ОСНОВИ НАПІВПРОВІДНИКОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 27

ОСНОВИ НАПІВПРОВІДНИКОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ Лекція 0 7 Біполярні транзистори PowerPoint PPT Presentation


  • 143 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

ОСНОВИ НАПІВПРОВІДНИКОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ Лекція 0 7 Біполярні транзистори. Анатолій Євтух Інститут високих технологій Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Статичні характеристики. Вольт-амперні характеристики.

Download Presentation

ОСНОВИ НАПІВПРОВІДНИКОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ Лекція 0 7 Біполярні транзистори

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


0 7

ОСНОВИ НАПІВПРОВІДНИКОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИЛекція 07Біполярні транзистори

Анатолій Євтух

Інститут високих технологій

Київського національного університету імені Тараса Шевченка


0 7

Статичні характеристики.Вольт-амперні характеристики

Умовне позначення і назви елементів біполярного транзистора. а) p-n-p- транзистор; б) n-p-n– транзистор.

Три схеми включення p-n-p- транзистора. а- схема зі спільною базою; б- схема зі спільним емітером; в- схема зі спільним колектором.


0 7

Вольт-амперні характеристики

Статичні характеристики транзистора можна безпосередньо отримати із теорії p-n переходу. Вважаємо, що ВАХ емітерного і колекторного переходів відповідають рівнянням ідеального діода.

Нехтуємо:

- ефектами обумовленими поверхневою рекомбінацією-генерацією;

- послідовним опором;

-високим рівнем інжекції.

Біполярний транзистор p-n-p- типу, включений по схемі зі спільною базою(а), профіль легування транзистора зі ступінчатим розподілом домішок (б) і зонна діаграма при нормальній роботі (в).


0 7

Вольт-амперні характеристики

Із рівняння неперервності і рівняння для густини струмів визначаються рівноважні характеристики. Для нейтральної області бази маємо:

де pB- рівноважна густина неосновних носіїв в базі; Jtot- повна густина струмів провідності; B- час життя неосновних носіїв;DB- коефіцієнт дифузії.

Залежність повного емітерного струму від прикладеної напруги:

- дифузійна довжина дірок в базі;

- дифузійна довжина електронів в емітері;

- дифузійна довжина електронів в колекторі.


0 7

Вольт-амперні характеристики

Залежність повного колекторного струму від прикладеної напруги:

Струм бази:


0 7

Нерівномірний розподіл домішки в базі.

Транзистор з подібним розподілом домішки- дрейфовий транзистор, оскільки в його базу вбудоване електричне поле, що прискорює дрейф дірок. В цьому випадку повний струм колектора матиме вид

де I2 - струм насичення.

Кількість домішки на одиницю площі бази- число Гумеля.

Профіль легування транзистора з градієнтом концентрації домішки в базі.

Для Si біполярних транзисторів число лежить Гумеля в діапазоні 1012-1013 см-2.


0 7

Типова характеристика базового струму.

Можна виділити чотири ділянки:

1) область малих струмів, де базовийструм змінюється по закону exp(qVEB/mkT) з m2;

2) область ідеальної поведінки;

3) область середнього рівня інжекції, характерна значним спадом напруги на опорі бази;

4) область високого рівня інжекції.

Для зменшення опору бази і

послабшення ефектів обумовлених

високим рівнем інжекції, необхідно

змінити профіль легування бази і

конструкцію самого транзистора.

Для покращення характеристик в області малих струмів необхідно зменшити густину пасток в збідненій області і на поверхні напівпровідника.

Залежність колекторного і базового струму від напруги емітер-база.


0 7

Коефіцієнт підсилення струму

Коефіцієнт підсилення струму в схемі зі спільною базою 0 .

(в гібридній системі параметрів чотириполюсника позначається як hFB).

ефективність емітера .

коефіцієнт переносу в базі Т.

коефіцієнт помноження колектора М.

Коефіцієнт підсилення струму в схемі зі спільним емітером 0.

