ – ток за счет рекомбинации дырок на поверхности и в объеме базы

I_КБ0 – обратный ток в коллекторном переходе

Ток коллектора: I_К = I_э - I_Б = α_NI_э + I_КБ0

34. Особенности работы p-n перехода при высоком уровне инжекции вуи

Для р⁺-n-переходов:p_n<< n_n0—МУИ, и p_nгр – p_n0 =p_n>> n_n0—ВУИ. Во-первых, появляется электрическое поле в базе, направление которого способствует быстрейшему переходу неосновных носителей через базу. Появление поля вызвано следующим: в n-базу поступает такое количество неосновных носителей p_n, которое нарушает квазинейтральность области; для ее обеспечения из вывода базы в базовую область поступает такое же количество основных носителей n_np_n. Образуется электрическое поле, направленное от ОПЗ в глубь базы. Покажем, что наличие электрического поля в базе такого направления приводит к удвоению коэффициента диффузии неосновных носителей в базе.

Так как мы анализируем р⁺-n-переход, то можно полагать, что плотность электронного тока близка к нулю: j_n = q n_n _n Е + qD_n grad n  0 → . Т.к. D_n/_n = kT/q = D_p/_p и grad n = grad p:

.

. Запишем

(1.31)

Т. к. p_nn_n, p_n = p_n – p_n0, n_n = n_n – n_n0. Полагая, что величина концентрации p_n0 очень мала по сравнению с другими концентрациями, в ( 1 .31) имеем n_n = p_n – n_n0: .

При МУИ p_n p_n<< n_n0 → j_p = – q D_p grad p. При ВУИ р_n>> n_n0 → j_p = -q 2D_p gradp. Следовательно, коэффициент диффузии неосновных носителей в базе, как результат воздействия электрического поля, удваивается.

Во-вторых, идет модуляция сопротивления базы в сторону ↓ R_Б. R_Б ~ ρ_Б.

При ВУИ: и

В-третьих, , , где .

не учитывается, так как , а . → .

В инженерных расчетах трудно учесть такой эффект высокого уровня инжекции, как изменение времени жизни носителей заряда. Это происходит из-за изменений в процессе рекомбинации: возможно заполнение уровней ловушек, изменение концентрации как основных, так и неосновных носителей, изменение путей рекомбинации (например, возникновение рекомбинации через такие ловушки, через которые при малых плотностях тока онане происходит). Вcе это приводит к тому, что при больших плотноcтях тока время жизни носителей, зависящее от множества факторов, может и расти, и уменьшаться.

35. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой три полупроводниковые области (эмиттер, база, коллектор), определяющиеся по типу электропроводности (n-р-n или p-n-р), которые с помощью имеющихся в каждой области омических контактов подключаются к внешней электрической схеме. Функции эмиттера и коллектора: эмиттировать (инжектировать) носители заряда и собирать их. Среднюю область транзистора назвали "базой", так как ее параметры в основном определяют работу транзистора (база в транзисторе всегда тонкая, распределение линейное). Биполярные транзисторы делятся на бездрейфовые, перенос инжектированных в базу носителей у которых осуществляется только за счет диффузии, и дрейфовые, у которых перенос носителей через базу осуществляется как за счет диффузии, так и за счет дрейфа.

Биполярный транзистор может работать в четырех режимах:

• режим отсечки (эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении) (рис.3.1, а);

• режим насыщения (эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении) (рис.3.1, б);

• активный нормальный режим (эмиттерный переход включен в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях) (рис.3.1, в);

• активный инверсный режим (эмиттерный переход включен в обратном, а коллекторный — в прямом направлениях) (рис.3.1, г).

Граничную концентрацию неосновных носителей в базе со стороны эмиттера или коллектора можно рассчитать, воспользовавшись выражением: , где U_j величина напряжения перехода эмиттер-база или коллектор-база соответствующего знака.

Если предположить, что ток основных носителей базы (дырок для n-p-n-транзисторов) равен нулю (считаем, что рекомбинация отсутствует), то

 ; (3.1)  . (3.2)

Из (3.2) видно, что если база легирована равномерно, то _х = 0 (случай бездрейфового транзистора).

Если, используя методы диффузии или ионной имплантации, получаем концентрацию легирующей примеси N(x) в базе около эмиттера N_БЭ значительно больше, чем на границе с коллектором N_БК, то из-за наличия градиента концентрации в базе транзистора создается продольное электрическое поле _х, отличное от нуля, направление которого способствует переносу неосновных носителей.

При законе изменения N(x), близком к экспоненциальному, величину поля _x при неравномерном легировании базы можно определить, записав (3.2)

_x= , (3.3)

где коэффициент называется дрейфовым коэффициентом (иногда его называют "фактором поля").

Реальное значение дрейфового коэффициента лежит в интервале . Наличие поля в базе несколько изменит вид энергетической зонной диаграммы транзистора и распределение концентрации неосновных носителей в базе (рис.3.2).

В зависимости от названия электрода, который подключается к общему электроду внешней электрической цепи и по отношению к которому отсчитывается потенциал, различают три схемы включения транзистора: схема с общей базой - ОБ (схема с эмиттерным входом) (рис.3.3, а), схема с общим эмиттером - ОЭ (схема с базовым входом) (рис.3.3, б), схема с общим коллектором - ОК (эмиттерный повторитель) (рис.3.3, в).

Как уже отмечалось, поведение транзистора во многом определяется параметрами и распределением концентрации носителей в базе. Поэтому та область транзистора, база которой находится непосредственно под областью эмиттера, называется активной (рис.3.4, I) остальная — пассивной (рис.3.4, II).

Р ис.3.1. Энергетические зонные диаграммы и распределение концентрации неосновных носителей в базе n-р-n бездрейфового транзистора в режимах

отсечки (а), насыщения (б), активном нормальном (в) и активном инверсном (г)

Рис.3.2. Энергетическая зонная диаграмма (а) и распределение концентрации неосновных носителей в базе (б) n-р-n дрейфового транзистора в активном нормальном режиме

Рис.3.3. Схемы включения

транзистора

Рисунок 3.4– Типичный n-р-n планарно-эпитаксиальный транзистор