ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 229
Скачиваний: 1
= |
I IJl |
э— |
^к! становится конечным. Поэтому напряжение на кол |
|||||||||
лекторном |
р-п |
переходе UK р.п, |
при |
котором |
а* |
= 1, |
a |
/ б |
= О» |
|||
называется напряжением переворота базы базового тока |
Ua. |
Это |
||||||||||
напряжение находим из уравнения аМ |
(Ua) |
= |
I . Очевидно, |
|
||||||||
|
|
|
т. |
— |
|
т, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ua --= ( / ; У і - а = |
UnplVВСТ |
|
. |
|
|
(8.36) |
|||
|
Следует заметить, что напряжение |
Ua, |
поданное |
на |
клеммы |
|||||||
транзистора, не вызывает перегрева и выхода |
из строя транзистора |
|||||||||||
в |
отличие от напряжений і / К б о . |
^эбо - |
При |
UKB |
= Ua |
происходит |
||||||
только расстройка электронной схемы, |
в которую |
включен транзи |
||||||||||
стор, вследствие самовозбуждения схемы из-за чрезвычайно большого коэффициента усиления ( ß J T - > оо). Поэтому для нормальной рабо
ты необходимо задавать напряжения U K 3 , UKQ<Z |
UA- |
|
8.5. Прокол базы |
|
|
До сих пор мы рассматривали два вида пробоя в |
транзисторах, |
|
вызванных лавинным умножением в коллекторном |
р-п переходе. |
|
Однако возможно еще одно явление •— «прокол» базы или смыкание р-п перехода, обусловленное процессами внутри базы, а не в коллек торном р-п переходе, что также приводит к выходу прибора из строя. При увеличении коллекторного напряжения UK э илиUK б расширяет ся коллекторный р-п переход, а граница х'к перехода и квазиней тральной базы перемещается к эмиттерному р-п переходу. При неко тором напряжении UK(j с слой пространственного заряда проходит через всю область базы вплоть до смыкания с эмиттерный р-п пере ходом. В этом случае базовый электрод теряет свои управляющие свойства, а через транзистор протекают большие токи даже при нуле
вом напряжении на |
эмиттерном |
|
||||||
р-п |
переходе, |
так |
называемые |
|
||||
токи, |
ограниченные |
|
простран |
|
||||
ственным |
зарядом (ТОПЗ) [141, |
|
||||||
142]. |
Действительно, |
согласно |
|
|||||
рис. |
8.17, |
где |
показаны |
зон |
|
|||
ные диаграммы |
для |
п-р-п |
тран |
|
||||
зистора при напряжении |
смеще |
|
||||||
ния, равном нулю, и при UK3 |
— |
|
||||||
= UK5 с , |
[ / э б = 0 , в момент смы |
|
||||||
кания р-п переходов транзистор |
|
|||||||
напоминает структуру |
металл— |
ç\ |
||||||
диэлектрик — металл, |
причем |
|||||||
роль |
металлических |
|
обкладок |
|
||||
выполняют эмиттерный и коллек- |
s |
|||||||
Рис. 8.17. Зонная диаграмма п-р-п транзистора без смещения (а) и при смещении (б).
