2. Элементы и процессы твердотельной электроники

2.1. Распределение носителей и коэффициент передачи тока в транзисторной структуре

Если взять в качестве исходного примера n⁺-p-n структуру с однородно легированной базой толщиной,то распределение электронов с диффузионной длинойбудет повторять ранее рассмотренное решение для дырок на n-стороне диодной структуры.

.

Концентрации на границах поддерживаются напряжениями на эмиттерном и коллекторном переходах:

,

.

Для обратного напряжения на коллекторном переходе и при

в этом случае эффективность переноса .Фактическина величину тока рекомбинации, где- избыточный заряд электронов в базе. Тогда эффективность переноса. Величинапредставляет собой время диффузии сквозь базу. Поэтому эффективность переноса может быть представлена в виде

Вторая составляющая коэффициента передачи – эффективность эмиттерапредставляет собой долю электронного тока в общем токе эмиттера и естественно определяется отношением дырочного тока эмиттера к электронному. В тонком эмиттереи. Посколькуи, гдеи- объемные концентрации доноров в эмиттере и акцепторов в базе,,.и- поверхностные,cлоевые концентрации доноров в эмиттере и акцепторов в базе.

При малых и тогда.

Этот вывод позволяет резко уменьшить дырочный ток в тонком n+-эмиттере транзистора, если уменьшить скорость рекомбинации дырок на эмиттерном контакте, что и делается применением n+-поликремниевого контакта к эмиттеру.

2.2. Физическая структура биполярного транзистора

Активная область транзисторной структуры формируется базовой и эмиттерной диффузиями в эпитаксиальный слой с концентрацией . Распределение акцепторов при двухэтапной диффузии можно описать гауссовым законом:

,

а распределение доноров может описываться как гауссовой функцией ,

так и дополнительной функцией ошибок

, где .

Эти распределения включают в себя следующие параметры:

• , - концентрации акцепторов и доноров на поверхности базы и эмиттера (при= 0);

• , - характеристические длины диффузии акцепторов и доноров соответственно.

При одноэтапной диффузии характеристическая длина определяется коэффициентом диффузии , зависящем от температуры, и временем ее проведения:.

На рис. 10а приведены распределения доноров и акцепторов , формирующих n-эмиттер,p-базу иn-коллектор. На рис. 10б представлено распределение эффективной концентрации. По оси концентраций используется логарифмический масштаб.

В точках ипроисходит изменение типа электропроводности. Они являются металлургическими границами эмиттерного и коллекторногоp-nпереходов. Около каждой из них располагается ОПЗ соответствующего перехода; ширина ее показана на рис. 10б каки. Расстояние между границами ОПЗ в базе составляют эффективную толщину базы.

На рис. 11а в линейном масштабе показано распределение эффективной концентрации в области базы. Ее изменение порождает электрическое поле в базе напряженностью

.

аРис. 10.Распределения доноров и акцепторов (а) и эффективной концентрациив активной области биполярного транзистора

а

б

Рис.11.Распределение эффективной концентрации(а) и напряженности электрического поля(б) в базе биполярного транзистора.

Распределение напряженности поля показано на рис. 11б. Значение поля при движении от эмиттерного перехода к коллекторному сначала положительно, затем проходит через ноль в точке, где имеет экстремум, и на большей части «электронейтральной » базы отрицательно. Положительное электрическое поле тормозит электроны, двигающиеся от эмиттера к коллектору, а отрицательное – ускоряет.