(в гібридній системі параметрів чотириполюсника позначається як hFE).


0 7

Оскільки IB=IE-IC, то

0- близький до 1.

0- значно більший одиниці.

При нормальній роботі p-n-p транзистора VEB>0і VCB<<0.У виразах для струму нехтуємо VCB. В цьому випадку справедливі наступні співвідношення:

Приріст діркового струму із емітера

= ---------------------------------------------------

Приріст загального емітерного струму.

<1

Приріст діркового струму, що досяг колектора

T= ------------------------------------------------------------

Приріст діркового струму із емітера

T<1

Величини, що доповнюють  і T до 1, пропорційні електронному струму, що витікає з базового контакту.

В біполярному транзисторі з шириною бази 0.1LB, T>0.995 і 0 повністю визначається .


0 7

Якщо Т близький до 1, то:

Залежність коефіцієнту підсилення транзистора (на частоті 5 ГГц) від дози домішки імплантованої в базу.


0 7

hFE

Коефіцієнт підсилення по струму в загальному випадку залежить від струму колектора.

При дуже малих струмах колектора вклад рекомбінаційно-генераційного струму в збідненій області емітера і поверхневих струмів витоку може перевищувати корисний дифузійний струм неосновних носіїв в базі. Відповідно, ефективність емітера є низькою.

Залежність коефіцієнту підсилення транзистора від струму колектора.

Зниження кількості об’ємних і поверхневих пасток приводить до збільшення hFE при низьких рівнях струму..

Коли величина базового струму попадає в інтервал, що відповідає ідеальній поведінці, hFEдосягає області максимальних значень.


0 7

hFE

При подальшому збільшенні колекторного струму густина неосновних носіїв інжектованих в базу наближається до вихідної густини основних носіїв (умова високого рівня інжекції).

Інжектовані носії визивають підвищення густини основних носіїв в базі, що в свою чергу призводить до зниження ефективності емітера.

Зменшення коефіцієнту підсилення при збільшенні IC- ефект Вебстера.

При високому рівні інжекції:

Щоб мати великий коефіцієнт підсилення hFE, ступінь легування емітера повинна бути в багато разів вищою, ніж ступінь легування бази, тобто NE/NB>>1.

Однак при дуже високій концентрації домішки в емітері починають проявлятисяефект звуження ширини забороненої зони і ефект оже-рекомбінації. Обидва визивають зменшення hFE.


0 7

Ефект звуження ширини забороненої зони

Звуження ширини забороненої зони в сильно легованому кремнії пов’язано з підвищенням енергії електростатичної взаємодії основних і неосновних носіїв.

При кімнатній температурі звуження зони описується формулою

Звуження ширини забороненої зони в кремнії.

Густина власних носіїв в емітері

Оскільки Eg зростає з концентрацією легування, то коефіцієнт підсилення по струму падає


0 7

Ефект оже-рекомбінації

Оже-рекомбінація полягає у взаємному знищенні електрона і дірки, яке супроводжується передачею енергії іншій вільній дірці.

Такий процес, що протікає при участі двох дірок і одного електрона, можливий при інжекції електронів у високолеговану p+ область. Такою областю є емітер p+-n-p транзистора.

Оже-рекомбінація – процес протилежний лавинному помноженню.

Час життя при оже-рекомбінації

Залежність коефіцієнта підсилення транзистора від струму колектора.

а- врахування лише генерації ШХР;

б- врахування генерації ШХР і звуження ширини забороненої зони;

в- врахування генерації ШХР, звуження ширини забороненої зони і оже-рекомбінації;

г- експериментальні результати.

де p- концентрація основних носіїв, Gp- швидкість рекомбінації.

(Gp=(1-2)x10-31см6/с для Si при кімнатній температурі)


0 7

Аналогічно протікає рекомбінація в високолегованій n+ області при участі двох електронів і однієї дірки з характерним часом життя

Час життя електронів (неосновних носіїв)  в p- емітері визначається формулою

де p -час життя, обумовлений рекомбінацією типу типу Са-Нойса-Шоклі

При збільшенні концентрації носіїв оже-рекомбінація стає домінуючою і визиває зменшення часу життя неосновних носіїв в емітері. В свою чергу це приводить до скорочення дифузійної довжини LE, що знижує ефективність емітера.


