Курсовая работа: Дрейфовые транзисторы их параметры, преимущества и недостатки

1. Определение, структура и особенности дрейфового транзистора

2. Физические процессы в базе дрейфового транзистора

2.1 Процессы в базе при низком уровне инжекции

2.2 Процессы в базе при больших плотностях тока

3. Влияние неравномерного распределения примесей в базе на параметры дрейфового транзистора

Список использованных источников литературы.

1. Определение, структура и особенности дрейфового транзистора

Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может существовать или отсутствовать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым , если же поле в базе отсутствует – бездрейфовым. По принципу действия дрейфовый и бездрейфовый транзисторы одинаковы. Отличаются они только механизмом переноса носителей через базовую область. В дрейфовом транзисторе скорость носителей в базе увеличивается вследствие действия дрейфового поля, что приводит к различиям в численных значениях параметров двух типов транзисторов.

Рассмотрим типичную структуру дрейфового транзистора, создаваемого методом двойной диффузии (рис.1.1).[1]

Структура дрейфового транзистора.

Рис. 1.1.

Пусть в качестве исходного материала используется полупроводник р-типа с концентрацией примеси N_a0 . С поверхности полупроводника происходит диффузия акцепторной и донорной примесей, причем на поверхности N_a >N_d . Будем считать, что диффузия примесей происходит по простому закону [1].

Существенное влияние на результирующее распределение примесей оказывает то, что коэффициент диффузии акцепторной примеси значительно отличается от коэффициента диффузии донорной примеси. Поэтому, например, в германии концентрация акцепторной примеси быстрее убывает с расстоянием вглубь полупроводника, чем концентрация донорной (рис.1.2,а). Для получения более ясной картины построим на основе рис.1.2,а зависимость разности N_a -N_d от x (рис. 1.2,б).

Распределение примесей в дрейфовом транзисторе.

Рис.1.2.

Теперь видны три области в полупроводнике: р-типа (x<0, N_a -N_d >0), п-типа (W>x>0, N_a -N_d <0), р-типа (x>W, N_a -N_d >0). Первая область может использоваться в качестве эмиттера транзистора, вторая — в качестве базы, третья — коллектора. Обычно режим диффузии выбирается так, что N_aэ >>N_dб,ср >> N_aк (N_dб,ср — средняя концентрация примесей в базе). Поэтому приближенно распределение примесей можно изобразить в виде рис. 1.2,в.

Вследствие неравномерного распределения примесей в базе (рис. 1.2,г) существуют встречные диффузионные потоки электронов и дырок, которые приводят к образованию электрического поля в базе. Образование электрического поля можно объяснить следующим образом. Концентрация атомов донорной примеси в базе транзистора p-n-p-типа велика у эмиттера и мала у коллектора. Так же распределяется и концентрация свободных электронов, поскольку свободные электроны создаются вследствие ионизации атомов донорной примеси. Часть свободных электронов от эмиттера уходит к той части области базы, которая расположена у коллекторного перехода. Это перемещение создает избыточный положительный заряд ионов у эмиттерного и избыточный отрицательный заряд электронов у коллекторного перехода. Таким образом, создаются электрическое поле и наклон энергетических зон в базовой области (рис. 1.3). Электрическое поле в базе направлено от эмиттера к коллектору и, следовательно, способствует движению дырок в этом направлении.[2]

Рис.1.3. Дрейфовый транзистор

Особенности дрейфовых транзисторов . Как известно[3], диффузионная технология позволяет получить очень тонкую базу, что само по себе (даже без учета распределения примесей) приводит к ряду важных следствий. А именно при прочих равных условиях существенно уменьшается время диффузии t_D и увеличивается коэффициент передачи β, поскольку эти параметра зависят от квадрата толщины базы[3]. Толщина базы у дрейфовых транзисторов в 5—10 раз меньше, чем у диффузионных, а потому время диффузии t_D и постоянная времени τ_α , оказывается меньше в десятки раз; соответственно увеличивается граничная частота f_α . Коэффициент передачи β по тем же соображениям должен был бы доходить до 1 000 и больше. На самом деле он значительно меньше и обычно не превышает 100—200. Это объясняется тем, что величины α и β зависят не только от толщины базы, но также от времени жизни и коэффициента инжекции. В связи с повышенной концентрацией примесей вблизи эмиттера, а значит, малым удельным сопротивлением время жизни в базе дрейфового транзистора значительно меньше, чем у диффузионных транзисторов, а коэффициент инжекции более заметно отличается от единицы [3].

Теперь учтем неравномерное распределение примесей в базе на примере р-п-р транзистора (рис. 1.4, где L_Д — длина диффузии доноров) и покажем те следствия, к которым приводит такая неравномерность.

Рис.1.4. Распределение примесей в базе дрейфового транзистора.

Прежде всего, очевидно, что слой базы, прилегающий к коллекторному переходу, является почти собственным полупроводником, так как здесь продиффундировавшие донорные атомы в значительной мере компенсируют акцепторные атомы исходного кристалла. Следовательно, удельное сопротивление этого слоя базы велико и коллекторный переход оказывается довольно широким. Соответственно емкость С_к получается значительно (почти на порядок) меньшей, чем у диффузионных транзисторов, и составляет несколько пикофарад. По вполне понятным причинам коллекторный переход является плавным, а не ступенчатым, и потому емкость С_к описывается формулой [3].

(1.1)

где l –ширина перехода.

По мере удаления от коллектора в глубь базы концентрация доноров растет, а удельное сопротивление уменьшается. Результирующее сопротивление базы можно рассматривать как результат параллельного соединения отдельных слоев базы, имеющих равную удельную проводимость. Поскольку неоднородность базы является основой дрейфового механизма транзистора, концентрацию N_d (0) делают весьма большой; N_d (0) >> N_{a. к} , где N_{a. к} — концентрация акцепторов в исходной пластинке (рис.1.4). Очевидно, что сопротивление r_б определяется в основном тем участком базы, который прилегает к эмиттерному переходу и имеет наибольшую удельную проводимость. Поэтому, несмотря на значительно меньшую толщину базы W, величина r_б у дрейфовых транзисторов примерно такая же, как у диффузионных, и даже меньше.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--