2.15.3 Многоколлекторный бпт

Структура многоколлекторного [3, 4, 7, 9] транзистора (МКТ) аналогична структуре многоэмиттерного транзистора, но радикально отличается принцип применения этого прибора в схемотехнике логических элементов и, соответственно, топология прибора. Пример структуры и топологии трехколлекторного МКТ изображен на рисунке 2.39. Изображенный на рисунке транзистор имеет вертикальную структуру n-p-n-типа. В структуре МКТ эмиттерам и коллектору структуры МЭТ взаимно сменили функциональное назначение электродов:

• эмиттерам МЭТ назначена функция коллекторов К1, К2, К3 МКТ;

• коллектору МЭТ назначена функция эмиттера МКТ.

В связи с указанным переназначением электродов в качестве основного режима МКТ определен инверсный режим включения МЭТ. В этом режиме МКТ цифровых схем переключается между двумя состояниями: состоянием насыщения при прямом смещении перехода эмиттер-база и состоянием отсечки (при нулевом или обратном смещении перехода эмиттер-база).

Важным для МКТ является повышение коэффициента передачи тока эмиттера в коллекторы. Этому способствует размещение скрытого n⁺-слоя в эмиттере под базовым слоем, благодаря чему обеспечивается повышение коэффициента инжекции. Такие возможности эффективно реализуются в типовой технологической структуре КИД. Коэффициенты передачи тока эмиттера на совокупность коллекторов вполне достижимы на уровне α ≥ (0,8–0,9), что соответствует коэффициентам усиления тока базы B ≥ (4–10), достаточным для функционирования схем с числом коллекторов (2—5).

Для оценки коэффициента передачи тока эмиттера следует воспользоваться формулами (2.30) — (2.42) с учетом замечаний п. 2.12.7 и масштабных коэффициентов, определяемых отношением площади коллекторов Sк к эффективной площади эмиттера Sэ.

Для инжектированных носителей среднее время пролета носителей в базе МКТ tпр повышается вследствие действия тормозящего поля базы при диффузионной базе. Ослабление этого негативного эффекта обеспечивается в структуре КИД, для которой время пролета оценивается по формуле (2.82) при k1=2–2,4.

Типовое значение времени переключения (τ) МКТ составляет (5–10) нC.

На основе МКТ реализован базовый логический элемент, названный элементом с инжекционным питанием (Integrated Injection Logic, И²Л). Основная особенность принципа работы такого элемента — инжекция неравновесных неосновных носителей в биполярную транзисторную структуру со стороны. Способ инжекции может быть разной физической природы, включая световую, радиоактивную, электрическую. В приводимом материале обсуждаются приборы с электрическим способом инжекции.

Четырехэлектродную вертикальную структуру, приведенную на рисунке 2.39, можно рассматривать как два соединенных БПТ (p-n-p- и n-p-n-типа). Один из этих транзисторов (структура р-n-p⁺) выполняет функцию генератора инжектируемых носителей, а другой (структура n-p-n⁺) выполняет функцию управляемого переключателя. В качестве переключателя применен МКТ. Схема типового логического элемента И²Л с трехколлекторным МКТ приведена на рисунке 2.40.

Путем соединения выходов (K1, K2, K3) транзистора VTn металлическими проводниками со входами X аналогичных элементов можно реализовать функциональный элемент или функциональную группу с любой необходимой функцией преобразования цифровых сигналов. В отличие от схем, исполняемых на элементах ТТЛ или ДТЛ, где операции выполняются с помощью МЭТ или диодной сборки, в схемах И²Л эти операции выполняются монтажным соединением соответствующих входов/выходов.

Элементы И²Л имеют много различных физико-структурных и топологических вариантов реализации. Один из распространенных вариантов структуры с горизонтальной структурой инжектирующего p-n-p-транзистора показан на рисунке 2.41. В этой структуре применена n⁺-подложка и слаболегированный ЭПС n-типа. Они образуют общую эмиттерную область групп или всех МКТ кристалла. Инжектор и базы сформированы диффузией. Боковые n⁺-области исполнены локальной диффузией примесей перед формированием р-областей. Изоляции отдельных МКТ не требуется, так как все они имеют общую n-область. Тем не менее боковые n⁺-области по трем боковым сторонам р-баз n-р-n МЭТ (исключая сторону, обращенную к инжектору) создают «отражающую стенку», которая исключает влияние паразитных горизонтальных р-n-р-структур между базами смежных транзисторов VTn и способствует повышению коэффициента усиления В МКТ.

