ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 247
Скачиваний: 1
Глава седьмая
ИМПУЛЬСНЫЕ СВОЙСТВА Т Р А Н З И С Т О Р О В
7.1. Особенности работы транзисторов в импульсном режиме
До сих пор рассматривались свойства транзистора в режиме усиления малых переменных сигналов, когда к эмиттер ному и кол лекторному р-п переходам приложены соответственно постоянные прямое и обратное смещения (активный режим), на которые накла дываются переменные напряжения малой амплитуды. Очень ча сто транзисторы используются в режиме переключения в качестве электронных ключей, основное назначение которых состоит в замы кании и размыкании цепи нагрузки с помощью больших управляю щих входных сигналов. Например, полупроводниковые интеграль ные логические схемы типа ИЛИ—НЕ и И—НЕ, широко используе мые в ЭВМ, содержат транзисторные усилители-инверторы. В от личие от усилителей, в которых транзисторы работают в активном режиме, в импульсных устройствах транзисторы могут работать в четырех различных режимах. Эти режимы характеризуются по лярностями напряжений на р-п переходах и имеют следующие наз вания:
— режим отсечки |
(эмиттерный |
и коллекторный р-п |
переходы |
|||||||||||
смещены |
в |
обратном |
направлении, |
Ugp.n<.0, |
|
с / к р - п < 0 ) ; |
||||||||
— нормальный |
активный |
режим |
(эмиттерный |
р-п |
переход |
|||||||||
смещен в |
прямом |
направлении, |
Uд |
р . п |
> |
0, а |
коллекторный — |
|||||||
в обратном, Uк р . п |
< |
0); |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
— инверсный активный режим (эмиттерный р-п переход сме |
||||||||||||||
щен |
в обратном |
направлении Ugp.n<^0, |
а |
коллекторный — |
||||||||||
в прямом |
UKp.n |
> |
0); |
|
(эмиттерный |
и |
коллекторный |
р-п пере |
||||||
— режим |
насыщения |
|||||||||||||
ходы |
смещены в |
прямом |
направлении |
Ugp.n>0, |
|
|
Uup.n>0). |
|||||||
Режим отсечки. В случае режима отсечки источники напряже |
||||||||||||||
ний смещения ЕД§ |
и E K Q (или ЕКД) |
создают обратные |
напряжения |
|||||||||||
смещения |
на обоих |
р-п |
переходах. |
В результате через эмиттерный |
||||||||||
и коллекторный р-п переходы не протекают инжекционные состав
ляющие тока неосновных носителей |
(например, электронов |
в |
п-р-п приборах) (3.23). Следовательно, |
коллекторный переход |
не |
управляется эмиттерным током I Д. Через переходы протекают весь
ма малые обратные токи |
/ Э б ои ^кбо. |
которые для кремниевых пла |
|
нарных транзисторов при комнатной |
температуре обычно |
достига |
|
ют значений /Э бо, /К бо = |
0,001—0,1 мкА, для маломощных |
высоко |
|
го |
|
|
|
частотных приборов (S а, 5 К |
= 10~4-4- Ю - 3 |
см2) |
и |
Iа60, |
/ к б 0 = |
1-4-100 мкА для мощных |
приборов (S а, 5 К |
= |
Ю - 2 |
-4- Ю - 1 см2 ). |
|
Природа этих обратных токов в настоящее время достаточно хорошо изучена. В кремниевых приборах при невысоких температурах обычно имеет место тепловая генерация электронно-дырочных пар
в области р-п переходов |
с последующим |
разделением носителей |
|||
электрическим полем. |
Согласно теории Ca—Нойса и Шокли |
||||
[93], |
эти обратные токи |
вычисляются |
по |
простым |
формулам [531 |
|
I** |
= q S . n - |
^ ^ |
, |
(7.1) |
|
|
|
ХІ |
|
|
|
U o = q S ^ ^ P : { l J « 6 |
) , |
(7.2) |
||
где S3 |
и SK —площади, |
a 563P-N(U36) |
и £К |
P-N(UK6) |
— ширина эмит |
терного и коллекторного р-п переходов соответственно. Величины
%'І = (Хро п[ +т„о p'i)l2nh |
xi =.-- {х'ро гі[ + х'по р])/2пі |
— времена жизни |
||
в собственном полупроводнике при наличии |
рекомбинационных |
|||
центров |
в |
эмиттерном и |
коллекторном р-п переходах с концен |
|
трацией |
NT |
и энергетическим положением § t ; |
|
|
T „ , = . [ S „ Ö „ J V , ] - ' , v = [ s , ; „ « , ] - • ,
Sp, Sn — сечения захвата дырок и электронов рекомбинационным центром; ѵп и ѵр — средняя тепловая скорость дырки и электрона. Времена жизни х[ и х'[ являются трудно контролируемыми пара метрами в процессе изготовления приборов, поскольку они весьма чувствительны к малейшим загрязнениям таких металлов, как Au, Си, Ni и Fe. Обычно значения величин т/, х'[ лежат в пределах
т/, х- = Ю-6 -4-10-8 с.
