книги из ГПНТБ / Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники

где ТЭр — дырочная составляющая тока эмиттера. При . этом если включать в коллекторную цець сопротивление R n нужной величины, то можно получить Заметное усиление напряжения. Действительно, при смещении эмиттерного перехода напряже­ нием порядка (0,3—0,5) в токи эмиттера / э и коллектора / к при­ ближаются к своим номинальным значениям. Если сопротивление

Напряжение можно усилить и трансформатором. Но транзистор наряду с увеличением напряжения обеспечивает усиление мощ­ ности электрических сигналов, поступающих на его вход. В рас­ сматриваемом примере мощность, расходуемая на входе транзис­

Для повышения коэффициента усиления по мощности необхо­ димо:

во-первых, уменьшить величину рекомбинационного тока в базе /б,., с тем чтобы увеличить поток неосновных носителей заряда, поступающих в коллектор;

во-вторых, уменьшить ток основных носителей заряда, поки­ дающих базу через эмиттерный переход, так как их поток не при­ водит к изменению тока коллектора, а следовательно, не спо­ собствует усилению мощности электрических сигналов.

Для выполнения первого условия предъявляются определен­ ные требования к базовой области транзистора. Второе условие обеспечивается главным образом соответствующим подбором пара­ метров эмиттерной области.

Перенос неосновных носителей заряда и особенности базовой области

При движении через базовую область часть неосновных носи­ телей заряда рекомбинируется с электронами и не доходит до коллекторного нерехода, • образуя рекомбинационный ток /б ,.. Выясним, какими параметрами транзистора характеризуется величина рекомбинационного тока. Предположим, за среднее время пролета носителей XTN в базу поступает р дырок, т. е. дырочная составляющая тока эмиттера равна:

Т— IS—

1ap — ~Г/V •

В результате рекомбинации в области базы в единицу времени исчезают p/xrN дырок. Следовательно, за время пролета XTN,

100

зом, поток неосновных носителей заряда, дошедших до коллек­ торного перехода, образует ток

/ э р ( 1 - " т Г Т Г ) = = / Э Р А Г Л '

C r.V

Ослабление потока характеризуется коэффициентом переноса неосновных носителей заряда в базе ссгдг, который приблизи­ тельно равен:

ристическими параметрами полупроводникового кристалла базо­ вой области (временем жизни неосновных носителей т, подвиж­ ностью носителей д.), электростатическим потенциалом, конфигу­ рацией базы и ее геометрическими размерами. База транзистора обычно состоит из трех областей: активной, пассивной и боковой (рис. 4-11). Нормально направленный поток образуется в активной области, так как основная масса носителей заряда, инжектиру­ емых эмиттером, захватывается коллектором (именно для этой цели площадь коллектора имеет большие размеры, чем площадь эмиттера).

Активная область базы диффузионного транзистора представ­ ляет собой однородную область, в которой время жизни неоснов­ ных носителей заряда т и их подвижность ц остаются постоянными. Вдоль базы остается постоянным и электростатический потенциал •ф. Поэтому среднее время жизни носителей для нормально направ­ ленного потока %гн равняется времени жизни носителей т. В соот­ ветствии с формулой (2-28а) среднее время пролета Носителей

через которую захватываются неосновные носители, инжектиру­ емые эмиттером.

101

W2

Величину T D = -^р- обычно называют средним временем диф­

фузии.

Активная область базы дрейфового транзистора существенно неоднородна. Поэтому в ней происходит заметное изменение времени жизни и подвижности носителей заряда вдоль базы. Время жизни носителей т меньше у эмиттерного перехода, так как в этой области велика концентрация примесей, которые представ­

'S K . a°

График функции

/(1 l) = ^ - [ ^ - e - ^ s h r i ] ,

характеризующей влияние встроенного электростатического поля

Уменьшить TJ-N МОЖНО за счет сужения толщины базы W, но, разумеется, до определенного предела. Прежде всего с уменьше­ нием толщины базы возрастает объемное сопротивление базы i s , что приводит к увеличению высокочастотных искажений, обуслов­ ленных влиянием зарядной емкости коллектора Ск , а следовательно, к снижению добротности транзистора (см. § 5-10). Оптимальная толщина базы, при которой добротность достигает максимальной величины, для диффузионных транзисторов примерно равна

102

базы определяется пе этим оптимумом, а явлением смыкания пере­ ходов. Чрезмерное уменьшение толщины базы может привести к смыканию эмиттерного и коллекторного переходов, так как при смещении коллекторного перехода в обратном-направлении пере­ ходный слой, расширяясь, занимает всю область базы. Поэтому приходится ограничивать толщину базы дрейфового транзистора величиной не менее чем 1—2 мкм, и только в эпитаксиальных дрейфовых транзисторах, у которых между базовой и коллектор­ ной областями имеется высокоомный л- или v-слой (см. § 4-1), препятствующий заметному расширению коллекторного пере­ хода, удается уменьшить ширину базы до десятых долей ми­ крона.

