384

7.7. Дрейфовый транзистор и другие разновидности биполярных транзисторов

7.7.1. Дрейфовый транзистор

Современные дискретные и интегральные биполярные транзисторы изготавливаются методом двойной односторонней диффузии и имеют неравномерное распределение легирующей примеси в базе (сверхрезкий эмиттерный переход) и ускоряющее для неосновных носителей встроенное поле (рисунок 7.46). Перенос ННЗ в базе таких транзисторов осуществляется диффузией и дрейфом. Дрейф может играть доминирующую роль, что и нашло отражение в названии – дрейфовый транзистор. В дрейфовых транзисторах уменьшается время пролета, что увеличивает их быстродействие. Кроме того, уменьшаются рекомбинационные потери при пролете базы, что приводит к увеличению коэффициента переноса.

Рисунок 7.46 - Концентрационный профиль дрейфового транзистора со встроенным полем

Распределение результирующей концентрации примесей индуцирует два участка. Один, вблизи эмиттера и малой протяженности, соответствует тормозящему инжектированные дырки полю. Второй, занимающий большую часть базы, с ускоряющим полем. Участок тормозящего поля входит в барьер эмиттерного перехода. Поэтому инжектированные в базу дырки ускоряются в поле базы, что приводит к уменьшению времени пролета. Для оценки величины встроенного поля воспользуемся условиями стационарного равновесия:

. (7.64)

Распределение концентрации электронов,

,

соответствует закону Гаусса при диффузии примесей из ограниченного источника.

Из (7.64) следует:

. (7.65)

Распределение Гаусса при , где – коэффициент диффузии примесей, а – время проведения диффузии, хорошо аппроксимируется падающей экспонентой (прямая линия в полулогарифмическом масштабе, рисунок 7.46), поэтому распределение примесей в базе описывают в виде:

. (7.66)

Использование такого вида распределения позволяет получить постоянное поле в базе, что существенно облегчает аналитический анализ распределения неравновесных носителей в базе и токов транзистора.

Подставив (7.66) в (7.65), получим:

, (7.67)

ускоряющее поле не зависит от координаты. Выразим через параметры структуры транзистора. Для этого используем равенство концентрации доноров и акцепторов при

; ; , (7.68)

где – фактор поля.

Величина ускоряющего поля (7.57),

, (7.69)

определяется перепадом концентрации примесей в базе и ее толщиной. При комнатной температуре, из (7.69) следует:

.

Распределение концентрации неосновных носителей заряда находим из уравнения непрерывности:

,

где .

Для стационарных условий и одномерного случая уравнение непрерывности приводится к виду:

,

где (7.67).

Рисунок 7.47 - Распределение неосновных носителей заряда в базе

дрейфового транзистора: 1 – МУИ; 2 – СУИ; 3 – БУИ

Для малых и средних уровней инжекции характер распределения (рисунок 7.47) свидетельствует о значительной роли дрейфа при пролете базы. На больших уровнях инжекции динамический заряд носителей формирует диффузионное поле, которое определяет квазилинейное распределение концентрации, как и в бездрейфовом транзисторе.

Проведенный анализ характеристик дрейфового транзистора показал, что можно использовать результаты теории бездрейфового транзистора с использованием эффективного коэффициента диффузии неосновных носителей, отражающего дрейф в ускоряющем поле базы.

Для описания статических характеристик вводятся аппроксимации [19]:

(7.70)

Например, коэффициент переноса в дрейфовом транзисторе,

Для описания частотных характеристик используют следующие выражения:

(7.71)

В частности, время пролета базы в дрейфовом транзисторе в раз меньше, чем у бездрейфового,

.

В первом приближении средняя концентрация примесей в базе дрейфового транзистора определяется как

.

На больших уровнях инжекции доминирует влияние динамического заряда и характеристики дрейфового и бездрейфового транзисторов практически совпадают.

