Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

жащих более одного р-п-перехода, возникает новое интересное явление, называемое явлением прокола (сквозного пробоя). Оно заключается в том, что при изменении напряжений на электродах структуры возможна ситуация, при которой области пространственного заряда р-п-переходов начинают перекрываться, и тогда ток в структуре начинает быстро нарастать, как при пробое. В биполярном транзисторе такая ситуация возникает, когда с увеличением напряжения на коллекторе части областей пространственного заряда эмиттерного и коллекторного р - п - переходов, расположенные в базе, смыкаются. Решая уравнение Пуассона (1.5) для транзисторной структуры с однородно легированной базой толщиной W и концентрациями легирующих примесей в эмиттере, базе и коллекторе, удовлетворяющих соотношению N& > » Naк, нетрудно найти условие возникновения прокола:

и коллекторного переходов, соответственно. Если принять, что толщина обедненного слоя эмиттерного перехода (первое слагаемое в (2.15)) мала по сравнению с толщиной той части обедненного слоя коллекторного перехода, которая расположена в базе, и пренебречь величиной ф^к по сравнению с приложенным к коллектору внешним напряжением, то напряжение прокола можно оценить по формуле

Как показывают расчеты, после достижения напряжения У п р о к высота потенциального барьера, который необходимо преодолевать инжектируемым носителям, начинает быстро уменьшаться с ростом напряжения на коллекторе, а ток коллектора — экспоненциально быстро возрастать (вольт-амперная характеристика диода с проколом будет рассчитана нами в п. 6.3, когда мы будем изучать работу инжекционно-пролетного диода).

Явление прокола можно наблюдать в транзисторах с тонкой слабо легированной базой, в которых смыкание областей пространственного заряда происходит при напряжении на коллекторе, недостаточном для развития лавинного пробоя.

приведет к выходу прибора из строя. Однако даже если этого не произойдет, возникновение сильных температурных градиентов в приборе может вызвать растрескивание кристалла.

Режим работы, при котором возникает вторичный пробой, сильно зависит от геометрии прибора. Для обеспечения однородности протекания тока в мощных транзисторах их выводы базы и эмиттера выполняют в виде гребенчатой структуры (см. рис. 2.7 6), причем выводы отдельных эмиттерных полосок подключают к общему выводу эмиттера через стабилизирующие (балластные) резисторы, которые компенсируют любое отклонение тока в отдельном эмиттере [11].

Рис. 2.10. Область безопасной работы транзистора 2SC3307 в статическом режиме и при подаче одиночных импульсов указанной длительности

Область электрических режимов, в которых возможна длительная и надежная эксплуатация мощных транзисторов, называется областью безопасной работы. Область безопасной работы ограничена отрезками четырех линий (см. рис. 2.10): линии максимального рабочего тока 1, линии максимальной рассеиваемой мощности 2, линии максимального рабочего напряжения 4, и линии 3, ограничивающей область, за пределами которой возможно возникновение вторичного пробоя. Максимальный

рабочий ток определяется током, при котором коэффициент усиления транзистора /? имеет еще приемлемое значение (как мы доказали в п. 2.2.3, при высоких плотностях тока /? быстро уменьшается). Максимальная рассеиваемая мощность определяется условиями отвода тепла от прибора и связана с необходимостью ограничить среднюю температуру полупроводникового кристалла значением, при котором транзистор еще остается вполне -управляемым, а темп деградации прибора невелик. Для кремниевых приборов эта температура лежит в пределах 150-200 °С. В двойном логарифмическом масштабе (lg/K -lgVK 9 ) линия максимальной рассеиваемой мощности имеет наклон, равный — 1. Максимальное рабочее напряжение ограничено напряжением Пробоя транзистора в схеме с общим эмиттером (Ъпроб)оэ- ^ Наконец, граница области вторичного пробоя определяет ту обметь, в которой транзистор данной конструкции может рабо-

достаточно стабильно. Положение этой линии для каждого типа транзисторов находится экспериментально и приводится в технической документации. Поскольку, как мы отмечали выше, возникновение вторичного пробоя зависит от продолжительности доотекания тока и рассеиваемой мощности, положение границы $£ласти вторичного пробоя в импульсном режиме (как и положение линии ограничения по мощности) зависит от длительности импульсов (см. рис. 2.10).

