Материал: Методы увеличения коэффициента усиления по току биполярного транзистора

.2.2 Транзистор с пониженной концентрацией фосфора в эмиттере (ПКФ-транзистор)

Занимаясь проверкой предположения о снижении эффективности эмиттеров при сильном их легировании, Мартинелли и Джеттер исследовали мощный n-p-n-транзистор с поверхностной концентрацией фосфора в диффузионном эмиттере (5÷7)10¹⁹ см^-3. По сравнению с эмиттерами, имеющими поверхностную концентрацию фосфора 510²⁰ см^-3, в эмиттере с меньшей концентрацией примеси имели место более высокое время жизни и незначительное сужение зоны. Заряд равновесных основных носителей на единицу площади в эмиттере с высокой концентрацией фосфора составляет примерно 310¹⁷ см^-2, а в эмиттере с пониженной концентрацией фосфора - 310¹⁶ см^-3.

Сравнение обеих модификаций эмиттеров транзистора показало, что при температуре от 25 до 150 °С в широком диапазоне коллекторных токов ПКФ-транзистор является прибором более высокого качества. Так, при I_к = 10А коэффициент усиления по току ПКФ-транзистора был в 1,5 раза больше, чем коэффициент усиления транзистора с высоколегированным эмиттером.

.2.3 Транзистор с эмиттером, легированным мышьяком (ЭЛМ-транзистор)

Вместо обычно применяемого для изготовления эмиттеров фосфора можно использовать мышьяк. Это дает возможность получить более резкие переходы эмиттер - база и исключить так называемый эффект вытеснения, имеющий место при диффузии фосфора и особенно неприятный в ВЧ- транзисторах с очень узкими базами. С помощью мышьяка удалось получить эмиттеры с высокой эффективностью, увеличивающейся с ростом поверхностной концентрации до 1,510²⁰ см ^-3. В работе было показано, что значение коэффициента усиления ЭЛМ-транзистора ограничивается не коэффициентом инжекции, а коэффициентом переноса. Такие же результаты получились при использовании в качестве источника диффузии смеси из трех частей мышьяка и одной части фосфора. При увеличении концентрации мышьяка в этой смеси эффективность эмиттера возрастает. Эффективность эмиттера, легированного мышьяком, в значительной степени зависит от способа изготовления транзистора. Фэйр указывает, что при изготовлении легированной бором базы и легированного мышьяком эмиттера методом последовательной диффузии из химических источников имеют место факторы, тормозящие диффузию бора. Эти факторы включают в себя наличие внутренних полей, спаривание ионов, перенасыщение вакансий. Влияние их оказывается несущественным при изготовлении мелких р-n-переходов с помощью ионной имплантации бора и мышьяка перед диффузионной разгонкой. В этом случае взаимодействие между двумя диффузионными процессами отсутствует.

Экспериментальные данные Фэйра хорошо согласуются с результатами его вычислений, основанных на учете различия эффективной ширины запрещенной зоны E_g эмиттера и базы. Это различие пренебрежимо мало до тех пор, пока эффективная концентрация примеси эмиттера не достигнет предельного значения, соответствующего поверхностной концентрации N_п.э= 1,510²⁰ см^-3. В области значений, превышающих максимальную концентрацию эмиттера, различие в E_g (E_g) становится существенным и эффективная концентрация эмиттера начинает падать с увеличением концентрации.

Для имплантированно-диффузионных эмиттеров при отсутствии примесного взаимодействия величина γ_э с ростом N_п..э увеличивается гораздо медленнее - примерно на ^l/5 от скорости увеличения концентрации N_п..э при двойной диффузии. Ионная имплантация, следовательно, является превосходным методом управления значением коэффициента усиления при производстве транзисторов. Поскольку в эмиттерах, легированных мышьяком, сужение зоны не наблюдается вплоть до значений поверхностных концентраций N_п.э < 1,510²⁰ см^-3, можно ожидать, что коэффициенты усиления по току таких транзисторов будут иметь пренебрежимо малую температурную чувствительность.

.2.4 Транзистор с гетеропереходом в эмиттере

Гетеропереход образуется при контакте двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Переходы, сформированные в одном и том же полупроводниковом материале, называются гомопереходами. Наиболее изученным представляется гетеропереход в системе германий - арсенид галлия (Ge-GaAs), поскольку постоянные решетки этих полупроводников весьма близки -0,5657 нм для Ge и 0,5653 нм - GaAs. Хорошее совпадение решеточных констант препятствует образованию поверхностных состояний на границе раздела. В свою очередь, ширина запрещенной зоны E_g для Ge (около 0,8 эВ) и для GaAs (1,43 эВ) резко различаются (значения E_g даны для температуры 300 К).

Два полупроводника могут сформировать четыре типа гетеропереходов: n-Ge-n-GaAs, n-Ge-р-GaAs, р-Ge-р-GaAs, p-Ge-n-GaAs, Энергетическая диаграмма контакта p-Ge-n-GaAs представлена на рис. 8. Подобный же вид, естественно, будут иметь диаграммы и для гетеропереходов, образованных другими материалами.

