ГУРТІВ ТВЕРДІЛЬНА ЕЛЕКТРОНІКА! Стор 24
? ? ? 0 I Е . e - i 0,2 ω ω α
Мал. 5.34. Векторна діаграма струмів у біполярному транзисторі у схемі із загальним емітером для випадку ω = ω β
При малих і при α 0 → 1 (див. рис. 5.28) слід, що
Більш точний розрахунок дає такий вираз:
ϕ = ω β = 0,8 (1 − α).
З урахуванням цього отримуємо:
ω β = ω α (1 − α ) 0,8 = ω α β 0,8 ,
або оцінне відношення
Таким чином, у схемі із загальним емітером гранична частота посилення по струму β багато менше, ніж гранична частота ω у схемі із загальною базою.
Частоти α і β можуть бути виражені через фізичні параметри
Величина ω β ≈ ω α / β , а значення β дорівнює β =
Для опису частотної залежності β ( ω ) підставимо вираз для β частотно-залежний коефіцієнт перенесення α ( ω ). Отримаємо:
5.12.4.Еквівалентна схема транзистора на високих частотах
На закінчення розділу збудуємо еквівалентну схему біполярного транзистора на високих частотах для схеми із загальною базою (рис. 5.35).
I Б
Б
Мал. 5.35. Еквівалентна схема біполярного транзистора на високих частотах для схеми із загальною базою
На наведеній еквівалентній схемі основні параметри елементів в емітерному, базовому та колекторному ланцюгах такі ж, як і для еквівалентної схеми при малих частотах. Відмінність цих двох схем проявляється в колекторному ланцюзі, де частотна залежність коефіцієнта передачі α ( ω ) зображена у вигляді фазозсувної RC-ланцюжка З ф і R ф в колекторному ланцюзі.
5.13. Біполярні транзистори з гетеропереходами
5.13.1. Типова структура ГБТ на GaAs
Одним із перспективних напрямів щодо покращення параметрів біполярних транзисторівє заміна емітерного p-n переходу біполярного транзистора на гетероперехід. У цьому випадку можна забезпечити односторонню інжекцію з емітера в базу, а, отже, і високу ефективність емітера при низькій легуючій концентрації емітера і високій легуючій концентрації бази. Остання умова дозволяє суттєво зменшити ширину бази та усунути вплив ефекту Ерлі на вихідні характеристики біполярного транзистора.
Найбільшого поширення біполярні транзистори з емітерним гетеропереходом набули при розробці НВЧ-транзисторів на основі арсеніду галію (ГБТ на GaAs). В англомовній літературі для позначення цих транзисторів використовують абревіатуру HBT. Стандартна топологія ГБТ-транзисторів використовує вертикальну структуру. Типову структуру біполярного транзистори з емітерним гетеропереходом на основі арсеніду галію наведено на малюнку 5.36.
n + GaAs-шар колекторного контакту
Мал. 5.36. Типова структура біполярного транзистори з емітерним гетеропереходом на основі арсеніду галію ГБТ на GaAs [22]
Типовий ГБТ на GaAs n-p-n типу формується на напівізолюючій GaAs підкладці з питомим опором порядку 10 7 Ом см. Колектор формується на основі електронного GaAs з концентрацією донорів N D 3 10 16 см -3 . База являє собою сильнолеговану область p + -GaAs з легуючою концентрацією акцепторів (берилій або вуглець) N A, що дорівнює 1019 см -3 . Емітерний гетероперехід формується за рахунок слаболегованого шару AlGaAs n-типу як емітер. Ширина забороненої зони напівпровідникового з'єднання AlGaAs в емітері більша, ніж GaAs в базі на величину ∆ Е g = 0,37 еВ. У разі використання емітерного гетеропереходу Al 03 Ga 07 As розрив зони провідності становить ∆ Е C = 0,24ЕВ,
розрив валентної зони ∆Е V = 0,13 еВ [22]. Як було показано у розділі 2.14, у цьому випадку реалізується одностороння інжекція електронів з емітера до бази.
Високий рівень легування бази, а також низький рівень легування емітера, зумовлюють низький опір бази та мало значення ємності етмітерного гетеропереходу. Низьколегований колектор зменшує ємність колекторного переходу. Ці умови дозволяють досягти високих значень граничної частоти, посилення струму біполярного транзистора.
Важливою перевагою для біполярного транзистори з емітерним гетеропереходом є простота технологічної реалізації. Вертикальна структура ГБТ дозволяє раціонально використовувати площу кристала в планарному технологічному процесі. Тонкі шари бази формуються шляхом епітаксії, що навіть у разі субмікронних товщин бази дозволяє відмовитися від електронно-променевої літографії. Додатковим перевагою таких транзисторів проти польовими транзисторами є однополярне харчування.
5.13.2. Біполярні транзистори з гетеропереходами на сполуках з фосфідом Індія
Черговим кроком у розвитку біполярного транзистора з емітерним гетеропереходом на GaAs є використання в транзисторах замість GaAs інших напівпровідникових сполук груп A 3 B 5 : для базової та колекторної областей потрійних з'єднань InGaAs, для емітерної та колектор. Крім цього, p-n перехід базаколектор також реалізується у вигляді гетеропереходу. Біполярні транзистори з двома гетеропереходами позначають абревіатурою ДГБТ (DHBT в англійській транскрипції).
Використання фосфіду InP дозволяє поліпшити частотні характеристики ДГБТ, збільшує пробивну напругу колектора. Оскільки
шириназамкненої зони InP більше, ніж у In 0,53 Ga 0,47 As (1,35 еВ і 0,75 еВ відповідно), то напруга пробою колекторного гетеропереходу не ме-
її 6 вольт. Існує велика різноманітність у комбінаціях матеріалів емітера, бази та колектора біполярного транзистора з двома гетеропереходами на основі InP. Найчастіше використовується n-p-n транзисторні гете-
роструктури типу InAlAs – InGaAs – InP та InP – InGaAs – InP. Товщина бази у разі використання технології молекулярно-променевої епітаксії може бути знижена до 25 нм при рівні легування вуглецем 1020 см -3 . Прилади з такими структурами мають рекордні частотні характеристики з граничною частотою 250 ГГц при струмі колектора 10 мА, напруга на колекторі 1 вольт. [22, 27]
5.1. Намалюйте зонну діаграму n-p-n транзистора у рівноважному стані.
5.2. Дайте визначення коефіцієнту перенесення та коефіцієнту інжекції.
5.3. Як пов'язаний коефіцієнт перенесення із шириною бази?
5.4. У чому полягає ефект Ерлі?
5.5. Яка стала часу визначає інерційність транзистора у схемі ПРО?
5.6. Яка стала часу визначає інерційність транзистора в схемі ОЕ?
5.7. Що таке складовий транзистор? Опишіть його принцип дії та характеристики.
5.1. Для деякого транзистора типу p-n-p задано I pе = 1 мА, I nе = 0,01 мА, I pк = 0,98 мА, I nк = 0,001 мА. Обчислити: а) статичний коефіцієнт передачі струму бази - α T; б) ефективність емітера (коефіцієнт інжекції -?); в) струм бази та коефіцієнт передачі струму в схемах з ПРО – α та ОЕ – β.
5.2. Показати, що при експонентному розподілі домішки в базі n-p-n біполярного транзистора поле E x постійно. Знайти у цьому випадку концентрацію неосновних носіїв поблизуколектора, якщо рівень легування