На рисунке 2.42 приведена структура, в которой совмещены МКТ (фрагмент слева) и обычный n-p-n БПТ со структурой типового БПТ ЭПСК (фрагмент справа). Такое сочетание МКТ и n-p-n БПТ вертикальной структурой находит применение в схемах обрамления логических схем, исполненных на МКТ. Многоколекторные транзисторы, вследствие деления общего коллекторного тока и применения специфической схемы питания, применяются для построения цифровых схем с уровнями сигналов U¹, не пре-вышающими (0,7–0,8) В при рабочих токах I⁰ от пико- до единиц микроампер. При таких значениях токов падение напряжения на элекродных областях МКТ не накладывает жестких ограничений на сопротивления этих областей.

Всвязи с этим выбор форм и размеров топологических конфигураций МКТ определяется конструктивно-технологичес-кими ограничениями по структурной и топологической реали-зации, обеспечивющими сокращение потерь переноса носителей в МКТ. На рисунке 2.43 приведен пример топологической конфигурации МКТ со структурой, представленной на рисунках 2.41, 2.42. Топологические формы областей приведены для иллюстрации размерных цепей и гипотетической рационализации выбора их форм. Размер Δ на рисунке соответствует минимально-допустимому конструктивно-технологическому зазору и опре-деляется по формулам (2.56) с учетом погрешностей совмещения, искажения линейных гра-ниц областей, шириныp-n-переходов. Размер Lcc определяется через сум-марную абсолютную флю-ктуацию границ топологи-ческого объекта (окна под контактную металли-зацию и иные электро-дные области). Мини-мальный линейный размер коллектора Lc согласно рисунку может быть определен через размеры Δ и Lcc. Если размер Lc может превышать минимальное значение, определяемое размерами Δ и Lcc, то ширина и длина базы должны соответствовать возможно высокому коэффициенту ее заполнения коллекторными поверхностями, так как коэффициент передачи МКТ зависит от отношения площадей коллекторов Sc и эмиттера Se. Ширина отражающей n⁺-области между смежными базами МКТ определяется ограничениями технологии формирования этой области.

Коэффициент передачи тока от инжектора в МКТ зависит от расположения баз и коллекторов относительно инжектора. Для баз и коллекторов, удаленных от инжектора, коэффициент передачи тока снижается. Поэтому следует группировать коллекторы вблизи инжектора, который, в свою очередь, следует размещать на минимально-допустимом расстоянии от баз МКТ. Наряду со структурами МКТ, показанными на рисунках 2.39, 2.41, 2.42, предложены и другие варианты, отличающиеся расположением инжектора относительно коллекторов. Используются инжекторы полосковой и сетчатой форм. При полосковом инжекторе базовые области располагают либо узкими сторонами по отношению к инжектору (см. рис. 2.43), либо широкими (база — поз. 2, инжектор — поз. 1), как на рисунке 2.44, а. В структуре, показанной на рисунке 2.44, б, сетчатый инжектор 1 окружает со всех сторон эмиттеры 2, со вложенными базовыми областями 3 и коллекторами 4. Разделительные n+-области в этой структуре исключаются, однако площадь элемента на кристалле увеличивается. Сетчатый инжектор позволяет повысить коэффициент передачи тока от инжектора в базу МКТ, уменьшить емкость эмиттерного перехода, снизить омическое сопротивление инжекторной области. Контактная металлизация на рисунке 2.44, б не показана.

Вструктурах, изображенных на рисунках 2.45,а, б, инжектор расположен под эмиттером. В варианте, изображенном на рисунке 2.45, а, используется р⁺-подложка, на которой создается тонкий эпитаксиальный n-слой. Плотность компоновки элементов повышается, так как на верхней поверхности нет инжекторных областей и их шин питания (вывод от эмиттера не показан).

Структура, изображенная на рисунке 2.45, б, исполняется на высокоомной n-подложке со скрытыми n⁺- и р⁺-слоями, причем n⁺-слой является инжекторной областью. Эта структура применяется при необходимости изоляции части элементов, исполняемых на МКТ электронных устройств.