221
торный слои, а роль диэлектрика—база, из которой удалены основ ные носители —• дырки. Под действием отрицательного потенциала коллекторного источника питания электроны инжектируются из
эмиттера в базу |
и пролетают через нее под действием сильного поля |
|||
Е = |
103—105 В/см, созданного |
обратным напряжением |
смещения |
|
и к д |
или UKß. |
Зависимость |
/ к = / к (UK) | и >икГ>0 |
вычислена |
лишь для германиевых сплавных транзисторов, в которых коллектор
ный р - п переход |
почти целиком распространяется в область базы, |
и напряжение UK |
падает на области базы. В работе [141] это сделано |
при допущении, что дрейфовая скорость носителей (дырок) не зависит
от поля. Тогда |
/ к —9 / |
8 5 э ее0 [ір |
(Ul/Wlo)- |
В [142І с учетом зависимости подвижности от напряженности |
|||
поля [ і р — | і р 0 | / Е 0 / Е |
получено / к = 2 / 3 (5/3)3 / г e e 0 u . p o [ / £ 0 X |
||
X {U'J'IW'JQ). |
Однако в случае |
кремниевых планарных транзи |
|
сторов коллекторный р - п переход гораздо значительнее распростра няется в область более высокоомного коллекторного слоя, чем в об
ласть базы. Однако и в этом случае следует |
ожидать |
появления боль |
||
ших токов по закону / к ~ |
UK |
или U'J", |
хотя экспериментальные |
|
исследования зависимостей |
/ к |
= / к (UK) |
\ Ѵк>иК5е. |
Д л я кремниевых |
планарных транзисторов до настоящего времени, по-видимому, не проводились.
Таким образом, при с / к б с < £ / К бо транзистор может выйти из строя, поскольку большие токи могут привести к тепловому пробою (см. § 10.1). При тепловом пробое имеет место расплавление эмиттерной и базовой металлизации, вызывающее короткое замыка ние эмиттер—база, проплавление алюминия через эмиттерный и ба зовый диффузионные слои с образованием короткого замыкания эмиттер—коллектор. Следовательно, при работе приборов в схемах следует всегда задавать напряжение UK < UUQ с , если £/К б с <
<^кбо-
Интересно найти выражение для £ / к б 0 в зависимости от тол щины базы WOO и параметров распределения донорной и акцептор ной примеси в базе. Величина UKo с рассчитана в работах [143—145] для кремниевых транзисторов, изготовленных двойной диффузией примесей в предположении распределения примесей по дополнитель ной функции ошибок или по закону Гаусса.
Как показано в гл. 2, эти законы распределения примесей обыч но не выполняются в реальных приборах. В работе [145] выведено
удобное для инженерных |
расчетов аналитическое |
выражение для |
|||||
^ к б |
с п - р - п кремниевых |
дрейфовых триодов, когда |
распределение |
||||
базовой примеси (акцепторов) и эмиттерной (доноров) |
можно |
аппрок |
|||||
симировать |
экспонентами |
(3.2) и (3.3) (см. гл. 3). Как показано в |
|||||
дополнении к настоящей главе, напряжение прокола |
UKe с |
равно |
|||||
|
|
Ni (xl) Wêo |
l _ - ^ e x p [ - ( x S - * 8 0 ) / L „ ] |
||||
|
2ее 0 |
NdK{ln[Na(x30yNdK} |
|||||
К 5 с |
La |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
(8.37) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
222
где Nn (xi) = Na (хэ 0 ) ехр [ —(xâ—xs 0 )/La ]-— концентрация акцепто ров на границе х"э эмиттерного р-п перехода и квазинейтралыюй базы.