? 2 . 4 . В ы с о к о ч а с т о т н ы е с в о й с т в а и б ы с т р о д е й с т в и е т р а н з и с т о р о в

N

•

2 . 4 . 1 . Ч а с т о т а о т с е ч к и и максимальная частота генера-

Дри. Одним из наиболее важных требований, предъявляемых It транзисторам, является их высокое быстродействие. Так, для создания процессоров ЭВМ необходимо, чтобы максимальная рабочая частота транзисторов была примерно в 30 раз выше тактовой частоты процессора. Это означает, что для создания современного процессора с тактовой частотой 3 ГГц необходимы транзисторы, способные работать на частоте 90 ГГц. В этом разделе мы рассмотрим, какие параметры конструкции биполярных транзисторов определяют их высокочастотные свойства.

') Напряжение пробоя коллекторного перехода при этом часто указывается

всправочниках как максимальное импульсное напряжение между эмиттером

иколлектором при закрытом транзисторе.

Как мы отмечали в п. 2.2, в дрейфовых транзисторах, в базе которых специально создано встроенное электрическое поле, время пролета носителей через базу заметно меньше, чем в транзисторах с однородно легированной базой. Расчеты показывают, что если напряженность встроенного поля в базе постоянна и равна £ы, то время пролета уменьшается в

носителей через обедненный слой коллекторного р-п-перехода. Полагая, что в сильном электрическом поле р-п-перехода

где Хобедн.к — толщина обедненного слоя коллекторного перехода. Наконец, последнее слагаемое в (2.17) представляет собой постоянную времени заряда коллектора, равную произведению барьерной емкости коллекторного перехода Скв и последователь-

ного сопротивления области коллектора гк :

Таким образом, полное время задержки имеет вид:

Из этой формулы следует, что для увеличения быстродействия транзистора необходимо уменьшать емкости эмиттера, коллектора и паразитную емкость базы транзистора, уменьшать толщину базы и последовательное сопротивление коллектора, а электронные схемы должны работать при достаточно больших токах Эмиттера. Толщина базы в современных кремниевых дрейфовых

О В сильном электрическом поле скорость дрейфа носителей в полупро-

поведения является сильный разогрев электронного газа, при котором основным механизмом рассеяния энергии носителей становится их рассеяние на оптических фононах. Для оценки скорости насыщения можно воспользоваться эмпирической формулой vs » у/Тшьо/т*. где TIUJLO — энергия продольного оптического фонона, а т* — эффективная масса носителя [2, 84].

транзисторах может быть сделана менее 0,1 мкм; при этом / т достигает 45 ГГц (транзистор BFP520 фирмы Siemens/Infineon). Для уменьшения гк в современных транзисторах коллектор делают в виде тонкого (2-5 мкм) слабо легированного эпитаксиального слоя, выращенного на сильно легированной (п + ) подложке. Невысокая концентрация примесей в коллекторе важна для получения низкой емкости коллекторного перехода. Следует заметить, что из-за малой толщины базы и коллектора СВЧ транзисторы обычно имеют невысокое рабочее напряжение.

Расчеты показывают (14], что коэффициент усиления тран-

зистора по мощности на высокой частоте определяется не только временем распространения сигнала от эмиттера к коллектору, но также и постоянной времени, действующей внутри транзистора обратной связи, которая равна произведению сопротивления базы транзистора г^ на емкость коллекторного перехода Ск&

Частота, на которой коэффициент усиления по мощности обра-

щается в единицу, называют максимальной частотой генера-

ции транзистора:

На частотах выше fmax коэффициент усиления по мощности становится меньше единицы и осуществить режим самовозбуждения генератора на этой частоте невозможно.