На рисунках 2.46, а, б для сравнения изображены структуры МКТ, изготовленные по типовой эпитаксиально-планарной технологии (см. рис. 2.46, а) и с применением (см. рис. 2.46, б) окисной изоляции («изопланар»). Применение окисной изоляции обеспечивает снижение занимаемой прибором площади за счет сокращения размера коллектора 1 и ширины пассивной области базы 2 до величины контактного окна (Lcc=Δ=Bb), длины Lb на величину Δ за счет уменьшения расстояния между базами Lbb. Так, при Δ = Lbb площадь транзистора уменьшается более чем в 3 раза. Уменьшаются также емкости эмиттерного и коллекторного переходов и работа переключения ячеек.

Применение технологии ионного легирования позволяет формировать структуру МКТ с распределением примесей, устраняющим тормозящее поле в базовой области, благодаря чему существенно повышаются коэффициент усиления и быстродействие транзистора.

Основными направлениями совершенствования структур с инжекционным питанием являются:

• применение диодов Шоттки для реализации логических функций и снижения логического перепада;

• создание структур с низкоомным эмиттером и ограничение размеров активной (инжектирующей) части эмиттерного перехода до размеров коллектора;

• применение металлического коллектора.

На рисунке 2.47, а показана структура и с n⁺-эмиттером, n^–-коллектором и диодами Шоттки. Инжекторная р⁺-область снизу граничит с n⁺-эмиттером. В связи с этим инжекция дырок идет только в боковом направлении в слабо легированную n^–-область между инжектором и базой, что повышает коэффициент передачи тока от инжектора в базу МКТ. Дырки коллектируются р+-об-ластью 3, служащей для создания контакта с высокоомной базовой р-областью 2. Инжекция из эмиттера в базу происходит только на участке эмиттерного перехода, граничащего с высокоомной базовой областью 2 и ограниченного с одной стороны р+-об-ластью 3, а с другой — слоем окисла. Площадь этого участка равна площади коллекторного перехода и значительно меньше, чем в структуре, показанной на рисунке 2.41, что обеспечивает высокое значение коэффициента передачи тока МКТ. На поверхности высокоомной коллекторной области 4 сформированы алюминиевые контакты 6 со свойствами выпрямляющих переходов Шоттки. Выходы от коллектора электрически изолированы между собой переходами Шоттки. Электрическая схема замещения структуры изображена на рисунке 2.47 и функционально аналогична схеме элемента, изображенного на рисунке 2.40. Напряжение на выходах рассматриваемой структуры в открытом состоянии повышается на величину падения напряжения на диодах Шоттки и на такую же величину уменьшается логический перепад (от 0,6–0,7 В до 0,15–0,30 В). Благодаря этому в (3–5) раз сокращается задержка переключения, пропорциональная емкостям транзисторов и величине логического перепада, что ощутимо при малых токах инжектора. При повышенных токах инжектора задержка определяется временем рассасывания вследствие накопления заряда неосновных носителей в высокоомной коллекторной области По этому свойству структуры, изображенные на рисунках 2.41 и 2.47, аналогичны и не позволяют достичь высокого быстродействия.

Время рассасывания может быть пренебрежимо малым в структуре с металлическим коллектором (см. рисунок. 2.48, а). Она создается на n⁺-подложке, являющейся инжектором (И). Эмиттером (Э) и базой (Б) являются соответственно р- и n^–-об-ласти. Контакт к базовой области, образующий с ней переход Шоттки, служит коллектором (К). В транзисторе с металлическим коллектором, вследствие отсутствия инжекции из перехода Шоттки, инверсный коэффициент передачи тока структуры Ме-n^–-р равен нулю, и потому нормальный коэффициент передачи тока по одному из коллекторов сильно зависит от токов, протекающих через остальные коллекторы, если они имеются. В этой структуре нецелесообразно создавать более одного коллектора, чем исключается возможность логических преобразований по коллекторной цепи транзистора. Логичесие функции в структуре с металлическим коллектором реализуются с помощью переходов Шоттки, общим катодом которых является n^–-область 1 (см. рис. 2.48, а), а анодами — металлические области 3. Аноды диодов не должны коллектировать. В противном случае диоды будут иметь большие обратные токи. Для ограничения обратных токов переходов Шоттки следует исключить каналы коллектирования их анодами дырок, инжектируемых в n^–-область эмиттерным переходом. С этой целью n^–-об-ласть с боковой стороны отделена от базовой области слоем окисла, а от эмиттера снизу — скрытым n⁺-слоем 2, ограничивающим инжекцию дырок. В структуре предпочтительны р-n-р-транзисторы и n⁺-инжектор вследствие технологичности переходов Шоттки на n^–-областях. Для образования коллектора и анодов диодов Шоттки следует применять металлы с разными работами выхода (работа выхода из металла, применяемого для анодов, должна быть меньше работы выхода из металлического коллектора), чтобы удовлетворялось условие запирания схемы

(U^oвых + Ud) <Ube,

где Ud есть напряжение на открытом диоде.