Увеличение коэффициента переноса <ZTN за счет повышения времени жизни носителей заряда тоже ограничено. Во-кервых, для повышения времени жизни требуются очень чистые полупро­ водники с малым количеством дефектов, в том числе и примесей. Между тем введение примесей в базу необходимо для уменьше­ ния объемного сопротивления г6, а в дрейфовых транзисторах также для образования встроенного поля. Во-вторых, с увеличе­ нием времени жизни возрастает инерционность транзистора, так как замедляются переходные процессы, обусловленные реком­ бинацией носителей заряда в базе (см. § 4-4). При этом увеличи­ ваются искажения высокочастотных и импульсных сигналов. Обычно среднее значение времени жизни составляет единицы и десятые доли микросекунды для диффузионных транзисторов. Для дрейфовых транзисторов оно на порядок меньше. При этом удается обеспечить величину атм = 0,98 — 0,99 и больше.

Инжекция неосновных носителей и особенности эмиттерной области

Для повышения усиления мощности необходимо, чтобы ток инжекции через эмиттерный переход по возможности 1 образовался потоком носителей, которые являются неосновными для области базы. При этом в эмиттерной цепи уменьшится расход мощности, растрачиваемой бесцельно для формирования потока основных носителей заряда. Поток этих носителей не приводит к изменению тока коллектора, а следовательно, не способствует усилению мощности. Таким образом, необходимо выбирать параметры эмиттерной области так, чтобы обеспечить высокую эффективность эмиттера.

Эффективность характеризуется коэффициентом инжекции эмиттера, определяемым отношением тока неосновных носителей заряда к суммарному току эмиттера.

1 При рассмотрении работы биполярных транзисторов разделение носи­ телей заряда на неосновные п основные производится применительно для об­ ласти базы.

103

Ток неосновных носителей (для р-п-р транзистора — дырочная состав­

ляющая) определяется следующим выражением:

где / э г р — дырочная составляющая теплового тока эмпттерпого перехода;" аТ1 — инверсный коэффициент переноса неосновных посптелей заряда 1 ; mD — коэффициент, характеризующий отклонение от экспоненциального закона завпспмостп тока от напряжения прп высоких уровнях инжекцпп (см. § 2-4; 3-5).

Наряду с дырочным током через эмнттерпый переход протекают электрон­ ная составляющая тока 1зп, ток рекомбинации — генерации в эмиттерпом

переходе /э ,- п канальный ток / э с . Эти токи образуются потоком основных носителей, поэтому они приводят к снижению эффективности эмиттера. Пер­ вый пз этих токов определяется выражением

где / э Г л — электронная составляющая теплового тока эмпттерпого перехода; mDn — коэффициент, играющий ту же роль, что и пгд для дырочного тока.

Ток рекомбинации—генерации в переходном слое н канальный ток 2 эмпттерного перехода определяются следующими соотношениями:

Таким образом, коэффициент инжекции эмиттера, определяемый как отношение тока неосновных носителей к суммарному току эмиттера, выра­ жается формулой

С изменением уровня смещения U3 изменяется относительная величина отдельных составляющих тока, поэтому меняется коэф­ фициент инжекцииу3 . График этой зависимости показан на рис. 4-13.

В области микротоков (рис. 4-13, область /) коэффициент инжек­ ции эмиттера значительно меньше единицы из-за -рекомбинации в самом переходе и влияния канального тока. Снижение эффек­ тивности эмиттера в области микротоков особенно заметно для

1 Коэффициент аТ[, так же как a T N , характеризует умепьшенпе (из-за рекомбинации) инверсного потока неосновных носителей заряда, направлен­ ного от коллектора к эмиттеру (см. § 4-2).

2 Строго говоря, канальный ток складывается из потока основных и неос­ новных носителей. Поток неосновных носителей канального тока ничтожно мал по сравнению с потоком инжекции, поэтому первым пз них пренебрегают.

104

кремниевых транзисторов, у которых ток рекомби'нацпп-гепе- рации и канальный ток даже при комнатной температуре дости­ гают заметной величины. С понижением температуры область

бинации и канального тока, поэтому возрастает коэффициент инжекции.

