Дрейфовые транзисторы

Одним из способов повышения быстродействия и увеличение граничной частоты транзистора является создание дрейфовых транзисторов. В дрейфовых транзисторах акцепторная примесь в базе распределена неравномерно, что достигается за счет локальной диффузии примесных атомов. В этой технологии в эпитаксиальном слое п -типа (см. рис. 3.1, а) слои базы и эмиттера создаются последовательной диффузией акцепторной и донорной примесей. При определенной концентрации вводимых примесных атомов и соответствующей термообработке доноры и акцепторы диффундируют на разную глубину (рис. 7.7, б) и, поэтому, результирующее распределение их концентрации принимает вид, показанный на рис. 7.7, в. Как видно, концентрация акцепторов в сечении х_р оказывается больше, чем в сечении x'_р. Так как концентрация основных носителей дырок в базе определяется концентрацией примесей в этой точке, то распределение примесей N_a(x) одновременно будет и распределением дырок р(х). Под влиянием градиента концентрации дырок будет происходить их диффузионное движение к коллектору, приводящее к нарушению условия электрической нейтральности: около эмиттера будет избыток отрицательного заряда ионов акцепторов, а около коллектора - избыток положительного заряда дырок, которые приходят к коллекторному переходу, но не проходят через него. Нарушение электрической нейтральности приводит к появлению внутреннего электрического поля в базовой области (минус у эмиттера, плюс у коллектора). Появляющееся поле, в свою очередь, вызовет встречное дрейфовое движение дырок. Нарастание поля и дрейфового потока будет происходить до того момента, когда дрейфовый и диффузионный токи дырок уравняются, т.е. устанавливается равновесие. На рисунке 7.7, г показано распределение потенциала этого поля при равновесии.

Встроенное электрическое поле характеризуется параметром, называемым фактором поля , который показывает, во сколько раз потенциал встроенного поля больше потенциала теплового поля :

. (7.27)

Из (7.27) следует, что фактор поля определяется логарифмом отношения концентрации акцепторов на границах базы, чем больше перепад концентраций, тем больше значение фактора поля. Практически = 1,5…4.

При наличии встроенного поля избыточные носители тока электроны переносятся через базу как за счет диффузии, как в бездрейфовых транзисторах, так и за счет дрейфа. При этом надо иметь в виду, что результирующая скорость не равна сумме скоростей диффузионного и дрейфового движения. Это объясняется тем, что при наличии поля изменяется распределение концентрации электронов в базе. На рисунке 7.8 приведены такие распределения для разных значений фактора поля при условии постоянного тока эмиттера. Видно, что чем сильнее поле (большее значение ), тем меньше изменение концентрации п(х) вблизи эмиттерного перехода и больше вблизи коллекторного. Из характера распределения п(х) нетрудно сделать вывод о том, что вблизи эмиттера градиент концентрации электронов очень мал и движение электронов происходит главным образом за счет дрейфа в поле. По мере приближения к коллекторному переходу возрастает градиент концентрации электронов, вследствие чего возрастает диффузионная составляющая тока, а дрейфовая составляющая уменьшается. Поэтому скорость результирующего

Рис.7.7. Структура п-р-п -транзистора а), распределение донорной и акцепторной

примесей б), результирующее распределение примесей в) и распределение потенциала встроенного в базу электрического поля.

движения электронов через базу оказывается меньше суммы скоростей диффузионного и дрейфового движений, но больше скорости диффузионного движения.

Рис.7.8. Распределение концентрации электронов в базе дрейфового транзистора.

Большая скорость перемещения электронов через базу дрейфового транзистора, чем у бездрейфового, приводит к следующим положительным факторам:

1) при одинаковых напряжениях на эмиттерном переходе плотность тока эмиттера у дрейфового транзистора оказывается больше, чем у бездрейфового;

2) уменьшается общий заряд электронов в базе, что уменьшает вероятность их рекомбинации в области базы, тем самым повышается коэффициент переноса электронов ;

3) уменьшается время переноса электронов через базу . В дрейфовых транзисторах оно определяется выражением , т.е в раз меньше чем в бездрейфовых транзисторах (см. (7.9));

4) при условии постоянного тока эмиттера в дрейфовом транзисторе, концентрация электронов в сечении x_Р меньше в несколько раз чем в бездрейфовом. Вследствие этого уменьшается инжектированный в базу заряд, а значит, и диффузионная емкость эмиттерного перехода.

Из анализа этих факторов можно сказать, что в дрейфовых транзисторах факторы 1) и 2) способствуют росту коэффициента передачи тока эмиттера, а факторы 3) и 4) обуславливают улучшение частотных и импульсных свойств биполярного транзистора по сравнению с бездрейфовыми транзисторами.

Дата добавления: 2015-05-06