Предмет микроэлектроники 2 страница
Биполярный транзистор (БТ, Bipolar Junction Transistor – BJT) – полупроводниковый прибор, содержащий два встречновключённых взаимодействующих p–n-перехода. Слово «биполярный» в этом определении подчёркивает, что в переносе тока в БТ участвуют носители заряда обоих типов: и электроны, и дырки. «Взаимодействие» переходов обеспечивается тем, что они расположены в непосредственной близости друг от друга (на расстоянии, меньшем диффузионной длины носителей).
БТ используется в составе ключевых, усилительных, генераторных схем.
4.1 Структура реального БТ
БТ имеет три области чередующегося типа проводимости: n+ коллектор (К), p база (Б) и n– эмиттер (Э). Такой вариант называется n‑p‑n-транзистор (см. рис. 4.15). Возможна и другая комбинация: p‑n‑p-транзистор. По принципу действия эти две разновидности БТ практически ничем не отличаются, однако для них используются противоположные полярности напряжения. Между областями транзистора образуются p‑n-переходы. p‑n-переход между областями Б и Э называется эмиттерным (jЭ), p‑n-переход между областями Б и К называется коллекторным (jК).
Рис. 4.14. Обозначения БТ на эл. схемах
Основные области:
Э является наиболее сильно легированной областью БТ. Концентрация примеси здесь . Задача Э – служить источником .
В качестве К используется слаболегированный эпитаксиальный слой. Концентрация примеси рассчитывается для обеспечения высокого пробивного напряжения. Задача К – собирать , переданные из Э.
Толщина Б достаточно мала ( ), так чтобы бо́льшая часть смогла пройти из Э в К или обратно. . Задача Б – управлять сквозным потоком из Э в К.
Вспомогательные области:
n+ скрытый слой служит для уменьшения сопротивления К: ток проходит из Б сначала в скрытый слой, откуда уже переходит к контакту К.
n+ область, прилегающая к контакту К, служит для обеспечения хорошего омического контакта (при непосредственном контакте металла и низколегированного полупроводника образуется т. н. диод Шоттки – структура с особыми свойствами).
p+ области по периметру БТ служат для электрической изоляции отдельных приборов обратносмещёнными p–n-переходами: для этого необходимо подать на них самое низкое напряжение в схеме.
Рис. 4.15. Топология вертикального биполярного транзистора:
вид сверху и в разрезе
Рис. 4.16. Упрощённое изображение структуры БТ
Рабочая, или активная, область БТ расположена под донной частью jЭ, остальные участки структуры являются паразитными, или пассивными. На рис. 4.16 изображено упрощённое изображение активной части структуры БТ: показаны три области БТ и контакты к ним. Это простая одномерная модель, которая удовлетворительно описывает процессы, протекающие в транзисторе.
4.2 Схемы включения и режимы работы БТ
При расчёте электронных схем удобно рассматривать БТ как четырёхполюсник, т. е. выделять в нём входное и выходное напряжение, а также входной и выходной ток (см. рис. 4.17).
Для этого нужно один из выводов транзистора считать общим для входа и для выхода. Соответственно, различают схемы включения с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) (см. рис. 4.19).
Uбэ (0,7) Uбк (0,7) | |
Рис. 4.17. Входные и выходные электрические параметры четырёхполюсника | Рис. 4.18. Режимы работы БТ |
Рис. 4.19. Схемы включения БТ
Схема ОБ позволяет увеличить напряжение и мощность; схема ОЭ позволяет увеличить ток и мощность.
В любой из схем включения теоретически можно реализовать любой режим работы транзистора. Режимы работы БТ зависят от состояния его p–n-переходов. На каждом из двух p–n-переходов БТ может находиться прямое или обратное смещение. Соответственно, различают четыре возможных режима работы БТ (см. рис. 4.18): нормальный активный ( ), инверсный активный ( ), двойной инжекции (насыщения) ( ), отсечки ( ).
Наиболее часто в электронных схемах реализуются нормальный активный режим (в основном в аналоговых схемах) и режим насыщения, или двойной инжекции (в основном в цифровых схемах).
В режиме отсечки через оба перехода проходят незначительные обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению. Это позволяет в первом приближении считать, что между всеми выводами транзистора будет обрыв, а токи в его внешних цепях равны нулю.