В области средних токов (рис. 4-13, область 77) можно пренеб­ речь током рекомбинации в переходе и канальным током. В этой

101 9 am/см3. Обычно же концентрация примесей в эмиттере N3 составляет 101 8 am/см3. Минимальная концентрация примесей в базе не может быть меньше концентрации носителей заряда собственного полупроводника, которая для германия примерно равна 1013 см~3, а для кремния — 101 0 см'3. Чтобы достигнуть столь низкой концентрации носителей заряда, требуется сверх­ чистый полупроводник. Кроме того, при низкой концентрации носителей заряда в базе объемное сопротивление этой области оказывается недопустимо большим, а это приводит к снижению добротности транзистора.

Вдрейфовых транзисторах уменьшение концентрации примесей

вбазе связано еще с одним дополнительным ограничением. Как известно, в базовой области дрейфового транзистора встроенное электрическое поле образуется в результате перепада концент­ рации примесей. При этом напряженность электрического поля возрастает с увеличением отношения концентрации примесей у

эмиттерпого перехода УУбэ к их концентрации вблизи коллек­ торного перехода NQU. Следовательно, минимальная концент-

105

рация примесей в базе дрейфового транзистора составляет для германиевых приборов Nqk т 1013 am/см3, а для кремниевых — iV(5K « 101 0 am/см3. Концентрацию же примесей в базе непо­

средственно у эмиттерного перехода нельзя делать больше 101 5 —1016 ami см3, так как коэффициент инжекции у0 становится меньше 0,99—0,999.

Таким образом, наибольший возможный перепад концентра­ ции примесей в базе дрейфового транзистора составляет для герма­ ниевых приборов 102—10s, а для кремниевых приборов 105—106.

При этом коэффициент неоднородности базы т| = у In (Nq0IN достигает величины 2—3 для германиевых транзисторов и 3—4

для кремниевых, а напряженность встроенного электрического поля Е0 = 2r\q>T/W (при W = 10""1 см; срт = 25-Ю"3 в) составит

всего 1 ООО—1 500 в!см в базе германиевых транзисторов и 1 500— 2 000 в/см в базе кремниевых транзисторов.

Итак, в области средних токов соответствующим подбором концентрации примесей как для диффузионных, так и для дрей­ фовых транзисторов обычно обеспечивают достаточно высокую эффективность эмиттера, характеризуемую величиной коэффи­ циента инжекции не менее чем 0,99—0,999.

В области больших токов (рис. 4-13, область III) из-за увели­ чения концентрации неравновесных носителей концентрации элек-

.тронов и дырок становятся сравнимыми между собой. Поэтому возрастает диффузионная составляющая тока, образуемого пото­ ком основных носителей, и, следовательно, снижается коэффи­ циент инжекции, величину которого можно рассчитать по прибли­ женной формуле [учитывая, что тор < 1 и топ •< 1, причем mDn < mDp (см. § 2-4)]:

Тэ

Расчет составляющих токов весьма сложен. Поэтому работу транзистора целесообразно характеризовать коэффициентом пере­ дачи тока эмиттера а,у, который позволяет рассчитать, какая часть суммарного эмиттерного тока 1Э поступает в коллектор. Коэффициент передачи тока адг аналитически определяется про­ изведением

где Мк — коэффициент умножения носителей в коллекторном переходе. При низких и средних значениях коллекторного сме­ щения UK коэффициент Мк равен единице. При напряжениях, граничащих с напряжением пробоя (см. § 3-5), происходит умно­ жение носителей в коллекторном переходе {М1{ >> 1), что приводит к увеличению тока коллектора.

106

!

В современных транзисторах составляет 0,95—0,99 и больше. При нормальном включении транзистора ток коллектора выра­ жается соотношением

Особенности коллекторной области

Выясним, какие требования предъявляются к коллекторной области транзистора. Прежде всего эта область должна быть низкоомной, для того чтобы объемное сопротивление коллектора г'к было мало. При этом снижается расход энергии, которая не поступает в нагрузку. Следует также уменьшить составляющую теплового тока / в г л , величина которой определяется потоком неосновных носителей заряда из коллекторной области в базу. Как известно, тепловой ток не управляется сигналом и, являясь балластным током, приводит к бесцельной затрате энергии в кол­ лекторной цепи. Указанную составляющую теплового тока можно уменьшить снижением концентрации неосновных носителей заряда в коллекторной области. Для этого необходимо увеличить кон­ центрацию примесей, т. е. выбирать материал коллекторной области низкоомным. Кроме того, в высокоомном коллекторе при насыщении транзистора происходит заметное накопление неосновных носителей заряда (§ 4-3), а это повышает инерцион­ ность транзистора.

