2.6. Модель Эбберса-Молла

Она имеет наибольшее распространение и характеризует только активную область транзистора. Модель Эбберса-Молла (рис. 2.15 ) отражает равноправность переходов транзистора. Диоды отображают инжекцию зарядов через эмиттерный и коллекторный переходы - токи I₁иI₂. Источник_II₂учитывает передачу тока из коллектора в эмиттер, а источник_NI₁из эмиттера в коллектор._N и_I- коэффициенты передачи тока при нормальном инверсном включениях. Источник_NI₁отражает инжекцию электронов из эмиттера в базу и перенос из через базу в коллектор и нежелательную инжекцию дырок и базы в эмиттер. Источник_II­₂отражает инжекцию электронов из коллектора в базу и перенос их через базу в эмиттер и инжекцию дырок из базы в коллектор.

Из рис. 2.15 можно записать:

(2.6.1)

(2.6.2)

(2.6.3)

Используя выражения для ВАХ диода согласно которым I₁=I_ЭО[exp(qU_БЭ/KT)-1],I₂=I_KО[exp(qU_БK/KT)-1], гдеI_ЭОиI_КОпараметры модели имеющие смысл тепловых обратных токов, записанные три уравнения можно переписать в виде:, (2.6.4)

(2.6.5)

. (2.6.6)

Из этих уравнений можно получить аналитические модели для любого семейства характеристик в любой схеме включения.

Модель Эбберса-Молла определяет статические вольт-амперные характеристики и не учитывает многих особенностей транзистора: объёмных сопротивлений областей, рекомбинацю в эмиттерном переходе, модуляцию толщины базы и т.д.

2.7. Транзистор как линейный четырехполюсник

Транзистор можно рассматривать как линейный четырехполюсник (рис. 2.16). При небольших изменениях напряжений и токов статические характеристики транзистора можно считать почти линейными.

Пусть независимыми переменными являются входной ток I₁и выходное напряжение U₂. Тогда U₁=f₁(I₁,U₂) и I₂=f₂(I₁,U₂).

Для небольших приращений напряжений и токов можно записать:

U₁=, (2.7.1)

I₂=. (2.7.2)

Пусть U₂иI₁малые гармонические колебанияcкомплексными амплитудами,, тогда уравнения можно переписать в виде:

, (2.7.3)

, (2.7.4)

h- параметры являются комплексными величинами и имеют следующий смысл:

h₁₁=при=0- входное сопротивление при короткозамкнутой на выходе переменной составляющей U₂=const.

h₁₂=при=0- коэффициент обратной связи по напряжению

при разомкнутом входе для переменной составляющей I₁=const.

h₂₁=при=0- коэффициент передачи тока при короткозамкнутом выходе по переменному току U₂=const. В схеме с ОЭ

h_21Э=+I_Б . (2.7.5)

h₂₂=при=0- выходная проводимость при разомкнутом входе, для переменной составляющей.

Значения h-параметров зависят от величины входного тока и выходного напряжения, от схемы включения и частоты.

h-параметры достаточно просто определяются на низких частотах и используются для расчета схем.

Применяется также система Y-параметров, для определения которой в качестве независимых переменных выбирают входное и выходное напряжения.

Y-параметры наиболее удобны для описания высокочастотных свойств транзисторов.

2.8. Конструкции биполярных транзисторов

В качестве дискретных транзисторов, а также транзисторов интегральных микросхем наибольшее применение находят планарные и планарно-эпитаксиальные транзисторы.

n-p-n транзисторы. 1. Планарные транзисторы с вертикальной структурой n-p-n (рис. 2.17).

В транзисторах с вертикальной структурой носители заряда движутся от эмиттера к коллектору в направлении перпендикулярном поверхности кристалла. Планарный транзистор, показанный на рис. 2.17 получают методом тройной диффузии.

Эти транзисторы отличает простота технологии, высокая плотность компоновки. К недостаткам данной структуры следует отнести: большое сопротивление тела коллекторной области, неоднородное легирование коллектора по глубине. Для уменьшения сопротивления коллекторной области для ее формирования используют ионную имплантацию.

2. Планарно-эпитаксиальный транзистор n-p-n (рис. 2.18).

Коллекторная область такого транзистора получается на основе эпитаксиально-выращенного на подложке p-типа слоя n. Сильно легированный скрытый слой n⁺предназначен для снижения сопротивления тела коллектора и уменьшения влияния подложки на работу транзистора. n⁺ слой формируется диффузией перед эпитаксиальным наращиванием n-слоя. Транзистор от транзистора в ИМС отделяются слоями p⁺, получаемыми разделительной диффузией. Высокоомная эпитаксиальная область n, прилегающая к коллекторному p-n-переходу, необходима для полуения высокого коллекторного напряжения и снижения коллекторной емкости.

3. Многоэмиттерный интегральный транзистор (рис 2.19,2.20).

Такие транзисторы широко применяются в ТТЛ ИМС. Количество эмиттеров составляет от 3 до 8.