Из формулы (2.23) следует, что для получения высокого значения / т а х необходимо не только уменьшать время задержки распространения сигнала тес, но и уменьшать сопротивление базы. К сожалению, это сделать довольно трудно из-за необходимости иметь в высокочастотных транзисторах как можно более тонкую базу. Для понижения гб база СВЧ транзисторов легируется достаточно сильно (при этом в жертву приносится коэффициент усиления по току), а специальная геометрия транзисторов (полосковая геометрия эмиттера или гребенчатая конструкция в более мощных транзисторах, см. рис. 2.7) способствует укорочению среднего пути тока в области базы. Ширина эмиттерной полоски является, пожалуй, наиболее важным фактором, определяющим величину re и максимальную частоту генерации. Нетрудно видеть, что при постоянной площади эмиттера уменьшение ширины эмиттерной полоски Ь9 сопровождается увеличением ее длины, при этом сопротивление области базы, расположенной

под эмиттером, изменяется как Гб ~ L\ [88]. Тогда, если пренебречь изменением емкости коллектора при изменении геометрии

проектирования и моделирования работы этих приборов. В настоящее время для моделирования транзисторов разработаны воедиальные компьютерные программы (см., например, [116]), позволяющие оптимизировать их конструкцию, добиваясь достижения заданных значений различных параметров, в частности, быстродействия.

Эффект Кирка. На рис. 2.11 показана зависимость частоты йтсечки типичного высокочастотного транзистора, Видно, что п ростом тока коллектора частота отсечки сначала монотонно Цзрастает, а затем резко падает. В то время как начальное

/ к , м А

Рис. 2.11. Зависимость частоты отсечки транзистора 2N695 от тока коллектора при различных напряжениях VK& [117]

Оказалось, что причиной резкого спада fa является то, что с ростом тока коллектора падение напряжения на сравнительно высокоомной области коллектора быстро возрастает, пока при некотором токе это падение напряжения не превысит напряжение, приложенное между коллектором и базой. При этом

2.4. Высокочастотные свойства и быстродействие транзисторов 171

Так, в гетеропереходных транзисторах с широкозонным эмиттером из InP, в которых в качестве узкозонного полупроводника был использован согласованный с InP по параметру решетки твердый раствор Ino.53Gao.47As (см. рис. 2.13а), в 2003 г. удалось

симальная частота генерации в гетеропереходных транзисторах InP/InGaAs достигает / т а х = 310 ГГц [120]. Заметно увеличить быстродействие этих транзисторов удается за счет сильного легирования базы — до концентраций Naб = (4-6) • 1019 с м - 3 , при которых еще не происходит заметного снижения коэффициента инжекции гетеропереходного эмиттера. Это позволяет получить очень малые значения сопротивления базы 7*6 и постоянной времени внутренней обратной связи гб Ск . Уровень легирования

перехода. В настоящее время для создания гетеропереходных транзисторов с параметрами, несколько уступающими приведенным выше для пары InP-Ino.53Gao.47 As, используются такие пары как AlxGai_3;As-GaAs и Ino. 5 G a o . 5 P - GaAs (первым в паре указан более широкозонный материал). Очень перспективной Считается пара AlSb-InAs, поскольку арсенид индия имеет одну

коллектора, который расположен в узкозонной части структуры. Этот недостаток удается преодолеть в транзисторах с двойной гетероструктурой (DHBT — double heterojunction bipolar transistor), в которых коллектор изготавливают из более широкозонного полупроводника, например InP или A^Ini - iAs . Однако возникающий при этом разрыв в положении края зоны проводимости на коллекторном переходе препятствует движению носителей из базы в коллектор и тем самым ухудшает характеристики такого транзистора. Преодолеть эту проблему удалось в гетеропереходных транзисторах со структурой