На границе раздела двух полупроводников имеет место изгиб зон вследствие истощения зарядов при одинаковом положении уровня Ферми. Полное встроенное напряжение U_p-n на гетеропереходе складывается из встроенных потенциалов по одну и другую стороны перехода (см. рис. 8):

U_i = U_i1 + U_i2.(41)

Рисунок 8 - Зонная диаграмма гетероперехода

Очевидно, что потенциальный барьер для электронов, текущих из широкозонного в узкозонный материал, гораздо ниже, чем для дырок, текущих в противоположном направлении: высота барьера для электронов равна E_c, а для дырок - E_v+e (U_i1 + U_i2). Следовательно, протекающий ток почти полностью будет током электронов из GaAs в Ge. Дырочная составляющая тока, определяемая инжекцией дырок из узкозонного в широкозонный материал, пренебрежимо мала, так что коэффициент инжекции такого р-n-перехода практически равен единице и остается очень высоким даже при сильном легировании германиевой p-области. Использование такой n-р-структуры в качестве эмиттера дает возможность изготовить сильнолегированные базы без ухудшения коэффициента инжекции и тем самым в значительной степени предотвратить оттеснение базового тока, что улучшает характеристики вторичного пробоя и повышает максимальную рабочую частоту транзистора. До недавнего времени очень трудно было получить высококачественные широкозонные эмиттеры, главным образом, из-за высокой скорости рекомбинации на границе раздела. Оучи предложил для изготовления n-эмиттера использовать полуизолирующий поликристаллический кремний (сипос), сильно легированный фосфором. Слой сипос (толщиной от 10 нм до 1 мкм) покрывали поликристаллической кремниевой пленкой толщиной 0,3-0,5 мкм, металлизированной алюминием. Легированный кислородом поликристаллический кремний (сипос) имеет ширину запрещенной зоны 1,5 эВ, гораздо большую, чем монокристаллический кремний, используемый для изготовления p-базы.

Однако в настоящее время сипос-кремниевые транзисторы находятся на начальной стадии разработки и требуются дальнейшие их исследования для преодоления определенных ограничений.

.3 МОНОЛИТНЫЙ МОЩНЫЙ ТРАНЗИСТОР ДАРЛИНГТОНА

Мощные транзисторы имеют, как правило, низкое значение коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером (h_nр.э<<10) при высоких плотностях токов вследствие влияния расширения базы. Пара Дарлингтона (рис. 9), исключая этот недостаток, дает огромное увеличение h_nр.э, но не без ухудшения других параметров: увеличивается напряжение насыщения, уменьшается скорость переключения. Прибор, изображенный на рис. 9, выполнен на одной кремниевой пластинке, что оказывается дешевле, чем изготовление двух отдельных транзисторов. Конечно, можно использовать для соединения по схеме Дарлингтона несколько приборов, но это ограничивается общей величиной напряжения насыщения.

На рис. 10 изображена типичная зависимость коэффициента усиления по току (ток постоянный) от коллекторного тока для для монолитной (выполненной на одной пластинке) пары Дарлингтона при двух температурах: 150 °С - кривая 1 и 25 °С - кривая 2. Из-за очень высоких значений коэффициента усиления (1000 и более) при больших токах эти приборы могут непосредственно управляться интегральной схемой без дополнительных источников управления. Транзисторы Дарлингтона применяются в качестве ключей и усилителей звуковой частоты.

Если коэффициенты усиления запускающего и выходного транзистора в паре Дарлингтона соответственно обозначить через h_nр.э1 и h_nр.э2, то общий коэффициент усиления

_{nр.э =} h_nр.э1 + h_nр.э2 (h_nр.э1 +1).(42)

Полный коллеторный ток равен сумме двух коллекторных токов:

I_k = I_k1 + I_k2,(43)

и общее напряжение коллектор - эмиттер

U_к-э2 = U_к-э1 + U_б-э2.(44)

Рисунок 10 - Зависимость коэффициента усиления по току h_nр.э от коллекторного тока I_к для пары Дарлингтона (U_к-э=5 В)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Биполярные мощные транзисторы нашли широкое применение и качестве усилителей низкой и высокой частот, генераторов, мощных переключающих устройств. Они нужны в самых разнообразных схемах: усилителей звуковой частоты, зажигания автомобилей, горизонтальной развертки телевизоров, мощных источников питания.

Главным и характеристиками мощного транзистора являются напряжение, ток, преобразуемая мощность. Мощные транзисторы должны обладать способностью рассеивать большую мощность без каких-либо изменений структуры. Структура мощных транзисторов отличается от структуры простейших, малосигнальных n-р-n- или р-п-р-приборов, поскольку мощные транзисторы пропускают через себя большой коллекторный ток н выдерживают на коллекторе большие напряжения.

В то же время электрические модели мощных транзисторов целиком основываются на моделях, развитых для маломощных приборов, которые с большой точностью применимы в одномерном случае. Точная модель мощного транзистора, учитывающая трехмерные эффекты, еще разрабатывается.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

транзистор эмиттер монолитный

[1] Блихер, А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов / А.Блихер. - Л. : Энергоатомиздат, 1986.

[2] Колосницын, Б. С. Мощные и СВЧ полупроводниковые приборы / Б. С. Колосницын. - Минск : БГУИР, 2008.

[3] Ржевкин, К. С. Физические принципы действия полупроводниковых приборов / К. С. Ржевкин. - М. : МГУ, 1986.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

(обязательное)