Как известно, диффузия золота, проводимая на заключитель ном этапе изготовления кремниевых переключающих транзисторов для улучшения быстродействия, приводит к увеличению обратного
тока / к б 0 почти на порядок по сравнению с аналогичным |
прибором |
||||||||
без золота, так как величина т р 0 + |
хп0 |
убывает |
с ростом концентра |
||||||
ции атомов |
золота |
по |
формуле |
[37] |
хр0 + |
хп0 = 1,2- |
108/Л/гди с > |
||
причем обычно NAU |
— Ю1 4 -4- 1015 |
см - 3 . |
|
|
|
|
|||
Обратные |
токи |
/ э б 0 |
и / к о 0 растут |
при |
увеличении |
обратного |
|||
смещения Uэб |
или |
UKQ, |
поскольку |
ширина |
переходов и, следова |
||||
тельно, объем, в котором имеет место генерация носителей, увеличи
ваются с |
напряжением. |
Так, |
например, |
для коллекторного |
р-п |
|||||
перехода |
% к р . п |
зависит |
от |
напряжения |
UK6 |
= UK |
Р.П по фор |
|||
муле |
(3.20), из |
которой |
видно, что при |
достаточно |
больших |
Ulto |
||||
(I UK0 |
I > |
3 - 5 |
В) 56к р |
. п « |
j / 2 e e 0 | i |
/ K 6 | / ^ d K |
~ |
f\Ü^\. |
|
|
171
Тогда на основании формулы (7.2) можно сделать вывод, что
при больших напряжениях |
| ( 7 к б | |
обратный |
ток коллектора |
/ к |
б „ |
||
изменяется по закону |
/ к б 0 ~ |
~]/~\ |
с 7 к б | . Для |
эмиттерного |
р-п |
пере |
|
хода обратный ток / э б 0 |
зависит от смещения |
Uэ б по закону |
/ Э |
б 0 |
~ |
||
~I £ / э б |7«* 7», поскольку эмиттериый р-п переход при обратном
смещении не является строго ни ступенчатым, ни линейным.
В германиевых транзисторах |
обратные токи / Э б о и ^кбо обус |
ловлены в основном тепловой |
генерацией электронно-дырочных |
пар не в р-п переходах, а в объеме и на поверхности р- и п-слоев.
Например, для р-п-р германиевого дрейфового транзистора |
с высо- |
|||||||||||||
коомным р-коллектором обратный |
ток |
/ к |
б 0 |
вследствие |
генерации |
|||||||||
в объеме базы и коллекторного слоя равен [53] |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
/кбо =~qSK (-^-пр |
+ ~ |
рп\ |
« |
qSK— |
пр, |
|
|
|
(7.3) |
||||
поскольку |
пр |
= |
n]lNaKypn |
= nflNd6, |
где |
рп |
и |
Nd6 |
— |
средние |
||||
концентрации дырок и доноров в базе. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
В кремниевых планарных транзисторах равновесная концен |
||||||||||||||
трация неосновных носителей в любой |
области |
гораздо |
ниже, чем |
|||||||||||
в германиевых приборах, так как при |
Т = |
300 К |
для |
Ge |
п\ — |
|||||||||
— 6 • 1026 |
с м - 3 , |
а |
для Si nf |
= 2-102 0 |
с м - 3 , |
т. е. на 6 порядков |
||||||||
меньше. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отношение составляющих обратного тока (7.2) и (7.3) для крем |
||||||||||||||
ниевого п-р-п |
транзистора |
равно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
/ |
|
|
|
г |
" |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
к |
ген |
в |
га-обл |
Lp |
Xi ГЦ |
|
< |
J Q |
3 ^ |
j |
|
|
|
' к ген в р-п |
п е р е х о д е |
р-п ( ^ к б ) |
^р |
^ d n |
|
|
|
|
|
|||||
поскольку |
п-і = |
1,4-1010 см"3 , |
NdK |
|
= |
5-101 4 — 5• 1015 |
см-", |
|||||||
%"іІХр > 10, Тр А ; |
10-6-=-10-8 с, |
Dp « |
10см2 /с |
и 2 Н Р |
. П > Ы 0 " 4 |
см. |
||||||||
Следовательно, для кремниевых транзисторов генерацией в объеме высокоомного коллекторного слоя можно пренебречь по сравнению с генерацией в коллекторном р-п переходе при Т та 300 К. Очевид но, этот вывод тем более справедлив для эмиттерного р-п перехода, так как разница в концентрациях примесей в эмиттерном и базовом слоях на 2—4 порядка больше, чем в высокоомном слое.
