Глава 1.16

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 скорость 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. 1.16.1). В таком полупроводнике будет градиент концентрации свободных носителей. Градиент концентрации свободных носителей приводит к возникновению диффузионного тока jD = qD . 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.

неоднородно легированный полупроводник

Рис. 1.16.1. Схематическое изображение неоднородно легированного полупроводника n-типа и его зонная диаграмма.

В стационарных условиях в неоднородно легированном полупроводнике существует электрическое поле E(x) и равные по величине, но противополjжные по направлению дрейфовая jE и диффузионная jD компоненты тока.

формула 1.16.1. (1.16.1)

Таким образом, из уравнения (1.16.1) следует, что величина электрического поля E(x) будет

формула 1.16.2. (1.16.2)

Используя соотношение Эйнштейна соотношение Эйнштейна, получаем

формула 1.16.3. (1.16.3)

В случае экспоненциального распределения легирующей примеси N(x) = N0 получим выражение для электрического поля. Продифференцировав выражение для концентрации, получим:

формула 1.16.4. (1.16.4)

Подставляя выражение (1.16.4) в уравнение (1.16.3), получаем для электрического поля:

формула 1.16.5. (1.16.5)

Из полученного соотношения следует, что при экспоненциальном законе распределения примеси, в полупроводнике возникает постоянное электрическое поле Е, значение которого определяется уравнением (1.16.5).

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 двигаться ускоренно в электрическом поле, и добавиться к диффузионному процессу переноса через базу дополнительно дрейфовый перенос.

распределение концентрации легирующей примеси зонная диаграмма дрейфового транзистора

Рис. 1.16.2. Диаграмма, иллюстрирующие 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.

формула 1.16.6, уравнение непрерывности. (1.16.6)

Будем рассматривать только стационарный случай, когда и для простоты экспоненциальный закон распределения примеси по базе.

Введем параметр - коэффициент неоднородности базы. Уравнение (1.16.6) перепишем, учитывая, что электрическое поле .

С учетом этого уравнение непрерывности приобретает следующий вид:

формула 1.16.7. (1.16.7)

Граничные условия для этого уравнения имеют следующий вид исходя из того, что задан эмиттерный ток и коллекторное напряжение Uк.

,   (x=0)

,   (x=W)

Рассмотрим физический смысл коэффициента неоднородности базы . Для этого проведем следующее преобразование выражения .   . Извлечем квадратный корень и прологарифмируем это выражение. Получаем

Следовательно

формула 1.16.8. (1.16.8)

Из соотношения (1.16.8) следует, что коэффициент неоднородности базы определяется логарифмом отношения концентрации примеси на границах базы.

Оценим значение коэффициента неоднородности . Максимальное значение концентрации в базе может составлять ND(0) = 1017 см-3. При более высоких концентрациях ND(0) будет уменьшаться эффективность эмиттера . 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 будет = 5, реальные же значения = 2 - 4.

Решение уравнения (1.16.2) с граничными условиями после ряда упрощений дает следующее выражение для распределения инжектированных дырок в базе дрейфового транзистора

формула 1.16.9. (1.16.9)

На рис. 1.16.3 представлено распределение концентрации рn(х) по толщине базы рассчитанное при разных значениях коэффициента неоднородности .

распределение концентрации инжектированных носителей

Рис. 1.16.3. Распределение концентрации инжектированных носителей рn(х) при разных значениях .

Рассчитаем коэффициент переноса для дрейфового транзистора, аналогично, как и для диффузионного БТ, измеряя отношения токов в начале и в конце базы. Получаем

формула 1.16.10. (1.16.10)

В уравнении (1.16.10) сомножитель k() аппроксимируется соотношением .

При значениях = 2 - 4, значение коэффициента k() будут равны k() = 0,33 - 0,20. Из уравнения (1.16.11) следует, что в дрейфовых транзисторах при прочих равных условиях коэффициент переноса возрастает по сравнению с диффузионными транзисторами.

Рассмотрим, как меняется коэффициент усиления по току для схемы с общей базой. Значение коэффициента усиления определяется соотношением 

Отсюда следует, что коэффициент усиления по току в дрейфовых транзисторах возрастает в 3 - 5 раз по сравнению с диффузионными транзисторами.

Оценим динамические параметры дрейфового транзистора. Сравним время переноса через базу в биполярном транзисторе при дрейфовом tдр и диффузионном tдиф переносе.

, .

Отношение этих времен  .

Для нахождения времени пролета при наличии обеих механизмов сложим обратные величины
, .

Таким образом, время переноса в дрейфовых транзисторах будет в 3 - 5 раза меньше, чем в диффузионных транзисторах.


Глава 1.15 Содержание Глава 1.17