Структура, изображенная на рисунке 2.49, отличается от структуры, изображенной на рисунке 2.47, расположением инжектора на поверхности кристалла.

Наиболее совершенной из известных представляется структура, изображенная на рисунке 2.50. В этой структуре на подложке р1-типа, выполняющей функцию инжектора, сформированы эпитаксиальные слои n- и р-типа, выполняющие функции эмиттера и базы МКТ соответственно. Коллекторные и контактно-разделительные n⁺-области исполняются диффузией в двух уровнях. На поверхности высокоомного базового р-слоя методом ионного легирования формируется тонкий р+-слой, который в местах размещения переходов Шоттки (Ш) погружен в высокоомный р-слой. Переходы Шоттки образуются между металлом и p-слоем. Каждый МКТ-транзистор может иметь несколько диодов Шоттки на базовой области.

Приборы с инжекционным питанием [7, 9] образованы по меньшей мере четырьмя контактными переходами. Потому число параметров, определяющих их свойства, превышает число параметров, определяющих свойства БПТ. В ограниченный перечень параметров МКТ с электрическим инжекционным питанием можно отнести:

• допустимое рабочее напряжение Uраб, В;

• коэффициент передачи тока инжектора в базу одного МКТ (αin);

• коэффициент передачи тока базы МКТ к одному коллектору (Воn);

• коэффициент передачи тока эмиттера в коллектор МКТ (αоn);

• инверсный коэффициент передачи тока коллектора МКТ к эмиттеру (αоi);

• инверсный коэффициент передачи тока инжекторного транзистора (αii);

• остаточное напряжение на открытом МКТ Uceо, В;

• напряжение база-эмиттер открытого транзистора Ubeo, В;

• ток инжектора МКТ (Ii), А;

• ток инжекции в базу МКТ, Iib, A;

• ток эмиттера МКТ (Ie) и его составляющие, А;

• ток одного коллектора МКТ (Iс1), А;

• время переключения, сек.

Допустимое рабочее напряжение МКТ определяется напряжением пробоя перехода эмиттер-база основной структуры БПТ, если МКТ реализуются на основе типовой технологии производства БПТ ИС. Применение специальных технологий производства электронных устройств на МКТ часто предполагает технологическую минимизацию толщины слоя активной зоны базы (под коллектором МЭТ). В этом случае определяющим ограничивающим фактором для оценки допустимого напряжения является напряжение прокола базы. В МКТ угроза прокола базы по применению прибора связана с режимом отсечки МКТ, когда переход коллектор-база находится под обратным смещением, а база и эмиттер закорочены. Напряжение прокола базы Ucbp определяется из условия

Wb≥ Wcbb (Ucbp) +Webb (Uebo), (2.104)

где Wb, Wcbb (Ucbp), Webb (Uebo) — соответственно технологическая толщина базы под коллектором, толщины слоев пространственного заряда перехода коллектор-база и эмиттер-база в технологическом базовом слое при напряжении прокола Ucbp и нулевом напряжении Uebo (Uebo=0). Для исключения изменения чувствительности при повышении напряжения Ucb необходимо толщину слаболегированного n-слоя эмиттера под базовым слоем устанавливать не менее толщины слоя пространственного заряда перехода эмиттер-база в эмиттере. В первом приближении оценить напряжение прокола можно по формуле

Fk+Ucbp ≈ [q×Nbср/(2×ε×ε0)]×Wb², (2.104а)

где Nbср — усредненная концентрация р-примеси в базовом слое;

Fk — контактная разность потенциалов переходов МКТ (≈ 0,7 В).