При повышенных температурах концентрация носителей в соб ственном кремнии ПІ растет в соответствии с графиком (6.2) и обе составляющие обратного тока коллектора становятся сравнимыми. Например, при Т = 400 К (+130° С), nt — 101 3 с м - 3 и / к г е н в п . о Ѳ л «
~ |
I |
^ |
1 к г е н в р-п п е р е х о д е - |
Чрезвычайно малый вклад в обратный ток / к б 0 кремниевых приборов дает также поверхностная генерация на высокоомном кол лекторном слое. Действительно, для п-р-п транзистора согласно [53]
(7.4)
172
где s — скорость поверхностной рекомбинации; Sr — площадь коль ца вокруг коллекторного р-п перехода на поверхности я-слоя ши риной, равной диффузионной длине L p = | / D P T p дырок в этом слое.
|
|
Для кремниевых планарных триодов с термическим |
окислом |
||||||||||||
на поверхности коллекторного слоя величина s |
согласно |
результа |
|||||||||||||
там |
исследований в |
работах |
[94, |
95] |
обычно |
достигает |
значений |
||||||||
s |
= |
10—1000 см/с. |
С помощью |
формул |
(7.4) и (7.2) находим от |
||||||||||
ношение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
/ u s |
|
|
|
S |
п. ST'. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
i t |
|
< 1 0 - 4 |
|
|
|
|
|
|
Л< ген в р-п |
п е р е х о д е |
|
^dv. |
|
р-п |
( ^ к б ) |
|
|
|
|
||
для |
типичных |
значений |
s = |
103 см/с, |
х\ |
= Ю - 6 с , |
Хк p.n(UK6) |
^ |
|||||||
> |
1 • Ю-4 |
см, |
Ndl{ |
= 1015 см-3 |
и |
Sr/SK |
= 1 (обычно Sr « |
SK , |
|||||||
ибо |
L p « |
(10—30) Ю - 4 |
см, |
а линейные |
размеры |
коллекторного |
|||||||||
р-п |
перехода обычно превосходят |
100 X Ю - 4 см). Итак, поверхност |
|||||||||||||
ной генерацией также можно пренебречь по сравнению с генераци ей в р-п переходе.
Следует заметить, что в процессе производства кремниевых транзисторов иногда встречаются приборы с повышенными значе ниями обратных токов /Э бо и /К боТакие аномальные значения со гласно данным Шокли [96] обусловлены наличием включений ме таллов Au, Си, Ni и других, высадившихся на дислокациях, внутри р-п переходов. Отжиг таких дефектных транзисторных структур при высоких температурах (Т « 1000° С) и при наличии фосфорноили боро-силикатных стекол вызывает быструю диффузию атомов этих металлов и захват их стеклом, ибо коэффициент диффузии их
довольно |
высок: D « |
Ю - |
6 — Ю - 7 см2 /с. В результате |
удается |
зна |
чительно |
(в 10—100 |
раз) |
уменьшить обратные токи |
/ э б 0 и |
/ к б 0 |
у таких транзисторных структур. |
|
|
|||
Активный режим. Нормальный активный режим транзистора рассматривался в гл. 3. Согласно формуле (3.23) эмиттерный и кол лекторный токи экспоненциально зависят от напряжения на прямосмещенном эмиттерном р-п переходе и очень слабо зависят от обрат ного коллекторного напряжения
ика |
я и к э . |
|
|
|
lK |
|
Область |
насыщения |
|
|
Выходные |
вольтамперные |
ха |
|
|
|
|
||
рактеристики в |
активном режиме |
^ |
Активная |
оаласпгь |
|||||
для |
кремниевых |
транзисторов, |
^ |
|
— |
fss |
|||
включенных по схеме с общим эмит |
->? |
|
|
|
|||||
тером, имеют вид, показанный на |
|
|
|
||||||
рис. |
7.1. |
Кривые |
представлены |
|
|
' |
Л> |
||
Рис. 7.1. Выходные вольтамперные |
ха- |
|
|
|
Увг |
||||
|
|
|
|
||||||
рактеристики |
для |
низковольтных |
тран- |
Q |
|
|
у |
||
ЗИСТОрОВ. ( / б 4 > ^ б З > / б 2 > ^ б і ) |
|
|
|
|
3 |
||||
173