0 7

Ефект Кірка

В сучасних біполярних транзисторах зі слабо легованим епітаксійним колектором на коефіцієнт підсилення впливає зміщення під дією великих струмів області з високим електричним полем з точки А в точку В.

В результаті ефективна ширина бази зростає відWB до (WB+WC). Це явище отримало назву ефект Кірка. Воно приводить до збільшення числа Гумеля в базі Qb і до зниження hFE.

Профіль легування n-p-n -транзистора з епітаксійним колектором.


0 7

Вихідні характеристики

Струми на виході транзистора зв’язані з розподілом неосновних носіїв в області бази. У випадку транзистора з високою ефективністю емітера в формулах для IE, IC залишаються лише члени пропорційні градієнту неосновних носіїв (dp/dx) при x=0 і x=W відповідно.

Основні співвідношення в транзисторі можна сформулювати наступним чином.

1. Прикладені напруги задають густини струмів неосновних носіїв на границях областей за допомогою фактора exp(qV/kT).

2. Емітерний і колекторний струми пропорційні градієнтам густини неосновних носіїв (дірок) на границях переходів, тобто при x=0 і x=W.

3. Базовий струм дорівнює різниці між емітер ним і колекторним струмами.

За допомогою цих графіків можна пояснити статичні вольт-амперні характеристики транзисторів.

Розподіл густини дірок в базі p-n-p транзистора при різних прикладених напругах. а- нормальне включення: VCB=const, VEB- змінна; б- нормальне включення:VEB=const, VCB- змінна; в- VEB- позитивне, VCB=0; г- обидва переходи зміщені в прямому напрямку; д- врахування струмів ICO і ICO’; е- обидва переходи зміщені в оберненому напрямку.

За допомогою цих графіків можна пояснити статичні вольт-амперні характеристики транзисторів.


0 7

Вихідні характеристики

Для даного транзистора емітерний струм IEі колекторний струм IC є функціями прикладених напруг VEB і VCB, тобто IE=f1(VEB, VCB) і IC=f2(VEB, VCB).

В схемі з спільною базою колекторний струм практично рівний емітерному струму (0=1) і фактично не залежить від VCB

Вихідні характеристики транзистора.

а- в схемі зі спільною базою; б- в схемі зі спільним емітером.


0 7

В схемі зі спільним емітером зі збільшенням VCE ширина бази Wзменшується і спостерігається збільшення 0. Відсутність насичення вихідних характеристик транзистора в схемі зі спільним емітером обумовлено значним збільшенням 0 з ростомVCE. Цей факт отримав назву ефекту Ерлі.

В транзисторі з шириною бази набагато більшою розміру збідненої області в базі напруга Ерлі дорівнює


0 7

НВЧ-транзистори

Для покращення високочастотних властивостей транзисторів мають бути суттєво зменшені розміри активних областей і значення паразитних параметрів.

Задача зменшення двох критичних параметрів дискретних транзисторів:

- ширини емітерної смушка;

- товщини шару бази.

Зменшення вертикальних розмірів в основному зобов’язане розвитку дифузійних процесів і іонної імплантації.

Зменшення горизонтальних розмірів зобов’язане успіхам літографії.

Транзистор зі смужковою геометрією електродів.

За рахунок топології транзистора досягаються необхідні струмові параметри. Для цього варіюється кількість смушкових областей емітера і контактів до бази.

За допомогою зміни профілю легування досягаються необхідні частотні властивості і прийнятні пробивні напруги.


0 7

Оскільки рухливість електронів в кремнії більша рухливості дірок, то всі кремнієві НВЧ-транзистори – прилади n-p-n типу. Для зменшення послідовного колекторного опору в якості підкладки використовують епітаксій ну n-n+ структуру.