Коэффициент передачи тока от инжектора к базе одного из N питаемых транзисторов αin (нормальное включение) оценивается по формулам

αin = 2×Gi×Zi/[N×(1+2×Gi)], (2.105)

где отношение токов инжекции неосновных носителей в эмиттер МКТ из инжектора через боковую и донную поверхности перехода инжектор-эмиттер оценивается по формуле (коэффициент распределения потоков носителей для инжектора)

Gi = F×Xb×L²e/ (Zi×Wib×Bi×We), (2.105а)

а коэффициент переноса неосновных носителей из инжектора в базу МКТ — по формуле

Zi = 1/[1 + (W²ibWeр/2× F×Xb×L²e)]. (2.105б)

В формулах (2.105) приняты обозначения:

Xb — технологическая толщина базового слоя (пассивный слой);

Le — диффузионная длина неосновных носителей в слаболегированном слое эмиттера;

Wib — расстояние между боковыми поверхностями областей пространственного заряда инжектора и базы в эмиттерном слое;

We — расстояние от нижней границы пространственного заряда эмиттерного перехода в слаболегированном слое эмиттера до скрытого слоя или n⁺-подложки;

Weр — толщина слаболегированного слоя эмиттера от поверхности кристалла до скрытого слоя или n⁺-подложки;

Bi — ширина инжектора (на рис.2.44 ширина в направлении перпендикуляра к полосе инжектора и Bi = 2×Δ +Lcc);

F — безразмерный поправочный коэффициент учета размеров структуры МКТ (в диапазонах отношений 5 ≥ Wib/Xb ≥ 1; 3,5 ≥ We/ Xb ≥ 0 определяется по эмпирическому выражению вида

1< [F≈ (1 + 0,04× Wib/Xb + 0,05× We/ Xb + 0,09×Wib×We/X²b)]<3.

Коэффициент передачи тока базы МКТ к одному коллектору (Воn) оценивается по формуле (нормальное включение)

Bоn ≈ Sc×Nb×ξ×Db×L²e/[Se×Ne×De×We×Wbo× (1+Ge)], (2.106)

где отношение токов инжекции неосновных носителей в эмиттер МКТ из базы через боковую и донную поверхности эмиттерно-базового перехода (коэффициент распределения носителей, инжектированных из базы в эмиттер)

Ge = F×Xb×L²e/(Lb×Wib×We×Zi) (2.106 а)

и коэффициент влияния тормозящего поля в базе (ξ) вследствие неравномерного легирования базы

ξ = (Wbo/Lpb)/ [exp(Wbo/Lpb)–1]. (2.106 б)

В формулах (2.106) приняты обозначения:

Nb, Ne — концентрации неосновных носителей в базе и эмиттере соответственно на границе областей пространственного заряда перехода эмиттер-база;

Db, De — коэффициенты диффузии неосновных носителей в базе и эмиттере соответственно;

Lpb — диффузионная длина атомов примеси в базе;

Wbo — нейтральная ширина базового слоя под коллектором (слой активной базы);

Lb — длина базы МКТ.

Коэффициент передачи тока эмиттера в один коллектор МКТ αоn определяется по формуле (нормальное включение)

αоn = Bon/[(∑Bonj)+1] _(1<j<ν), (2.107)

где ν — число коллекторов МКТ с коэффициентами передачи тока базы Bonj.

Коэффициент передачи тока от одного коллектора МКТ к эмиттеру αоi (инверсное включение) может быть оценен по формулам (2.31) — (2.36) и пренебрежимо мало отличается от единицы.

Коэффициент передачи инжекторного транзистора (αii) в инверсном включении оценивается по формуле

αii =Zi×Ge/[ν×Bon×(Ge+1)]. (2.108)

Остаточное напряжение на открытом МКТ (Uceо) определяется по формуле

Uceo=(m×Ft){Ln[1/(αоn)]+Ln[Ibk+(1–αoi)×Ic]/[Ibk–Ic/Bn]},

где Ic — ток одного коллектора МКТ;

Ibk = (Ib + Ii) — эквивалентный ток базы МКТ;

Ib,Ii — внешний ток базы и ток инжекции в базу со стороны инжектора и (ν–1) коллекторов;

Вn = Ic/Ibk — эффективный коэффициент передачи тока базы по одному коллектору с учетом влияния инжектора и смежных коллекторов МКТ определяется через значения αоn, αоi, α in, αii по формуле

Вn = αоn/[1–ν×αоn +(ν–1)×(1–αоi)×αоn–α in×αii]. (2.109)

В типовых режимах применения значение остаточного напряжения не превышает (3–4)×(m×Ft) и соответствует напряжению U⁰ (лог. 0).

