Главная  Интегральный монолит 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [ 11 ] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84]

эмиттер. С допустимой точностью у может быть представлена в следующем виде [1]:

где La -диффузионная длина для неосновных носителей в эмиттере; рэ и рб - удельные сопротивления эмиттера и базы в пределах диффузионной зоны перехода. Как следует из (2-6), Y стремится к единице, если эмиттер легирован сильнее, чем база, и если щирина базы w достаточно мала. Для интегральных структур, сходных с изображенными на рис. 2-4, эффективность эмиттера составляет 0,99-0,995 при токах порядка нескольких миллиампер. Коэффициент переноса базы Р* представляет собой долю неосновных носителей, инжектированных из эмиттера и достигающих коллектора. Среднее расстояние, которое проходят неосновные носители до рекомбинации, называется диффузионной длиной l и представляется как

l=Ydt,

(2-7)

где D - коэффициент диффузии носителей, а т - время жизни неосновных носителей в базовой области. Если ширина базы w много меньше l, коэффициент переноса

. 4

f-----

20 : 3D

Рис. 2-6. Семейство вольт-амперных характеристик интегрального п-р-п транзистора с Ро~100 (распределение примесей и геометрия приблизительно соответствуют . рис. 2-.3 и 2-4).

базы можно аппроксимировать выражением

Для типичных интегральных приборов р* примерно равен 0,995.

Коэффициент ударной ионизации Ш есть отношение числа носителей, вошедших в коллектор,, к числу неосновных носителей,, поступающих с базовой стороны обедненного слоя база - коллектор. Из-за вторичного эффекта ионизации обедненного коллекторного слоя М обычно немного больше 1. Его можно выразить через обратное смещение база -- коллектор t/кб. посредством эмпирического соотношения:

(2-9).

где /кспр - напряжение пробоя перехода база - коллектор. Показатель степени т имеет значения,, близкие к 4 и 2 соответственно для транзисторов п-р-п и р-п-р типов.

Типичные вольт-амперные Характеристики интегрального транзистора п-р-п (сходного с изображенными на рис. 2-3 и 2-4) показаны на рис. 2-6 для схемы с общим эмиттером. Конечная крутизна вольт-амперной характеристики коллектора обусловлена модуляцией эффективной ширины базы за счет расширения обедненного слоя коллектор - база при увеличении коллекторного напряжения.

Этот эффект модуляции шприны базы становится более значительным, когда w делается меньше или когда удельное сопротивление базовой области увеличивается по сравнению с коллекторным. Быстрое увеличение усиления по току перед пробоем является результатом лавинного усиления в коллекторном обедненном слое, как это следует из уравнения (2-9).

Усиление прямого тока транзистора ро зависит в некоторой степе-



0,00/ 0,07 0,1

Рис. 2-7. Зависимость Po от /к для типичного интегрального транзистора (рис. 2-3 и 2-4).

НИ от величины коллекторного тока. Оптимальная область тока, в которой ро достигает максимального значения, является функцией горизонтальных размеров прибора, в особенности площади эмиттерной области. На рис. 2-7 показана типичная зависимость Ро от /к, для Интегрального транзистора, изображенного на рис. 2-4. При малых значениях тока действие поверхностной рекомбинации уменьшает Ро. Следовательно, чтобы увеличить усиление при малых токах, необходимо свести к минимуму влияние поверхностной рекомбинации. Этого можно достигнуть дополнительными мерами по пассивации поверхности, такими, как силиконнитрид-ное содержание, или путем уменьшения эмиттерного периферийного участка в области перехода эмиттер- база.

Уменьшение р .при больших значениях тока происходит благодаря действию двух основных фатторов: уменьшению коэффициента инжекции й эффекту вытеснения тока эмиттера. Уменьшение коэффициента инжекции при больших токах происходит из-за присутствия большого количества избыточных неосновных носителей в базе, уменьшающих эффективное сопротивление базы рб вблизи перехода база- эмиттер. Эффект вытеснения тока эмиттера вызван омическим падением напряжения в активной базовой области из-за большого базового тока. Как следствие этого


Эмиттер База

Изоляция

Коллектор,

Вывод коллектора

ВыВод зтттера

Рис. 2-8. Транзистор для больших токов (вид сверху).