Согласно |
(8.37) с / к б с растет квадратично с толщиной техноло |
||
гической |
базы |
І^бо, |
почти квадратично с концентрацией акцепто |
ров у эмиттерного р-п |
перехода N а (хі) и сильно зависит от отноше |
||
ния LdILa |
характеристических длин в распределении доноров и ак |
||
цепторов. Это обусловлено тем, что с уменьшением L d уменьшается
участок тормозящего поля |
в базе и увеличивается максимальная |
||||
результирующая концентрациия примесей в базе Na |
(xm ) — Nd |
(хт). |
|||
В качестве примера оценим |
(7К б с Для значений Nа |
= 2 • 1017 |
с м - 3 , |
||
NdK |
= 2 • 1015 см-3 , Гбо = |
1 • 10~4 см, Х э — |
х э 0 |
= 0,1 • 10~4 см, |
|
LdILa |
= 1/3, типичных для |
высокочастотных |
кремниевых транзи |
||
сторов КТ603. Из (8.37) получаем, что сУк б с |
= 190 В. |
|
|||||
Если концентрацию |
акцепторов |
N а |
(хэ 0 ) |
уменьшить в 2 |
раза, |
||
т. е. взять Nа (хэ 0 ) |
= |
|
1017 с м - 3 , то |
напряжение смыкания |
умень |
||
шится в 4 раза (UKc |
с |
« |
50 В), что сравнимо с напряжением |
с/„оп- |
|||
Следует заметить, |
что в реальных |
ВЧ |
п-р-п кремниевых пла- |
||||
нарных транзисторах |
|
КТ603, КТ602, |
КТ605 из-за эффекта вытесне |
||||
ния эмиттером базовой примеси (см. § 2.4) толщина базы под центром эмиттера Wf)0 и у края эмиттера Wéo может отличаться на 0,3—0,5 мкм,
а именно |
Wéo < |
І^бо- Поэтому |
явление |
прокола |
базы должно |
на |
||||||||||||
ступать при напряжении WK6C, |
меньшем, чем при напряжении £ / к б с |
|||||||||||||||||
смыкания |
под |
центром эмиттера |
[формула |
(8.37)]. |
|
|
|
|
|
|||||||||
Это более низкое значение |
UK6C |
можно |
определить |
также |
из |
|||||||||||||
выражения |
(8.37), |
полагая |
в |
|
первом |
приближении, |
|
что |
||||||||||
Lâ = Wéo/ln [Na |
(x30)lNdl{\. |
|
Например, |
при |
Wü0 |
= |
1,4 |
• |
10~4 |
см, |
||||||||
Nn (x30)/Ndl! |
= |
300, |
L a = |
0,25 |
• 10-4 см, |
|
L d |
= |
0,08 |
• |
10"4 см, |
|||||||
WÖO = 1 • Ю - 4 с м , |
|
L'a =0,18 |
- Ю-4 |
см, х"э |
— х э 0 |
= |
0,1 |
• 10~4 |
см, |
|||||||||
N a (^во) = |
3 • 1017 |
с м - 3 |
на |
|
основании |
|
(8.37) |
|
получим, |
|
что |
|||||||
ІѴкбс/іУкб с = |
0,35, |
т. е. |
наличие |
прогиба коллекторного р-п |
пере |
|||||||||||||
хода под краем эмиттера |
из-за |
эффекта вытеснения |
эмиттером |
ба |
||||||||||||||
зовой примеси |
приводит к снижению напряжения |
прокола |
базы |
|||||||||||||||
почти в 3 раза по сравнению со |
случаем |
плоского |
коллекторного |
|||||||||||||||
р-п перехода. Из формулы (8.37) следует также другой важный для практики конструирования высоковольтных кремниевых транзисто ров вывод о том, что для получения значений напряжений UKe с ^ ^ 1000 В толщина базы 1^С о должна быть не менее 1 мкм, а концен
трация |
акцепторов в плоскости металлургического |
перехода |
эмит |
|||
тер—база Na |
(хэ 0 ) |
не менее 5 • 1017 с м - 3 |
при типичных концентра |
|||
циях |
доноров |
в |
коллекторном слое NdK |
= (0,3 |
-г 1,0) 1015 |
с м - 3 . |
8.6.Пробой эмиттерного р-п перехода
Пробивные напряжения эмиттерных р-п переходов в кремниевых планарных транзисторах обычно оказываются значительно меньше пробивных напряжений коллекторных р-п переходов и лежат в пре делах ( 7 э б 0 = 5—8 В. Это объясняется следующим. Концентрация
2 2 3
примесей в коллекторном слое, |
как правило, |
не превосходит зна |
||
чения І Ѵ К ^ 1 • |
1 0 1 В см - 3 , а |
концентрация |
примесей в базе под |
|
эмиттером N (ха0) |
« ( 1 — 1 0 ) 1 0 1 7 |
см~3 . Поверхностная концентра |
||
ция базовой |
примеси еще выше Ns «s ( 1 — 1 0 ) 1 0 1 8 см - 3 , т. е. почти |
|||
на 3 порядка |
больше, чем в коллекторном слое. Поперечное сече |
|||
ние эмиттерного слоя с характерным закруглением у поверхности подобно коллекторному р-п переходу (рис. 8 . 1 8 ) .
