Лекции / Старосельский.2005 / ЭКТ3 / Часть 3 / Часть 3 / 7

99

7. Особенности дрейфовых планарных транзисторов

7

N, см^-3

.1. Примесный профиль и встроенные электрические поля

10²⁰

пассивная

база

N_E

610¹⁸

N_B

N_C^*

10¹⁸

N_E^*

N_BЕ

N_C

N_BС

10¹⁷

n⁺

p

n

p

10¹⁶

N_S

w_E

w_B

w_C

0 x_jE x_jC x_jS x

Е

0 w_B x

eV_B0

E

F_i

E_c

E_c

F

E_v

E_v

— эффективные концентрации примеси: .

В базе в состоянии равновесия: .

Отсюда: ; . (7.1.1)

Падение напряжения на базе от встроенного поля:

; .

— фактор поля в базе. (7.1.2)

Обычно : — ускоряющее (электроны) поле.

Ускоряющее поле оказывает следующие действия:

1) уменьшает время пролета через базу и увеличивает ;

2) изменяет вид функции .

В эмиттере — квазиполя для электронов и дырок.

Для электронов (основных носителей):

;

(электронный газ вырожден).

Для дырок (неосновных носителей):

; ;

.

(см. рис.). Поэтому .

В коллекторе поле тормозит продвижение дырок к подложке — тормозящее поле.

7

E_c

E_v

F

E_v

.2. Распределение избыточных носителей заряда в базе

В нормальном режиме при НУИ стационарное уравнение непрерывности потока электронов в базе имеет вид:

, (7.2.1)

где , (7.2.2)

(знак «-», т.к. положительное направление тока — против оси х).

Допущения:

а) (НУИ); (7.2.3)

б) (нет рекомбинации).

Из (7.2.2): ; подставляя (7.2.3) в (7.2.2), получим:

.

Интегрируя от х до w_B, получим:

. (7.2.4)

При : . Из (7.2.4):

;

. (7.2.5)

Тестовый пример: , .

При этом: ; ; .

Из (6): .

0 w_B

x

n(x)

 = - 1

0

j_C

+ 1

+ 3

При :

, .

При : в большей части базы

;

, .

С ростом уменьшается .

7

E_c

E_v

F

E_v

.3. Время пролета неосновных носителей через базу

В нормальном режиме при НУИ и :

; ; ; . Отсюда: . (7.3.1а)

Аналогично: . (7.3.1б)

Для тестового примера: , , .

, (7.3.2)

где . При : .

При : .

— сильное поле (); — слабое поле.

; при : .

Практически .

7.4. Тепловые токи эмиттерного перехода

В разделе 7.2 получено:

. (7.2.5)

Поскольку рекомбинация в базе мала, .

Для НУИ: (граничное условие Шокли).

.

Подставляя эти соотношения в (7.2.5) при , получим:

, (7.4.1) где — (7.4.2)

обобщение числа Гуммеля на случай произвольного примесного профиля в базе.

По аналогии:

, (7.4.3) где — (7.4.4)

эффективное число Гуммеля в эмиттере. Формула (7.4.3) справедлива, если рекомбинация в эмиттере мала (обычно это так). В (7.4.4) приближение основано на том, что , а коэффициент диффузии в вырожденном полупроводнике практически не зависит от концентрации примеси , т.е. .

7.5. Коэффициент передачи эмиттерного тока

.

а) Коэффициент переноса: . (7.5.1)

Здесь — усредненное по координате время жизни в базе.

б) Эффективность эмиттера:

. Из (74.1) и (74.3):

(7.5.2) (как и в бездрейфовом приближении).

7.6. Частотная и переходная характеристика коэффициента передачи эмиттерного тока

В разделе 4.1 было показано, что в бездрейфовом приближении на частотах частотная характеристика коэффициента передачи эмиттерного тока приближенно описывается соотношением

, (4.1.12а)

а более точная аппроксимация имеет вид:

, (4.1.12б)

где , а параметр определяется соотношениями (4.1.14) и (4.1.8). Частотной характеристике (4.1.5б) соответствуют переходная характеристика, полученная в разделе 4.2

(4.2.1б)

Соотношения (4.1.12б), (4.1.8), (4.1.14) и (4.2.1б) подразумевают диффузионный механизм переноса неосновных носителей через базу от эмиттера к коллектору.

В дрейфовых транзисторах имеют место как диффузионный, так и дрейфовый механизм переноса. При чистом дрейфе () все электроны, инжектированные из эмиттера в базу, должны двигаться с одинаковой скоростью . При этом переходная характеристика коэффициента переноса должна иметь вид

что соответствует значению и, согласно (4.1.14), увеличению параметра при .

7.7. Инверсные параметры

Инверсный коэффициент передачи тока определяется из соотношения

: .

. Токи и найдены в разделе 8.4.

.

Ток складывается из токов через активную (I) и пассивную (II)

области коллекторного перехода: .

; .

, где — число Гуммеля в пассивной базе. /

Ток определяется свойствами коллектора:

, где — число Гуммеля в коллекторе.

.

Скрытый п⁺- слой в коллекторе значительно увеличивает .

Основные результаты

1. Неоднородное распределение примеси в базе приводит к сщуствованию встроенного электрического поля. Интенсивность поля характеризуется фактором поля.

2. Если на границе с эмиттереным переходом концентрация примеси выше, чем на границе с коллекторным, встроенное поля ускоряет неосновные носители, инжектированные в базу из эмиттера.

3. В вырожденном эмиттере встроенное поле для неосновных носителей незначительно.

4. При наличии встроенного поля времена пролета неосновных носителей через базу в прямом и инверсном направлениях определяются соотношениями (7а) и (7б).

5. Тепловые токи при наличии встроенного поля определяются такими же соотношениями, как и в бездрейфовом приближении при использовании обобщенных чисел Гуммеля.

6. Частотная характеристика коэффициента передачи эмиттерного тока, как и в бездрейфовом приближении, описывается соотношением (8б)

,

однако параметр возрастает с ростом фактора поля при .

7. При расчете инверсных параметров транзистора необходимо учитывать инжекцию носителей заряда через пассивные области коллекторного перехода.