68

Биполярный транзистор

1. Структура биполярного транзистора (БТ)

p⁺

SiO₂

p

n

E C

w_B

x_jC

n

p⁺

n⁺

SiO₂

p⁺

p⁺

в)

а – п-р-птранзистор с разделительной диффузией;

б - п-р-птранзистор с боковой диэлектрической изоляцией;

в – латеральный (торцевой) р-п-ртранзистор (контакт к базе выполнен аналогично коллекторному контакту вп-р-птранзисторе и находится за плоскостью чертежа.).

1 - активная область;

2- пассивная область;

3 – периферийная область.

S

Типовые структуры интегральных биполярных транзисторов (БТ) схематически показаны на рис. 1.1, а также на рис. 1 – 5 приложения.

1

2

В транзисторной структуре на рис. 1.1а боковая изоляция осуществляется р-п переходами между коллекторной областью и глубокой диффузионной р⁺-областью (областью разделительной диффузии). Эта структура технологически проста, но не обеспечивает высокой плотности компоновки элементов на кристалле ИС.

Более компактна транзисторная структура с боковой диэлектрической изоляцией (рис. 1.1б), где для взаимной изоляции используются глубокие «щели», заполненые диэлектриком (SiO₂).

В транзисторах типа р-п-р для создания эмиттерной и коллекторной областей используются р-слои, на основе которых формируются базовые области п-р-п транзисторов, а функции базы выполняет коллекторный п-слой п-р-п транзистора (рис. 1.1в). При этом поток неосновных носителей (дырок) в базе направлен параллельно поверхности кристалла. Такие транзисторы называются латеральными (торцевыми).

Во всех транзисторных структурах можно выделить активную область (под эмиттером), пассивную область (за пределами эмиттера) и периферийную область (за пределами базы).

На рис. 1.2 показан вид примесного профиля в сечениях активной и пассивной областей п-р-п БТ и указаны ориентировочные значения толщины слоев и характерных концентраций примеси.

Рис. 1.2. Примесный профиль п-р-п БТ.

С

N_E

N_B

N_C

N_C⁺

N_S

10²⁰

610¹⁸

10¹⁸

10¹⁷

10¹⁶

w_E

w_B

w_C

X, мкм

N_E^*

N_BЕ

N_BС

n⁺

p

n

p

N, см^-3

плошные линии — активная область;

штриховые —

пассивная.

Пунктир (N_E^*) — эффективная концентрация примеси в эмиттере:

.

0 x_jE x_jC x_jS

0 0,2 0,35 2

Значения результирующей концентрации примеси и толщины слоев — ориентировочные.

2. Распределение токов и транзисторный эффект

На рис. 2.1 показано распределение токов в БТ (стрелки указывают направления токов, принятые за положительные).

Транзисторный эффект состоит в переносе электронов, инжектированных через эмиттерный (коллекторный) переход, через активную базу и собирании их коллектором (эмиттером). С транзисторным эффектом связаны токи I_e1(V_be,V_bc) и I_c1(V_bc,V_be). Каждый из этих токов зависит главным образом от напряжения на переходе, через который происходит инжекция (V_bе — для тока I_e1 и V_bс — для тока I_c1). Однако влияние напряжений на противоположных переходах также существенно.

Как видно из рисунка, ток базы I_B имеет следующие составляющие:

I_ep (V_be), I_cp (V_bc) — дырочные токи через эмиттерный (коллекторный) переходы (инжекция дырок из р-базы в n-эмиттер (коллектор);

I_erg (V_be), I_crg (V_bc) — токи рекомбинации-генерации электронно-дырочных пар в эмиттерном (коллекторном) переходах;

I_c2 (V_bc) — ток инжекции электронов из коллектора в пассивную базу. Эти электроны не переносятся в эмиттер (транзисторного эффекта нет), и ток течет по цепи база-коллектор.

Эти токи зависят только от одного напряжения (на соответствующем переходе) и имеют диодную ВАХ. К транзисторному эффекту отношения не имеют.

I_e1 /B_F, I_c1 /B_R — токи электронов, инжектированных в базу из эмиттера (коллектора), и рекомбинирующих с дырками, которые поступают в базу из контакта.

1/ B_F = T_F / _F , (2.1а)

и 1/ B_R = T_R / _R — (2.1б)

вероятности рекомбинации, т.е. отношения времен пролета через активную базу в прямом и обратном направлениях (T_F и T_R) к временам жизни в базе для электронов, инжектированных из эмиттера и коллектора (_F и _R).

Токи I_e1(V_be,V_bc) и I_c1(V_bc,V_be), составляют транзисторный эффект. Этот эффект отсутствует, если T_F(R) /_F(R) =. При этом B_F(R) = 0, иI_c1(e1) = 0.

Времена пролета

Прямое и обратное времена пролета неосновных носителей заряда через активную базу зависят от толщины базы (которая сама зависит от напряжений).

Практически этими зависимостями пренебрегают, полагая

.

При этом справедливы соотношения теории дрейфового транзистора [4]:

;.

При экспоненциальном распределении примеси в базе:

;,

где — фактор поля в базе,— значенияна границах с эмиттерным и коллекторным переходами (см рис. 1.2),

—

время пролета под действием диффузии .

Наиболее точный метод расчета токов I_e1(V_be,V_bc) и I_c1(V_bc,V_be) предложен Гуммелем и Пуном (Gummel, Poon).