4. Бт как элемент интегральной схемы. Физическая структура.

Рассмотрим простейший фрагмент ИС, состоящий из БТ и нагрузочного транзистора.

Модель бт для расчёта схем.

Рассмотрим БТ как систему взаимодействующих между собой -переходов. Взаимодействие осуществляется через базу транзистора.

(2)

С электрический точки зрения, любой -переход моделируется диодом. Это означает, что каждый -переход может быть представлен обычным полупроводниковым диодом.

Чтобы задать транзистор, достаточно двух токов, третий задаётся уравнением (2).

Токи, протекающие через -переходы (диоды):

(3)

(4)

- температурный коэффициент.

, - коэффициенты неидеальности переходов ( , больше единицы и обычно равны ).

Процесс передачи токов в транзисторе следующий. Инжектируется ток . При прохождении этого тока через базу толщиной часть этого тока рекомбинирует (теряется). В результате в коллекторе собирается ток , где - коэффициент передачи. Аналогично, в эмиттере собирается ток , где - коэффициент передачи в обратном направлении.

Режимы работы бт.

1. Нормальный активный.

(5)

(6)

- прямое смещение;

- обратное смещение.

Для обычных транзисторов .

2. Инверсный активный.

(7)

(8)

- прямое смещение;

- обратное смещение.

Для обычных транзисторов .

3. Насыщение.

(9)

;

.

4. Отсечка.

-переходы не инжектируют, транзистор полностью закрыт и все токи тождественны нулю:

. (10)

;

.

Инверсный активный режим на практике используется крайне редко.

4. Резисторы полупроводниковых ис.

Резистор(вид сверху и в разрезе).

Сопротивление диффузионного резистора:

Д иффузный резистор(вид сверху и в разрезе).

Чтобы использовать p-область в качестве резистора, необходимо сместить p–n-переход в обратном направлении. Для этого подложку (n-тип) надо подключить через n+-область к самому положительному потенциалу в схеме, т.е. к +Е. В данной конструкции всегда существует паразитный ток утечки.

При необходимости реализовать сопротивление большего номинала делается контур с изгибами (типа “меандр”).

Сопротивление диффузионного резистора равно

Технологические способы изменения сопротивления диффузионных

резисторов

Эквивалентная электрическая схема диффузионного резистора, ограниченного обратно смещённым p–n-переходом:

5. Модель Эберса-Молла.

Исходя из физических принципов работы БТ, можно построить эквивалентную схему транзистора.

Эта схема применима в любом режиме работы БТ.

(11)

(12)

Уравнения (11) и (12), являясь моделью БТ, имеют 4 параметра -перехода и 2 параметра базы: и . Итого 6 параметров.

Реальный БТ.

Выше мы рассмотрели идеальную эквивалентную схему БТ. В реальном транзисторе будут дополнительно наблюдаться эффекты:

1. Влияния омических сопротивлений областей эмиттера, базы и коллектора.

2. Эффект модуляции толщины базы (эффект Эрли).

Влияние омических сопротивлений областей эмиттера, базы и коллектора.

Для уменьшения омического сопротивления в структуру транзистора добавляют сильнолегированный скрытый -слой ( ). Это делается для того чтобы уменьшить сопротивление ( уменьшить не получается).

имеет значение от долей Ома до 10 Ом;

;

имеет значение от нескольких десятков Ом до нескольких сотен Ом.

С учётом скрытого слоя .

Данные сопротивления необходимо учитывать в эквивалентной схеме.

Все сопротивления , , носят паразитный характер, т.к. на этих сопротивлениях бесполезно падает часть приложенных внешних напряжений. В результате на сами переходы поступает меньшее напряжение.

Вернёмся к рисунку.

(13)

С учётом паразитных сопротивлений, выражения (3) и (4) будут иметь вид:

(14)

(15)

Модуляция толщины базы (эффект Эрли).

Эффект Эрли имеет место, как правило, для транзисторов, работающих в нормальной активной области.

При обратном смещении коллекторного перехода, этот переход будет иметь конечную толщину . В результате .

Распределение примесей.

Из графика распределения примесей мы видим, что эмиттерный переход является резким, т.е. концентрация там меняется сильно, а коллекторный переход является плавным.

Градиент концентрации в коллекторном переходе:

.

Из теории полупроводниковых приборов известно

Учёт влияния на ВАХ паразитных сопротивлений.

Напомним, что

(16)

На графике:

1 – реальная ВАХ

2 – ВАХ идеального БТ

(17)

Входные характеристики транзистора сдвигаются вправо, что приводит к тому, что для получения одного и того же тока надо приложить большее напряжение.

Влияние на ВАХ эффекта Эрли.

В отличие от паразитного сопротивления, эффект Эрли проявляется на выходных характеристиках транзистора.

(на графике пунктиром нарисованы идеальные ВАХ, а сплошными линиями – реальные ВАХ)

Можно показать, что реальные характеристики, если их продлить до пересечения с осью приложенного напряжения, сходятся примерно в одной точке, называемой напряжением (потенциалом) Эрли .

Из физики работы транзистора можно показать, что зависимость от имеет вид:

(18)

Далее, выведем зависимости , , от для случая .

- время пролёта носителя через базу;

- коэффициент усиления транзистора в прямом направлении;

- ток насыщения.

,

где - коэффициент диффузии электронов через базу .

; .

(19)

(20)

(21)

Каждый в отдельности параметр (19)-(21) не ухудшается, а даже улучшается. Однако, все эти параметры становятся зависимыми от режима на коллекторном переходе ( ), а любое изменение параметра негативно сказывается на стабильности работы.