Задачі:

Мінімізувати (а) дефекти упаковки (окислення), (б) дислокації (епітаксія).

Дифузійні трубки (а) і дифузійні виступи (б) в базі вздовж дислокацій.


0 7

Частота відсічки

Частота відсічки fT є найбільш важливим показником якості НВЧ-транзистора.

Визначається як частота, на якій коефіцієнт підсилення по струму

в режимі короткого замикання схеми зі спільним емітером дорівнює 1.

Частота відсічки зв’язана з фізичною структурою транзистора через час затримки носіїв, що пролітають від емітера до колектора, ec:

Час затримки ec є сума чотирьох часів затримки, які характеризують послідовні фази руху носіїв від емітера до колектора:

дорівнює 1.

E- час зарядки збідненого шару емітера, визначається виразом:

де re - опір емітера; Ce- ємність емітера; Cc- ємність колектора; Cp - інші паразитні ємності пов’язані з базовим виводом; IE- емітерний струм, який приблизно рівний колекторному струму.


0 7

Частота відсічки

Друга складова часу затримки являє собою час прольоту через шар бази і дорівнює:

де =2 для випадку рівномірного легування бази.

У випадку нерівномірного розподілу домішки в базі, як в дрейфовому транзисторі, коефіцієнт  має бути збільшеним

Якщо вбудоване поле Ebi постійне, то коефіцієнт  приймає значення

де E0=2DB/BW. При Ebi/E0 =10 60, тобто за рахунок великого вбудованого поля досягається значне зменшенняB.

Третя складова часу затримки пов’язана з прольотом носіїв через збіднений шар колектора:

де vs- гранична швидкість носіїв в колекторі.


0 7

Частота відсічки

Четверта компонента затримки обумовлена часом, протягом якого заряджається збіднена ємність колектора:

де rc- послідовний опір колектора, Cc - ємність колектора.

В епітаксійному транзисторі rcможе бути суттєво зменшеним і час затримки ’c знехтувано малий в порівнянні з іншими часами затримки.

Таким чином, вираз для частоти відсічки fT має вид

Видно, що для підвищення частоти відсічки необхідно зменшити товщину базитранзистора,товщину колектора і працювати при високих густинах струму.

Однак при зменшенні товщини колектора відбувається відповідне зменшення пробивної напруги. Отже необхідно шукати компроміс між високочастотними властивостями транзистора і його здатністю витримувати високі напруги.


0 7

Частота відсічки

Зі збільшенням робочого струму частота відсічки підвищується, оскільки час зарядки емітера Eобернено пропорційний струму. Разом з тим, коли струм стає досить великим і густина інжектованих неосновних носіїв зрівнюється або перевищує концентрацію домішки в базі, ефективна товщина бази зростає відWB до (WB+WC).

Час руху носіїв від емітера до колектора в залежності від густини колекторного струму.

При низьких густинах струмів ecпадає з ростомJC, і колекторний струм переноситься в основному за рахунок дрейфу, тобто

При подальшому наростанні струму час затримки приймає мінімальне значення, а потім починає зростати, особливо швидко при струмі J1. Цьому струму відповідає максимальне однорідне електричне поле

де C, NC, EC - рухливість, концентрація домішки і електричне поле в колекторному епітаксійному шарі відповідно.


0 7

де VC0 -контактний потенціал колектора, VCB - напруга прикладена між базою і колектором. Струми, що перевищують , не можуть вже переноситись через епітаксійну область колектора тільки за рахунок дрейфової компоненти. Величина J1 рівна

В результаті ефекту Кірка цей струм є оптимальним з точки зору максимальної частоти відсічки. Слід відмітити, що зі збільшенням VCB одночасно зростає і величина J1.

Вихідна потужність обернено пропорційна квадрату частоти, що є результатом обмежень, які накладаються полем лавинного пробою і граничною швидкістю носіїв.

Залежність потужності від частоти для біполярних НВЧ-транзисторів.


0 7

Дякую за увагу!


  • Login