В диффузионных транзисторах удается без особого труда получить коллекторную область, такую же низкоомную, как и эмиттерная. У дрейфовых транзисторов коллекторная область обычно составляет часть исходного монокристалла, который берется высокоомным, с тем чтобы в базовой области при диф­ фузии можно было получить сравнительно большой перепад концент­ рации примесей (см. § 4-1). При этом, чтобы удовлетворить ука­ занным требованиям, необходимо уменьшить сопротивление кол­ лекторной области путем последующей диффузии примесей в кол­ лектор. В эпитаксиальных транзисторах с диффузионной базой эта проблема решается более удобным способом. Исходный моно­ кристалл, который затем используется как коллектор, берется низкоомным. На этом кристалле эпитаксиальным наращиванием получают высокоомную пленку, в которой диффузией формируют базу, тем самым получая и низкоомный коллектор и базу с высо­ ким перепадом концентрации примесей.

Усиление тока

Прежде чем выяснить, способен ли транзистор усилить ток, рассмотрим составляющие токов эмиттера, коллектора и базы.

Как было показано, ток эмиттера складывается из следующих составляющих:

107

Заметим, что для транзистора р-п-р типа только первое сла­ гаемое hP представляет собой дырочный ток, т. е. ток неосновных носителей заряда. Все остальные слагаемые образуют электронный ток, т. е. ток основных носителей заряда.

Ток коллектора (при Мк = 1)

образом неосновными носителями заряда, то ток базы образуется

электронная составляющая канального тока); 1§г = h (тгл!/т,.,\) — рекомбинащюнный ток, который образуется потоком электронов, рекомбинируемых в базе с дырками; 1кТп — составляющая тепло­ вого тока коллектора, который образуется потоком электронов, переходящих из коллектора в базу, и, наконец, 1ктр — электрон­ ный ток, по величине равный дырочной составляющей теплового тока коллектора, который возникает благодаря генерации пар

Так как aN < 1 , то входной ток не усиливается. Усиление мощ­ ности в этом случае обеспечивается за счет усиления напряжения.

Для того чтобы транзистор усиливал ток, следует в качестве входного контакта использовать базовый. При этом входным током является ток базы (1ах — / б ) , а выходным током может быть либо ток коллектора, либо ток эмиттера, равный:

•Твых = h = h + Ie-

108

Подставив последнее соотношение в выражение (4-5), получим:

/ к = aJv^к ^-a^v/o+Jr к7•• .

тельно, при работе транзистора с базовым входом и коллекторным выходом происходит усиление тока в p\v раз. Если же в качестве выхода используется эмиттер, то ток усиливается в (1 -f- р\у) раз. Действительно,

/ в ы х = h = Л, + h = (1 + Pw) /б + (1 + Pff) /кт.

Выясним физическую причину усиления тока транзистором. Пусть за время ТГ Л г через базовый вывод поступают в базу р-п-р транзистора п± элект­ ропов, т. е. ток Сазы / 6 = cnJxTN. Так как база должна оставаться электри­

чески нейтральной, то через эмпттерный переход сразу же поступит такое же количество дырок р1 = пх. Дырки начнут перемещаться к коллектору. Прп этом в результате рекомбинации исчезнет p1xTN/xrN дырок п такое же коли­

чество электронов. Оставшаяся часть дырок, дойдя до коллекторного пере­ хода, уходит из базы в коллектор. Электроны ж^ останутся в базе, так как п эмпттерный и коллекторный переходы представляют для них непреодоли­ мые барьеры, а через базовый вывод они не могут уходить, поскольку к этому моменту времени через него вновь поступает другая порция электронов nx . При этом общее количество электронов почти удваивается:

n3 = 100 - 100 • 0,01 +100 = 199.

Для нейтрализации заряда электронов в базу через эмпттерный переход поступают р.2 = п2 дырок, часть которых,

доходя до коллекторного перехода, поступает в коллекторную цепь, вызывая изменение выходного тока, почтп вдвое превышающее пзмененне входного тока.

Нарастанпе потока дырок происходит до тех пор, пока чпело рекомбинпрующих дырок не станет равным числу электронов, поступающих в базу, т. е. пока пе будет выполняться условие

р x r—N = пь rN

Так как количество дырок пропорционально приращению тока эмиттера ( Д / 3 ^= р), а количество электронов — приращению тока базы (Д/в п^,

то их отношение

109