Напряжение между базой и эмиттером открытого транзистора Ubeo определяется по выражению вида

Ubeo = (m×Ft)×Ln{[Ibk+(1–αoi)×Ic]/Io +1}, (2.110)

где Io — эффективный ток насыщения, определяется по формуле

Io=Ico×[1–(ν–1)×αоi×αоn–α in×αii], (2.111)

где, в свою очередь, Ico есть ток насыщения p-n-перехода одного коллектора МКТ с базой. В формулах (2.109), (2.111) выражения в квадратных скобках должны быть положительными, не превышая единицу.

Напряжение Ubeo соответствует напряжению уровня лог. 1 (U¹) цифровых узлов в соединениях коллекторов МКТ с базами нагружающих транзисторов.

Амплитуда выходного сигнала ΔU цифровых узлов с МКТ не превышает значения

ΔU = Ubeo – Uceo.

Ток инжектора Ii в базу инжекторного транзистора (эмиттер МКТ) через параметры структуры и топологии инжектора и МКТ определяется по формуле

Ii = A1× {[(F×q×Bb×Xb×De×Ne)/(WibZi)]+Sdi×q×Ne×We/τe}, (2.112)

где τe — время жизни неосновных носителей в эмиттере;

Sdi — площадь донной поверхности инжектора.

Ток инжекции в базу МКТ (Iib) от инжектора определяется с учетом потерь по соотношению

Iib ≈ (A1× α in× Ii). (2.113)

Ток инжекции в базу неосновных носителей из эмиттера МКТ (Ieb) определяется по выражению

Ieb = A× [Sea×ξ×q×Db×Nb/Wbo+Sep×Nb×Lpb/τb], (2.114)

при условии соответствия скорости поверхностной рекомбинации Vs неравенству

Vs<< LpbNpbo/τbNp(Xb–Webb)

(Sea, Sep — соответственно донная площадь эмиттера под коллекторами и вне перекрытия коллекторами).

Ток инжекции в эмиттер неосновных носителей из базы МКТ (Ibe) определяется по выражению

Ibe ≈ A×[(Bb×Lb×q×We×Ne/τe)+F×q×Bb×Xb×De×NeZi/Wib], (2.115)

при условии соответствия скорости поверхностной рекомбинации Vse на участке базы (Wib) инжекторного транзистора (слой высокоомного эмиттера) неравенству

Vsе<< We/(2×τe),

и эффективной скорости поверхностной рекомбинации Vsе⁺ на границе высоколегированного слоя с высокоомным слоем эмиттера неравенству

[Vsе⁺ ≈ Npe×Le⁺/(Npe⁺×τe⁺)] << We/(τe). (2.114a)

В формуле (2.114а) апострофом «+» отмечены параметры высоколегированного слоя, а индекс «р» идентифицирует индексируемый параметр примесных атомов. Выполнение приведенных неравенств обеспечивается совершенствованием технологии формирования высоколегированных слоев с пониженными значениями отношения Le⁺/τe⁺.

Полный ток эмиттера определяется как сумма токов Ibe и Ieb.

Ток одного коллектора МКТ Ic1 определяется либо через значения Bon и ток Iib, либо через полный ток эмиттера и коэффициент передачи его в коллектор αоn.

В выражениях (2.112) — (2.114) коэффициенты А и А1 определяют зависимость токов инжектирующего и эмиттерно-базового p-n-переходов от напряжений (Uie, Ueb)

A = exp[Ueb/(m×Ft) –1],

A1 = exp[Uie/(m×Ft) –1].

Значения А1 и А связаны между собой по принципу работы МКТ. Так, при прямом смещении перехода инжектор-эмиттер в базу МКТ (при разомкнутой внешней цепи база-эмиттер) втекающим током Iib создается прямое смещение на переходе эмиттер-база Ueb. В результате этого в базу МКТ из эмиттера инжектируются неосновные носители, образующие ток Ieb, а из базы в эмиттер инжектируются носители, образующие ток Ibe. С коэффициентом передачи αоn суммарный эмиттерный ток передается в коллектор, образуя коллекторный ток

Ic = αоn×(Ieb+Ibe).

Если сочетание параметров структуры и топологии МКТ и инжектора позволит обеспечить для выходной цепи

Ic>Iib,

то при втекающем токе Iib МКТ транзистор войдет в режим насыщения и напряжение на коллекторе будет равно Uceo.

