Биполярные транзисторы - Дрейфовые транзисторыТвердотельная электроника. Учебное пособие.
5.16. Дрейфовые транзисторы
В предыдущих разделах рассматривался перенос инжектированных носителей через базу биполярного транзистора. Процесс переноса являлся диффузионным, поскольку электрическое поле в базе отсутствует. При диффузионном переносе скорость направленного движения носителей vдиф = Lp/τp невысока и, следовательно, время переноса носителей через базу будет большим. Для повышения быстродействия транзисторов необходимо уменьшить время пролета, а следовательно, увеличить скорость движения инжектированных носителей в базе. Одним из способов этого будет переход от диффузионного к дрейфовому механизму переноса в базе.
За счет внешних источников напряжения создать электрическое поле в квазинейтральном объеме барьерных структур не представляется возможным. В дрейфовых транзисторах используется принцип встраивания электрического поля в базу (аналогично электретному механизму для диэлектриков). Этот принцип реализуется путем неоднородного легирования базы.
Рассмотрим неоднородно легированный полупроводник n-типа, в котором концентрация примеси меняется по координате х (рис. 5.20). В таком полупроводнике будет градиент концентрации свободных носителей. Градиент концентрации свободных носителей приводит к возникновению диффузионного тока 
. Этот ток вызовет перераспределение свободных носителей, в то время как ионизованные доноры останутся на своих прежних местах. Вследствие этого возникает электрическое поле Е, препятствующее дальнейшему разделению электронов и вызывающее появление дрейфовой компоненты электрического тока.
Рис. 5.20. Схематическое изображение неоднородно легированного полупроводника n-типа и его зонная диаграмма
В стационарных условиях в неоднородно легированном полупроводнике существуют электрическое поле E(x) и равные по величине, но противоположные по направлению дрейфовая jE и диффузионная jD компоненты тока:
(5.34)Таким образом, из уравнения (5.35) следует, что величина электрического поля E(x) будет:
(5.35)Используя соотношение Эйнштейна D/μ = kT/q , получаем:
(5.36)В случае экспоненциального распределения легирующей примеси N(x) = N0exp(-x/L) (рис. 5.21) получим выражение для электрического поля.
Продифференцируем выражение для концентрации:
(5.37)Подставляя выражение (5.37) в уравнение (5.36), получаем для электрического поля
(5.38)Из полученного соотношения следует, что при экспоненциальном законе распределения примеси в полупроводнике возникает постоянное электрическое поле Е, значение которого определяется уравнением (5.38).
Рассмотрим эту ситуацию применительно к биполярному транзистору p-n-p типа. В случае неоднородно легированной базы (причем вблизи эмиттера база должна быть сильно легирована, а вблизи коллектора - слабо) электрическое поле в базе направлено от эмиттерного перехода к коллекторному. При инжекции неосновных носителей (дырок) они будут ускоренно двигаться в электрическом поле и добавят к диффузионному процессу переноса через базу дополнительно дрейфовый перенос.
Рис. 5.21. Диаграмма, иллюстрирующая распределение концентрации легирующей примеси дрейфового транзистора, и зонная диаграмма
Для того, чтобы точно найти распределение инжектированных носителей по базе биполярного транзистора р(х), нужно решить уравнение непрерывности с учетом дрейфовой и диффузионной компонент тока:
(5.39)Будем рассматривать только стационарный случай, когда dp/dt = 0, и для простоты - экспоненциальный закон распределения примеси по базе.
Введем параметр η = W/2L0 - коэффициент неоднородности базы. Уравнение (5.39) перепишем, учитывая, что электрическое поле E = (kT/q)·(1/L0).
С учетом этого уравнение непрерывности приобретает следующий вид:
(5.40)Граничные условия для этого уравнения имеют следующий вид исходя из того, что заданы эмиттерный ток Jэр = γJэ и коллекторное напряжение Uк:
Рассмотрим физический смысл коэффициента неоднородности базы η. Для этого проведем следующее преобразование выражения 
:
Извлечем квадратный корень и прологарифмируем это выражение.
Получаем 
.
Следовательно,
(5.41)Из соотношения (5.51) следует, что коэффициент неоднородности базы η определяется логарифмом отношения концентрации примеси на границах базы.
Оценим значение коэффициента неоднородности η. Максимальное значение концентрации в базе может составлять ND(0) = 1017 см-3. При более высоких концентрациях ND(0) будет уменьшаться эффективность эмиттера γ. Минимальное значение концентрации в базе ND(W) ограничивается или собственной концентрацией свободных носителей, или значением концентрации неконтролируемой примеси и составляет ND(W) = 1012 см-3. При этих параметрах максимальное значение коэффициента неоднородности η будет η = 5, реальные же значения η = 2÷4.
Решение уравнения (5.35) с граничными условиями после ряда упрощений дает следующее выражение для распределения инжектированных дырок в базе дрейфового транзистора:
(5.42)На рисунке 5.22 представлено распределение концентрации рn(х) по толщине базы, рассчитанное при разных значениях коэффициента неоднородности η.
Рис. 5.22. Распределение концентрации инжектированных носителей рn(х) при разных значениях η
Рассчитаем коэффициент переноса κ для дрейфового транзистора, аналогично как и для диффузионного БТ, измеряя отношения токов в начале и в конце базы. Получаем:
(5.43)В уравнении (5.53) сомножитель k(η) аппроксимируется соотношением: k(η) ≈ 1/(1+η).
При значениях η = 2÷5, значения коэффициента k(η) будут равны k(η) = 0,33÷0,20.
Из уравнения (5.53) следует, что в дрейфовых транзисторах при прочих равных условиях коэффициент переноса κ возрастает по сравнению с коэффициентом в диффузионных транзисторах.
Рассмотрим, как меняется коэффициент усиления по току β для схемы с общей базой. Значение коэффициента усиления β определяется соотношением:
Отсюда следует, что коэффициент усиления по току β в дрейфовых транзисторах возрастает в 3÷5 раз по сравнению с коэффициентом в диффузионных транзисторах.
Оценим динамические параметры дрейфового транзистора. Сравним время переноса через базу в биполярном транзисторе при дрейфовом tдр и диффузионном tдиф переносе.
Отношение времен 
.
Для нахождения времени пролета при наличии обоих механизмов сложим обратные величины:
Таким образом, время переноса в дрейфовых транзисторах будет в 3÷5 раз меньше, чем в диффузионных транзисторах.
Copyright © 2003-2008 Авторы
| Ваш комментарий к статье | ||||