7.7.2. Р-n-p транзисторы интегральных схем

В кремниевых интегральных схемах базовым усилительным элементом является n-p-n транзистор. В ряде случаев схемотехника различных электронных устройств предполагает использование n-p-n и p-n-p транзисторов. Например, генераторы тока в операционных усилителях и др. Реализация изолированных p-n-p и n-p-n транзисторов с вертикальным переносом носителей представляет собой достаточно сложную технологическую проблему. Поэтому в большинстве применений используют структуру горизонтального или латерального p-n-p транзистора. Горизонтальный (латеральный) или боковой транзистор p-n-p типа широко применяется в аналоговых интегральных схемах, а также в качестве инжектора в инжекционной интегральной логике . Базовым элементом интегральных схем является вертикальный транзистор. Экономически выгодно использовать стандартную диффузионную область p-типа, выполняющую в транзисторах функцию базы, в качестве эмиттера и коллектора горизонтального транзистора. В отличие от вертикального транзистора токи эмиттера и коллектора протекают параллельно поверхности в горизонтальном направлении (рисунок 7.48). Характеристики горизонтальных транзисторов (усиление, быстродействие) значительно уступают n-p-n вертикальным транзисторам, так как вертикальная структура ИС и концентрационный профиль оптимизированы под n-p-n транзисторы, обеспечивающих основную функцию интегральной схемы. Для оценки усилительных свойств рассмотрим горизонтальные токи эмиттера и коллектора. В общем случае требуется двумерное решение для определения траектории носителей в горизонтальной базе, так как ее толщина возрастает в вертикальном направлении в соответствии с профилем диффузии акцепторной примеси эмиттера и коллектора на боковой поверхности этих областей. Для качественной оценки диффузионных токов будем пользоваться средним значением толщины базы. Полезный ток коллектора:

.

Ток базы (без рекомбинации в ОПЗ эмиттера) состоит из трех составляющих. Ток обратной инжекции (рекомбинация в объеме квазинейтрального p-эмиттера),

.

Ток рекомбинации в объеме активной базы ,

.

Ток рекомбинации в пассивной базе,

,

где – скорость рекомбинации на границе – заглубленного слоя. Наличие тормозящего поля на границе существенно снижает скорость рекомбинации на ней. В большинстве случаев , и

.

Ток рекомбинации на поверхности квазинейтральной базы значительно меньше рассмотренных выше рекомбинационных потерь, так как стандартный технологический процесс обеспечивает малое значение скорости поверхностной рекомбинации. Коэффициент усиления по току:

площадь основания эмиттера;

боковая площадь эмиттера для двухполосковой

конфигурации коллектора;

коэффициенты эффективности и переноса в схеме с ОЭ;

, (7.72)

где

– коэффициент передачи в пассивной базе.

Из (7.72) следует, что для повышения усилительных свойств горизонтального транзистора необходимо использовать:

• полосковую топологию эмиттера (уменьшать );

• использовать топологию охватывающего коллектора (увеличивать );

• узкую полоску эмиттера , малую толщину и увеличивать глубину залегания эмиттера и коллектора для снижения потерь в пассивной базе;

• технологический процесс, обеспечивающий большое время жизни в базе ( ).

Рисунок 7.48 - Сечение горизонтального p-n-p транзистора ИС с изоляцией p-n переходом

Рисунок 7.50 - Сечение вертикального p-n-p транзистора с коллектором в подложке

Коэффициент усиления по току B у горизонтальных p-n-p транзисторов значительно меньше, чем у n-p-n транзисторов. Его типовые значения составляют 20 и менее, так как воспроизводимость горизонтальной базы, определяемая боковой диффузией примесей значительно ниже, чем при формировании базы вертикальной структуры. Основное преимущество горизонтальных p-n-p транзисторов связано с использованием стандартных технологических процессов изготовления монолитных ИС без дополнительных технологических операций.

Другим распространенным типом p-n-p транзистора интегральных схем является «подложечный» p-n-p транзистор с вертикальной структурой (рисунок 7.50). В этой структуре роль эмиттера выполняют области базы n-p-n вертикального транзистора, роль базы – эпитаксиальный n-слой, являющийся коллектором n-p-n транзистора, в качестве коллектора используется p-подложка. Поскольку такая коллекторная область одновременно является подложкой ИС, она не изолирована от коллекторов всех прочих p-n-p транзисторов, изготовленных таким же образом. По этой причине эти транзисторы можно использовать только в таких ИС, в которых коллектор заземлен по переменному току. Толщина базы таких транзисторов определяется толщиной коллектора n-p-n транзистора, которая, в свою очередь, определяется величиной пробивного напряжения. Поэтому они обладают, как правило, низкими быстродействием и коэффициентом усиления по току, .

Оба типа этих транзисторов чувствительны к проникающей радиации, поэтому для ИС специального назначения используются p-n-p транзисторы с вертикальной структурой, реализуемые более сложными технологиями, например, кремний на диэлектрике и др.