В активной базовой области возникает градиент потенциала и край эмиттера приобретает большее прямое смещение, чем середина площади эмиттера. Таким образом, инжекция носителей происходит преимущественно на периферии эмиттера, и электрически активным становится только край эмиттера. Чтобы уменьшить падение Ро при больших токах, необходимо достигнуть максимального отношения периферийной области к его площади и минимального сопротивления базы. Это приводит к стержневид-ной транзисторной структуре для больших токов, как показано на рис. 2-8. Коэффициент ро является также функцией температуры и уменьшается с понижением последней. Эта температурная зависимость Ро связана главным образом с уменьшением времени жизни т неосновных носителей, которое в свою очередь уменьшает коэффициент переноса базы [см. уравнение (2-8)]. Типичный температурный коэффициент Ро порядка 5-10-з°С-1.

Напряжение пробоя

Когда обратное смещение через р-п переход достигает значения больше некоторого критического, ток через переход быстро возрастает. Это критическое напряжение известно как напряжение пробоя перехода ?7пр. Для кремния существуют два механизма пробоя: лавинный и пробой Зенера.



Эксперимент

теория

ID W ID ю"атамоВ/см

Рис. 2-9. Зависимость напряжения лавинного пробоя от концентрации примесей ступенчатого перехода.

Если концентрация примесей на обеих сторонах перехода меньше 10* атомов/см напряжение пробоя определяется началом лавинного умножения. Это происходит, когда электрическое поле в обедненной области достаточно велико для того, чтобы свободные носители могли приобрести необходимую энергию для выбивания дополнительных валентных электронов из атомной решетки. Вторичные электроны в свою очередь генерируют дополнительные свободные носители, что приводит к лавинному увеличению числа свободных носителей в обедненной области. Это явление схоже с явлением ионизационного пробоя в газах. Напряжение пробоя определяется обычно концентрацией примесей на более слаболегированной стороне перехода.

На рис. 2-9 показана зависимость напряжения лавинного пробоя от концентрации для р-п перехода, причем принято, что на слаболегированной стороне перехода примеси распределены равномерно. Можно показать, что для напряжения лавинного пробоя приближенно выполняется соотношение следующего типа:

t/np=«2,7-10iW-2/3B, (2-10)

где N - концентрация примеси в атомах/см на слаболегированной стороне. Напряжение лавинного пробоя имеет сильную температур-

ную зависимость с типовыми значениями температурного коэффициента от -I-3-10-4 до -Ы,ЗХ Х10з°С-1, причем она тем сильнее, чем выше напряжение пробоя.

Второй механизм пробоя -зе-неровского типа - происходит, если обе стороны перехода очень сильно легированы. Явление зенеровского пробоя имеет квантовомеханическое происхождение и связано с возможностью туннелирования электронов из валентной зоны на одной стороне перехода в подходящие энергетические состояния в зоне проводимости на. другой стороне. Для переходов с напряжением пробоя до 5 В зене-ровский пробой является главным механизмом проводимости. . В аналоговых интегральных структурах уровень концентрации примеси, который дает возможность получить пробой зенеровского типа, обычно не достигается.

Интегральная транзисторная структура характеризуется двумя напряжениями пробоя: база - коллектор С/кбопр и база - эмиттер эбопр- Для напряжения пробоя транзистора используется тройное обозначение, причем последний символ О указывает, что цепь третьего вывода разомкнута. Как t/эбощ), так и С/кбопр могзт быть аппроксимированы из данных рис. 2-9, . если примесные уровни базы и коллектора известны. Обычно значения t/эбопр находятся в пределах от 6 до 8 В для интегральных транзисторов, в которых пробойный переход эмиттер - база используется как подходящий прибор для стабилизации постоянного напряжения и сдвигов уровней потенциала в схеме.

Благодаря эффекту умножения носителей в базовой области транзистора напряжение пробоя коллектор - эмиттер t/кэ о пр меньше

t/кб о пр.

Это сотношение можно представить в виде

кбопр /оп

кэопр ~ Zr~ V"l



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [ 11 ] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84]

0.0008