7.5. Коэффициент передачи эмиттерного тока

.

а) Коэффициент переноса: . (7.5.1)

Здесь — усредненное по координате время жизни в базе.

б) Эффективность эмиттера:

. Из (7.4.1) и (7.4.3):

(7.5.2) (как и в бездрейфовом приближении).

7.6. Частотная и переходная характеристики 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

Частотной характеристике (4.1. 12б) соответствует 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 . Согласно, (4.1.14)

что соответствует увеличению параметра при .

Таким образом, можно ожидать, что параметр есть монотонно возрастающая функция фактора поля. При хорошим приближением является функция

.

Эта функция может быть использована в частотной и переходной характеристиках (4.1.12б) и (4.2.1б).

Таким образом, в дрейфовом транзисторе время пролета и абсолютное значение времени задержки уменьшаются по сравнению с диффузионным транзистором. Однако относительное значение задержки в дрейфовом транзисторе по отношению к времени пролета растет. Это объясняется тем, что время нарастания фронта при увеличении уменьшается, а размытие фронта, определяемое диффузией, не зависит от поля. Поэтому его роль увеличивается.

7.7. Инверсные параметры

Инверсный коэффициент передачи тока определяется из соотношения

:

.

Токи и найдены в разделе 7.4:

, , .

Ток − тепловой ток коллекторного перехода.

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 . При этом снижается , а и растут (близки к 1).

7.8 Транзистор с поликремниевым эмиттером

Поликристаллический кремний, или поликремний, это форма кремния промежуточная между кристаллическим и аморфным кремнием. Он состоит из мелких беспорядочно ориентированных зерен, отделенных друг от друга разориентированными областями, известными как границы зерен. Поликремний широко используется в технологии МОП- транзисторов для создания затворов. Его электрические свойства близки к таковым кристаллического кремния. Он может легироваться для получения п- и р- слоев, и при высокой концентрации примеси способен обеспечивать низкие сопротивления слоев (~ 20 Ом/квадрат). Это позволяет использовать поликремний в качестве слоев межсоединений в ИС. В биполярной технологии он используется дляизготовления поликремниевых эмиттеров (рис.1).

As

Si*

p

p

n+

n

n

As

Si*-n+

Si*-n+

n+

p

p

n+

n

n

n+

n+

SiO₂

p

n+

p

SiO₂

n+

n

n

а

б

Рис.1а. Изготовленение поликремниевого эмиттера.

1б. Изготовленение поликремниевого контакта к эмиттеру.

Главное преимущество ПЭ заключается в возможности создания мелкого перехода эмиттер-база, что позволяет минимизировать паразитные сопротивления и емкости транзистора и улучшить его частотные параметры. Кроме того, при использовании ПЭ получается значительно более высокий коэффициент передачи в схеме ОЭ. При изготовлении по способу рис. 1а коэффициент передачи увеличивается на порядок, при способе рис.1б – в 2-3 раза. Увеличение коэффициента передачи полезно по ряду причин. Во-первых, дополнительное увеличение коэффициента передачи может быть использовано для увеличения концентрации в базе и, следовательно, для уменьшения сопротивления базы. Это приводит к уменьшению времени переключения транзистора. Более важно, что использование ПЭ позволяет проводить геометрическое масштабирование транзистора, то есть пропорционально уменьшать его вертикальные и горизонтальные размеры без деградации его коэффициента передачи. Эффективное масштабирование возможно, только если вместе с уменьшением топологических (горизонтальных) размеров уменьшается глубина залегания эмиттерного перехода. Иначе растет роль боковой части эмиттерного перехода и паразитная барьерная емкость.

Увеличение коэффициента зависит от того, наносится ли поликремний на чистую (протравленную) поверхность кремния или перед нанесением поликремния на поверхности кремния выращивается тонкий слой окисла толщиной до 15 ангстрем. В первом случае по сравнению с традиционным транзистором возрастает в 2-3 раза, во втором – в 10 и более раз. Эксперимент показывает, что рост происходит не за счет роста тока коллектора, а за счет уменьшения тока базы, а именно дырочной составляющей тока эмиттера I_pE.

Уменьшение I_pE происходит по следующей причине. На рис.2 представлено распределение концентрации дырок в традиционном транзисторе и в транзисторе с ПЭ. Если толщина эмиттера мала, распределение линейно и ток дырок определяется их градиентом концентрации. Этот градиент велик, так как скорость поверхностной рекомбинации на металлическом контакте бесконечна, а на эмиттерном переходе задается граничными условиями Шокли. В транзисторе с ПЭ чтобы достичь металлического контакта дыркам необходимо преодолеть окисел. Ток I_pE. в этом случае будет определяться туннельными свойствами окисла, в частности его толщиной и высотой барьера для дырок. На ток дырок оказывают существенное влияние также процессы переноса в поликремнии и рекомбинация через поверхностные состояния на границе раздела с окислом.

Эти три процесса (туннелирование, транспорт и рекомбинация) определяют некоторое эффективное значение скорости поверхностной рекомбинации на поверхности окисла, которая составляет 10³ - 10⁵ см/с. В результате градиент концентрации дырок в эмиттере сильно уменьшается, и коэффициент растет.

Барьер для туннелирования существует не только для дырок, но и для электронов. Поэтому ширина барьера (толщина окисла) влияет также и на ток электронов. Этот эффект наблюдается при высоких токах коллектора и проявляется в нежелательном увеличении сопротивления эмиттера . Зависимость от напряжения нелинейная, особенно сильно при толстом окисле. При напряжении < 0,9В практически постоянно и при составляет Ом.

Рис.2

Основные результаты

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

2. Если на границе с эмиттерным 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 (7.3.1а) и (7.3.1б).

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 (4.1.12б)

,

однако параметр возрастает с ростом фактора поля при .

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

8.Использование поликремниевого эмиттера позволяет существенно увеличить за счет уменьшения дырочной составляющей тока эмиттера.