В режиме двойной ижекции (насыщения) через оба перехода проходит большой прямой ток. Вследствие двойной инжекции база транзистора сильно насыщается избыточными электронами, из-за чего усиливается их рекомбинация с дырками, и рекомбинационный ток базы оказывается значительно выше, чем в активном или инверсном режимах. С связи с насыщением базы БТ и его p‑n-переходов избыточными носителями заряда, их сопротивления стновятся очень маленькими. Поэтому можно считать, что в этом режиме между всеми выводами транзистора будет короткое замыкание. Как говорят, транзистор «стягивается в точку», а токи, проходящие через него, будут определяться только сопротивлениями элементов, включенных во внешние цепи транзистора.
Нормальный и инверсный активные режимы отличаются только количественными показателями; происходящие процессы в обоих случаях принципиально одинаковы (см. 4.3).
4.3 Принципы работы БТ в активном режиме в схеме ОБ
В прямом активном режиме на jЭ действует прямое электрическое смещение, а на jК обратное (в инверсном режиме наоборот). При этом потенциальный барьер jЭ уменьшается, а jК увеличивается.
В БТ протекают следующие основные физические процессы: инжекция, экстракция, диффузия, рекомбинация.
Инжекция – процесс переноса основных носителей заряда через прямосмещённый p–n-переход под действием эл. поля области пространственного заряда (ОПЗ).
Экстракция – процесс переноса неосновных носителей заряда через обратносмещённый p–n-переход под действием эл. поля ОПЗ.
Диффузия – процесс переноса вещества (в данном случае неосновных носителей) из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации).
Рекомбинация – процесс взаимного уничтожения свободных электронов и дыркок (свободный электрон из зоны проводимости переходит в зону валентности).
В активном режиме в схеме с общей базой эти процессы происходят в следующем порядке:
1. инжекция e– Э→Б и h+ Б→Э;
2. диффузия e– по Б;
3. экстракция большей части e– Б→К;
4. рекомбинация меньшей части e– в Б.
Основные свойства БТ определяются процессами, протекающими в базе.
Под действием эл. поля jЭ происходит инжекция e– Э→Б и h+ Б→Э. В связи с тем, что Э легирован значительно сильнее Б, поток e– гораздо сильнее обратного потока h+. e–, попавшие в Б, стремятся распространиться по её объёму: из-за разности концентраций происходит диффузия e– в объёме Б. Т. к. толщина Б очень мала, бо́льшая часть e– достигает jК, где под действием поля jК экстрагируется в К. Однако часть e–, проникнувших из Э в Б, рекомбинирует там с h+. Количество h+ в Б т. о. уменьшается; их недостаток восполняется током Б. Т. о. ток Б компенсирует убыль осн. носителей (дырок в случае n-p-n) из-за рекомбинации в Б, а также инжекции дырок из Б в Э.
Рис. 4.20. Процессы в БТ в нормальном активном режиме
Т. о., в активном режиме всю структуру БТ от Э до К пронизывает сквозной поток электронов, создающий во внешних цепях Э и К токи IЭ, IК, направленные навстречу движению электронов. Важно подчеркнуть, что этот поток электронов очень эффективно управляется входным напряжением UЭБ и не зависит от выходного напряжения UКБ. Эффективное управление выходным током с помощью входного напряжения составляет основу принципа работы биполярного транзистора и позволяет использовать транзистор для усиления эл. сигналов.
Сквозной поток e– является единственным полезным потоком носителей в транзисторе, поскольку определяет возможность усиления электрических сигналов. Все остальные потоки являются побочными. Для количественной оценки соотношения полезного и побочных потоков вводятся коэффициент передачи α и коэффициент усиления β:
где и – токи инжекции jЭ и jК;
4.4 Вольт-амперные характеристики (ВАХ) БТ
В любой схеме подключения БТ характеризуется 4 сигналами: входными и выходными токами и напряжениями. Любые два из них могут рассматриваться как независимые переменные, а остальные два выражаются в виде функций этих независимых переменных. Функциональные зависимости между этими величинами называются статическими характеристиками транзистора.
На практике удобно одну из независимых переменных поддерживать постоянной; она называется в этом случае параметром характеристики. Несколько характеристик одного типа, полученные при различных значениях параметра, образуют семейство характеристик.
Основными статическими ВАХ БТ являются входная (зависимость или обратная ей при ) и выходная (зависимость или обратная ей при ). Конкретный вид статических характеристик зависит от схемы включения.
ВАХ БТ в схеме включения ОБ.
Входной ток , выходной ; входное напряжение , выходное .
