Дрейфові транзистори їх параметри, переваги та недоліки
Факультет електронної техніки
КУРСОВА РОБОТА
на тему: “Дрейфові транзистори їх параметри, переваги та недоліки”
1. Визначення, структура та особливості дрейфового транзистора
2. Фізичні процеси в основі дрейфового транзистора
2.1 Процеси в основі за низького рівня інжекції
2.2 Процеси в основі при високих щільності струму
3. Вплив нерівномірного розподілу домішок на основі параметри дрейфового транзистора
Список використаних джерел літератури.
1. Визначення, структура та особливості дрейфового транзистора
Основні показники транзистора визначаються насамперед процесами, які у основі. Залежно від розподілу домішок у основі може існувати чи бути електричне полі. Якщо за відсутності струмів в основі існує електричне поле, яке сприяє руху неосновних носіїв заряду від емітера до колектора, то транзистор називаютьдрейфовим, якщо поле в базі відсутнє - бездрейфовим. За принципом дії дрейфовий та бездрейфовий транзистори однакові. Відрізняються вони лише механізмом перенесення носіїв через базову область. У дрейфовому транзисторі швидкість носіїв основу збільшується внаслідок дії дрейфового поля, що зумовлює розбіжності у чисельних значеннях параметрів двох типів транзисторів.
Розглянемо типову структуру дрейфового транзистора, створюваного шляхом подвійної дифузії (рис.1.1).[1]
Структура дрейфового транзистора.
Нехай як вихідний матеріал використовується напівпровідник р-типу з концентрацією домішки Na0. З поверхні напівпровідника походитьдифузія акцепторної та донорної домішок, причому на поверхні Na >Nd . Вважатимемо, що дифузія домішок відбувається за простим законом [1].
Істотний вплив на результуючий розподіл домішок робить те, що коефіцієнт дифузії акцепторної домішки значно відрізняється від коефіцієнта дифузії донорної домішки. Тому, наприклад, у Німеччині концентрація акцепторної домішки швидше зменшується з відстанню вглиб напівпровідника, ніж концентрація донорної (рис.1.2, а). Для отримання більш ясної картини побудуємо з урахуванням рис.1.2,а залежність різниці Na -Nd від x (рис. 1.2,б).
Розподіл домішок у дрейфовому транзисторі.
Тепер видно три області в напівпровіднику: р-типу (x 0), п-типу (W>x>0, Na-Nd W, Na-Nd>0). Перша область може використовуватися як емітер транзистора, друга - як база, третя - колектора. Зазвичай режим дифузії вибирається так, що Naе >>Ndб,ср >> Naк (Ndб,ср - середня концентрація домішок в основі). Тому приблизно розподіл домішок можна зобразити у вигляді рис. 1.2, ст.
Внаслідок нерівномірного розподілу домішок у базі (рис. 1.2,г) існують зустрічні дифузійні потоки електронів та дірок, що призводять до утворення електричного поля в базі. Утворення електричного поля можна пояснити так. Концентрація атомів донорної домішки в основі транзистора p-n-p-типу велика у емітера і мала у колектора. Також розподіляється і концентрація вільних електронів, оскільки вільні електрони створюються внаслідок іонізації атомів донорної домішки. Частина вільних електронів від емітера йде до тієї частини області бази, яка розташована біля колекторного переходу. Це переміщення створює надмірний позитивний заряд іоніву емітерного та надлишковий негативний заряд електронів у колекторного переходу. Таким чином, створюються електричне поле та нахил енергетичних зон у базовій області (рис. 1.3). Електричне поле основу спрямовано від емітера до колектора і, отже, сприяє руху дірок у цьому направлении.[2]
Рис.1.3. Дрейфовий транзистор
Особливості дрейфових транзисторів. Як відомо[3], дифузійна технологія дозволяє отримати дуже тонку базу, що саме собою (навіть без урахування розподілу домішок) призводить до ряду важливих наслідків. А саме за інших рівних умов суттєво зменшується час дифузії tD та збільшується коефіцієнт передачі β, оскільки ці параметри залежать від квадрата товщини бази [3]. Товщина бази у дрейфових транзисторів в 5-10 разів менше, ніж у дифузійних, а тому час дифузії tD і постійна часу ? виявляється менше в десятки разів; відповідно збільшується гранична частота fα. Коефіцієнт передачі β з тих самих міркувань мав би сягати 1 000 і більше. Насправді вона значно менша і зазвичай не перевищує 100—200. Це тим, що величини α і β залежить не тільки від товщини бази, але й від часу життя і коефіцієнта інжекції. У зв'язку з підвищеною концентрацією домішок поблизу емітера, отже, малим питомим опором час життя основі дрейфового транзистора значно менше, ніж в дифузійних транзисторів, а коефіцієнт інжекції помітно відрізняється від одиниці [3].