Расстояние между эмиттерами выбирают больше диффузионной длины носителей в базовом слое, чтобы носители не проникали от эмиттера к эмиттеру через боковые поверхности.

4. Супербета транзистор. Такие транзисторы имеют сверхтонкую базу W=0,2-0,3 мкм, при которой коэффициент усиления =3000-5000. Малая толщина базы обуславливает низкое пробивное напряжение супербета транзисторов (1,5-2 В), что является результатом смыкания переходов. Поэтому супербета транзисторы являются не универсальными, а специализированными элементами ИМС, применяемыми во входных каскадах операционных усилителей.

p-n-p транзисторы. Транзисторы с такой структурой значительно уступают n-p-n транзисторам по коэффициенту усиления и предельной частоте при изготовлении их в едином технологическом цикле.

Меньшая предельная частота p-n-p транзисторов связана с меньшей подвижностью дырок по сравнению с подвижностью электронов (в 3 раза).

1. В качестве интегральных p-n-p транзисторов могут использоваться структуры p-n-p, образованные слоями базы, коллектора и подложки. Такие транзисторы (рис. 2.21) называются паразитными и имеют низкие параметры из-за большой ширины базы и слабой степени легирования эмиттера.

2. Основным вариантом p-n-p транзистора является горизонтальный

p-n-p транзистор: эмиттерный и коллекторные слои получают на этапе базовой диффузии (рис. 2.22).

Коллекторный слой охватывает эмиттерный слой со всех сторон. Горизонтальные p-n-p транзисторы имеют предельную частоту 20-40 МГц и коэффициент усиления до 50. Недостатками горизонтального p-n-p транзистора являются большая толщина базы и ее однородность.

3. Вертикальный p-n-p транзистор. Для изготовления такого транзистора требуется глубокая диффузия p-слоя (коллекторного) и заключительная диффузия p⁺-слоя (эмиттерного). Структура вертикального p-n-p транзистора показана на рис. 2.23.

Биполярные транзисторы, полученные по технологии «кремний на сапфире». При использовании данной технологии р-n-pиn-p-nтранзисторы изготавливаются отдельно друг от друга, начиная с эпитаксии р-слоя рис. 2.24.

Рис. 2.24

Для получения эпитаксиальных nи р слоев используется локальная эпитаксия, через разные маски. Раздельное изготовление р-n-pтранзисторов иn-p-nтранзисторов позволяет оптимизировать характеристики слоев для транзисторов обоих типов.

Интегральные схемы, изготовленные по технологии «кремний на сапфире» обладают повышенной радиационной стойкостью. Однако локальная эпитаксия и дополнительные процессы диффузии, значительно усложняют и удорожают технологический процесс производства.

Многоколлекторные транзисторы. Структура многоколлекторного транзистора показана на рис. 2.25.

Схемные модели многоколлекторного транзистора представлены на рис. 2.26.

Многоколлекторный транзистор можно рассматривать как многоэмиттерный транзистор в инверсном режиме. Общим эмиттером является эпитаксиальный n^--слой, а коллекторамиn⁺-слой малых размеров. Такое структурное решение составляет основу так называемых цифровых ИС инжекционной логики И²Л.

Для увеличения коэффициента передачи тока от общего n^-эмиттера к каждому изn⁺коллекторов скрытыйn⁺слой располагают как можно ближе к базовому или даже обеспечивают контактирование с ним. В этом случае высоколегированныйn⁺слой, являясь эмиттером обеспечивает высокий коэффициент передачи тока. Для увеличения коэффициента переносаn⁺коллекторы располагают как можно ближе друг к другу, сокращая тем самым площадь пассивной базы.

Рис. 2.25

Рис. 2.26

Коэффициент усиления β на всю совокупность коллекторов составляет от 3 до 5. Также транзисторы работают на частотах от 20 до 50 мГц.

Биполярные транзисторы с диодом Шоттки.В обычных транзисторах база насыщается носителями заряда, что увеличивает время переключения транзистора из полностью открытого в закрытое состояние. Для устранения этого эффекта в структуру транзистора включают диод Шоттки, шунтирующий область базы, когда напряжение на коллекторе становится меньше напряжения на базе рис. 2.27.

Когда транзистор закрыт или работает в активном напряжение на коллеторе больше напряжения на базе и диод Шоттки находится под обратным смещением и не оказывает влияния на работу транзистора. Структура биполярного транзистора с диодом Шоттки показана на рис. Рис. 2.28. Алюминиевая металлизация базы продлена в сторону коллектора. Алюминиевая металлизация образует с областью с областью р- базы невыпрямляющий омический контакт, с n-слоем коллектора выпрямляющий контакт.

Рис. 2.27

Рис. 2.28

Такое включение диода Шоттки позволяет практически исключить накопление и рассасывание носителей неосновных в базе, т.к. падение напряжения на диоде Шоттки в прямом включении составляет ~0,1В. Это позволяет уменьшить время переключения транзисторов из полностью открытого состояния в закрытое состояние в 1,5 2 раза.