Рис. 4.21. ВАХ БТ с ОБ
ВАХ БТ в схеме включения ОЭ.
Входной ток , выходной ; входное напряжение , выходное .
Рис. 4.22. ВАХ БТ с ОБ
4.5 Особенности реального БТ (эффекты второго порядка)
Процессы, происходящие в реальном БТ, несколько отличаются от идеализированных, описанных выше. Среди основных особенностей наиболее важны: 1) паразитные сопротивления областей; 2) эффект модуляции толщины Б; 3) эффекты высокого и низкого уровня инжекции (уменьшение коэффициента усиления); 4) ёмкости jЭ и jК.
4.5.1 Паразитные сопротивления областей Э, Б, К
При протекании тока через области Э, Б и К на их сопротивлениях падает часть напряжения, приложенного к выводам транзистора. Это приводит к тому, что напряжения на самих p‑n-переходах оказывается меньше, чем на выводах.
идеальное | реальное |
Например, паразитное падение напряжения на Э:
Изменения на характеристиках БТ:
ВАХ входная | ВАХ выходная |
4.5.2 Эффект модуляции толщины Б (эффект Эрли)
|VA| – модуль напряжения Эрли.
С увеличением модуля обратного напряжения на любом из p‑n-переходов (jК в случае нормального активного режима) ОПЗ такого перехода расширяется. Это расширение приводит к уменьшению области Б, что приводит к росту тока этого перехода (коллекторного тока в случае нормального активного режима).
На графике выходной характеристики это проявляется в том, что с увеличением значения параметра (например, тока Б) коэффициент наклона линии увеличивается.
4.5.3 Эффекты высокого и низкого уровня инжекции
Коэффициенты усиления и передачи зависят от рабочего режима транзистора, т. е. тока и напряжения на коллекторном переходе.
Рис. 4.23. Примерная зависимость коэффициента усиления β от тока Iк
Спад коэффициента усиления в области малых токов объясняется уменьшением коэффициента инжекции из-за рекомбинации в эмиттерном переходе и поверхностной рекомбинации. Спад в области больших токов объясняется увеличением удельной проводимости базы при высоких концентрациях избыточных носителей.
4.5.4 Ёмкости jЭ и jК
Барьерная ёмкость p‑n-перехода это ёмкость его ОПЗ:
,
где Uj – напряжение на переходе, Cj,бар0 – значение барьерной ёмкости при нулевом напряжении на p-n переходе (Cjэ(0) ≈10-13 Ф, Cjк(0) ≈10-12 Ф); j– контактная разность потенциалов в кремнии: jэ, jк ≈0,7¸0,8 В; θ (тета) – коэффициент крутизны – показывает как быстро растет ёмкость в зависимости от роста напряжения на p-n переходе (θ э, θ к ≈0,3¸0,5).
Барьерную ёмкость можно представить в виде ёмкости плоского конденсатора. Она существует как при прямом, так и и при обратном напряжении на переходе.
Диффузионная ёмкость учитывает задержку распространения сигнала в базовой области транзистора: .
где τN – время пролета (неосновными) носителями базы в нормальном режиме.
где τI – время пролета (неосновными) носителями базы в инверсном режиме.
.
Диффузионная ёмкость существует только при прямом смещении перехода.
4.6 Схемотехнические модели БТ
Любая модель в упрощённом виде отображает форму, структуру или поведение изучаемого объекта. Упрощение достигается за счёт того, что в модели воспроизводятся лишь наиболее существенные особенности структуры, поведения и т. п. исследуемого объекта.
Расчётная модель представляет собой систему уравнений, связывающую входные и выходные (зависимые и независимые) параметры объекта. Именно такие модели используются в программах схемотехнического моделирования. Обычно стандартные модели уже заложены в программу, пользователь только должен указать набор параметров модели, т. е. коэффициенты этой системы уравнений.
4.6.1 Модель Эберса–Молла
Модель Эберса–Молла является чрезвычайно простой и учитывает только основные процессы, происходящие в БТ, так что она широко используется для оценочного ручного расчёта характеристик и параметров БТ.
Здесь токи и представляют токи инжекции jЭ и jК:
,
а источники и представляют токи экстракции. Разность тока инжекции одного из p–n-переходов и тока экстракции другого является током рекомбинации, наблюдаемым в Б.
Рис. 4.24. Эквивалентная схема модели Эберса–Молла
Суммарные токи выводов:
Система уравнений и представляет собой модель Эберса–Молла.