Тепер врахуємо нерівномірний розподіл домішок у основі з прикладу р-п-р транзистора (рис. 1.4, де LД — довжина дифузії донорів) і покажемо ті наслідки, яких призводить така нерівномірність.
Рис.1.4. Розподіл домішок у основі дрейфовоготранзистора.
Перш за все, очевидно, що шар бази, прилеглий до колекторного переходу, є майже власним напівпровідником, оскільки донорні атоми, що тут продифундували, значною мірою компенсують акцепторні атоми вихідного кристала. Отже, питомий опір цього шару бази великий і колекторний перехід виявляється досить широким. Відповідно ємність Ск виходить значно (майже на порядок) меншою, ніж у дифузійних транзисторів, і становить кілька пікофарад. З цілком зрозумілих причин колекторний перехід є плавним, а чи не ступінчастим, і тому ємність Ск описується формулою [3].
де l - Ширина переходу.
У міру віддалення від колектора в глиб бази концентрація донорів зростає, а питомий опір зменшується. Результуючий опір бази можна як результат паралельного з'єднання окремих шарів бази, мають рівну питому провідність. Оскільки неоднорідність бази є основою дрейфового механізму транзистора, концентрацію Nd(0) роблять дуже великою; Nd (0) >> Na. до , де Na. до - концентрація акцепторів у вихідній платівці (рис.1.4). Вочевидь, що опір rб визначається переважно тим ділянкою бази, який прилягає до емітерному переходу і має найбільшу питому провідність. Тому, незважаючи на значно меншу товщину бази W, величина rб у дрейфових транзисторів приблизно така сама, як у дифузійних, і навіть менше.
Емітерний перехід у дрейфових транзисторів, зазвичай, ступінчастий. Оскільки гранична концентрація донорів Nd(0) велика, концентрація акцепторів в емітері має бути ще більшою і емітерний перехід виходить дуже вузьким. В результаті при подачі на емітер негативної замикаючої напруги цейперехід легко пробивається. Зазвичай пробій носить польовий характер [3] і відбувається при дуже невеликій напрузі (1-2 в). Пробою емітера значно впливає на роботу багатьох імпульсних схем, в яких замикання тріода є необхідним елементом робочого циклу. Ця важлива специфіка дрейфових транзисторів не є, однак, перешкодою для застосування їх у ключових схемах, так як пробій переходу при обмеженому струмі є оборотним явищем (як в опорному діоді) і не становить небезпеки. Інжекція в режимі пробою, як відомо, відсутня і, отже, колекторного ланцюга тріод залишається замкненим.
Найменша ширина емітерного переходу у дрейфових тріодів за інших рівних умов означає велику величину бар'єрної ємності СЕ. Ця обставина разом із набагато вищою частотою ?α робить суттєвим вплив ємності СЕ на коефіцієнт інжекції [3]. Інакше висловлюючись, частотні властивості дрейфових транзисторів можуть обмежуватися часом дифузії, а постійної часу rЭ СЕ . Для того щоб зменшити вплив бар'єрної ємності СЕ часто використовують дрейфові транзистори при більшому струмі емітера, наприклад 4-5 ма замість 1 ма. Тоді опір rЕ зменшується і постійна часу rЕ СЕ виявляється досить малою. По суті, критерієм зі збільшенням струму є умова СЕ