Очевидно, что для построения цифровых электронных узлов необходимо обеспечить возможность расширения числа нагрузок на МКТ. Следовательно, во входной цепи тока Iib должно быть достаточно для перевода в режим насыщения не менее ν ≥ 2 коллекторов МКТ, т.е. должно выполняться условие

(Iib/ν)Bon > Ic> Iib,

из которого следует Воn ≥ ν.

Время переключения МКТ определяется процессами накопления неосновных носителей заряда в отдельных областях конструкции МКТ и зарядом барьерных емкостей переключаемых p-n-переходов.

Коэффициенты передачи тока αоn, αoi, αin, αii являются функциями времени и в первом приближении представляются обобщенным выражением вида

α(t) ≈ α×(1–e ^–t/τ), (2.116)

в котором перечисленным индексированным коэффициентам передачи тока соответствуют индексированные постоянные времени τon, τoi, τin, τii. Постоянные времени τon, τoi, τin, τii определяются по следующим оценочным формулам [9]:

τon ≈ Se×Ne×Wbo×We/(Sc×Nb×ξ×Db) >10×τoi, (2.117)

τin ≈ [Wep×L²ib/(2×F×Xb×De)]×[1+Bi×We/(Wep×Lib)],

τii ≈ [Wep×L²ib/(2×F×Xb×De)][1+2×Lb×We/(Wep×Lib)],

анализируя которые, не представляет сложности выработать рекомендации по снижению постоянных времени.

Наряду с постоянными времени τon, τoi, τin, τii для коэффициентов αоn, αоi, αin, αii широко применяется постоянная времени τbon для коэффициента Вon (одного из основных режимов управления переключающим МКТ во включении в схеме с общим эмиттером в активной области)

τbon ≈ τe/(1+Ge) = τon×(1+ν×Bon) = τon/(1–ν×αоn). (2.118)

Постоянная времени рассасывания избыточных носителей при выключении МКТ оценивается по выражению

τр ≈ (τon + τo)/(1– αоn×αoi).

Соотношение (2.118) определяет зависимость τbon и Bon от τe. Учитывая формулы (2.110), (2.117), можно формулу (2.118) преобразовать к виду

Bon = τbon× Sc×Nb×ξ×Db/ Se×Ne×Wbo×We (2.118а)

и применять полученный результат для оценки τbon по принятому значению Bon.

На длительность процесса переключения МКТ оказывают влияние не только параметры диффузионных и дрейфовых процессов, но и процессы перезаряда барьерных емкостей переключаемых переходов. Такими переходами являются эмиттерно-базовый и коллекторно-базовый. Вследствие изменения напряжения барьерные емкости, являясь функциями напряжения, изменяются. Для оценки вносимой задержки и искажения фронтов переключения в первом приближении целесообразно емкости принять неизменными, определяя их при усредненном напряжении на переходах Ucp ≈ (U⁰+U¹)/2 по формулам

Сeb = ε×ε0×Se/Web(Ucp),

Ccb = ε×ε0×Sc/Wcb(Ucp).

Через постоянные времени τbon, τр, емкости Сeb Ccb и токи управления определяются задержки и фронты переключения тока в транзисторах МК-структур. Так, для схемы включения МКТ с общим эмиттером по постоянным времени τi без форсирования выключения внешним вытекающим током базы время рассасывания tp определяется по формуле

tp = τp×Ln[αin×Iи/(Ic/Bon)], (2.119)

длительность фронта нарастания tн определяется по формуле

tн = τbon×Ln[(Bon×αin×Iи–0,1×Ic)/(Bon×αin×Iи–0,9×Ic)], (2.120)

длительность фронта спада tc определяется по формуле

tc = τbon×Ln[(0,9×Ic)/(0,1×Ic)]. (2.121)

Время заряда t⁺ и разряда t^– барьерных емкостей можно оценить при известных значениях емкостей и перепада напряжений по соотношениям вида

t⁺= Ci×(U¹–U⁰)/(αin×Iи), (2.122)

t^–= Ci×(U¹–U⁰)/(Ic–αin×Iи). (2.122а)

В отличие от составляющих tp, tн, tc составляющие t⁺, t^– определяются не отношением токов, а абсолютными значениями тока заряда и разряда емкостей переходов эмиттер-база и коллектор-база. Учитывая способ суммирования составляющих длительности (см.формулу (2.85)), следует отметить повышение веса составляющих t⁺, t^– при уменьшении токов прибора.