Модель содержит две группы переменных:
1. Описывающие свойства p–n-переходов: , , , ;
2. Описывающих свойства базы БТ: , .
Обратные тепловые токи разные, т. к. зависят от площадей p–n-переходов.
.
Режимы работы…
4.6.2 Модель Гуммеля–Пуна
Рис. 4.25. Эквивалентная схема модели Гуммеля–Пуна
Модель Гуммеля–Пуна является более точной, чем модель Эберса–Молла, и она используется для расчёта работы биполярных транзисторов с помощью ЭВМ. Это зарядоуправляемая модель: её основные уравнения зависят от величины заряда в Б, что позволяет учесть эффекты второго порядка.
Основным элементом модели является источник передаточного тока :
,
где , – токи инжекции jЭ и jК, а – коэффициент, учитывающий заряд в Б.
,
,
где – обратный ток насыщения, – коэффициент для учёта эффекта Эрли, – коэффициент для учёта эффекта высокого уровня инжекции:
и .
Здесь и – коэффициенты неидеальности в прямом и инверсном включении транзистора соотв.;
– тепловой потенциал, при t=27° С;
и – точки на графиках и соотв., определяющие спад на границе области высокого уровня инжекции;
и – напряжение Эрли в прямом и инверсном включении;
Пара Д1 и Д2 задаёт токи рекомбинации в Б:
и ,
где , – коэффициенты усиления в активном и инверсном режимах.
Пара Д3 и Д4 задаёт токи генерации и рекомбинации в обеднённых областях базы (отражают эффекты низкого уровня инжекции):
и ,
где , – обратные токи насыщения при низком уровне инжекции; , – коэффициенты неидеальности при низком уровне инжекции в прямом и инверсном включении.
В составе модели присутствуют элементы , , , учитывающие сопротивления областей Э, Б, К, а также элементы , , учитывающие барьерную и диффузионную составляющие ёмкостей переходов.
4.6.3 Расчёт параметров модели Гуммеля-Пуна
Основными параметрами модели Гуммеля-Пуна являются:
Is– ток насыщения (А);
nf– коэффициент неидеальности в прямом включении;
Bf– коэффициент усиления тока базы в прямом включении;
Vaf – напряжение Эрли в прямом включении (В);
Rb– сопротивление базы транзистора (Ом);
С привлечением геометрических и технологических параметров структуры БТ можно по формулам оценить значения параметров модели Гуммеля-Пуна. Для получения более точных значений параметров модели конкретного БТ нужно использовать его экспериментальные харктеристики.
Исходные данные (пример).
1) Технологические и физические параметры:
Кл – заряд электрона;
см-3 – собственная концентрация свободных носителей заряда (концентрация носителей в собственном, беспримесном, полупроводнике);
= 800/400 см–2/(В·с) – подвижность электронов и дырок, соотв.;
– тепловой потенциал; при ºC В;
= 5 мкм – диффузионная длина электронов;
= 9,2 мкм – диффузионная длина дырок;
(для npn) и (для pnp) – коэффициенты диффузии электронов/дырок в К, Э, Б;
= 1…3 Ом·см – удельное объёмное сопротивление эпитаксиального слоя;
= 200 Ом/□ – поверхностное сопротивление базовой области;
= 1·10-3 пФ/мкм2 и = 0,5·10-3 пФ/мкм2 – удельные ёмкости переходов Э–Б и Э–К при нулевом напряжении на переходах;
2) Геометрические размеры областей транзистора:
= 5 мкм – минимальный топологический размер;
= 5…10 мкм – размеры эмиттера;
, – размеры коллекторного контакта;
= 10 мкм – расстояние между эмиттером и контактом к базе;
= 2 мкм – глубина области Э;
= 2,8 мкм – глубина области Б;
= 0,8 мкм – толщина базы;
= 12 мкм – толщина эпитаксиального слоя;
= 5 мкм – глубина скрытого n+ слоя;
Концентрации примесей в различных областях:
= 0,5·1018 см-3 – концентрация примеси в базе;
(для npn) и (для pnp) – концентрация примеси (акцепторов/доноров) в К, Б, Э;
Обратный ток насыщения p–n-перехода – ток идеального диода при обратном смещении:
,
где – площадь jЭ.
Коэффициент усиления по току в прямом включении.
,
Дата добавления: 2015-04-25; просмотров: 1561;