Это закругление образуется вследствие диффузии эмиттерной примеси в горизонтальном направлении под краем окисной маски. Радиус закругления примерно равен глубине залегания эмиттерного р-п перехода, т. е. около ха0 = 1 — 3 мкм для высокочастотных тран зисторов. Ширина же этого перехода у поверхности, как будет пока
зано ниже, даже при напряжении | U9 б |
| = 3 — 5 |
В не превосходит |
||||||
обычно |
|
%а р-п(0) < |
0 , 1 5 |
мкм, т. е. значительно меньше хэ 0 . Как |
||||
видно из рис. 8 . 7 , |
даже |
для резких р-п переходов с радиусом кри |
||||||
визны |
r0 |
^ |
1 мкм и концентрацией примесей в высокоомной обла |
|||||
сти N > |
1 0 1 |
7 с м - 3 пробивное напряжение почти не зависит от кривиз |
||||||
ны перехода. Следовательно, |
кривизна |
эмиттерного р-п перехода |
||||||
в отличие от коллекторного р-п |
перехода |
не сказывается на вели |
||||||
чине |
и а 0 о . |
|
|
|
|
|
|
|
С другой стороны, эмиттерный р-п переход имеет неодинаковую |
||||||||
ширину — максимальная |
ширина в точке х = ха0 |
и минимальная |
||||||
на поверхности х = 0, где концентрация базовой примеси максималь на (Ns/N (ха0) А 1 0 ) . Напряженность поля максимальна в поверх ностном слое, и пробой происходит прежде всего в этом слое. Этот качественный вывод подтверждает прямые экспериментальные ис следования авторов. Путем химического вытравливания канавок по периферии эмиттерного р-п перехода до глубины залегания р-п
перехода (х э 0 ft; 2 , 5 мкм) в мощных кремниевых п-р-п |
планарных |
транзисторах удалось повысить пробивное напряжение |
UЭбо с 6 — 8 |
до 1 0 — 1 2 В. Очевидно, что после удаления вытравливанием сильно легированного слоя пассивной базы с поверхностной концентрацией бора J V S B » 5 • 1 0 1 8 с м - 3 пробой происходил в плоской части эмит терного р-п перехода на границе с более высокоомной активной
SiO, |
SiOv |
7 |
4 |
базой, |
|
где |
jVa ft; 1 • 1 0 1 7 |
см - 3 . |
||
Точный |
расчет |
распределения |
||||
поля |
в |
переходе может |
быть вы |
|||
полнен, |
если |
будет |
известен |
про |
||
филь |
распределения |
эмиттерной |
||||
примеси, |
например |
фосфора, в |
||||
случае п-р-п транзистора вдоль оси Oy под краем окисной маски. Од нако это встречает затруднения вследствие зависимости коэффици ента диффузии фосфора от концент-
Рис. 8.18. Профиль эмиттерного диф фузионного р-п перехода.
224
Рис. 8.19. Схема туннельного пробоя в уз
ких |
р-п |
переходах. |
|
|
|
|
|
||
рации для типичных |
значений J V S P та |
||||||||
та Ы 0 2 |
1 с м " 3 |
(см. |
гл. 2). |
Аналогич |
|||||
ный вывод можно сделать и для |
р-п-р |
||||||||
транзистора, если |
поверхностная кон |
||||||||
центрация |
эмиттерной |
примеси |
бора |
||||||
равна |
J V S B |
та 1 • 102 0 |
|
см- 3 . Поэтому |
|||||
расчет |
распределения |
|
эмиттерной |
||||||
примеси под |
краем |
окисной |
маски |
||||||
при |
допущении |
независимости |
ко |
||||||
эффициента |
|
диффузии |
от |
концентрации примеси, выполненный |
|||||
!123], нельзя считать применимым
креальным приборам.
Впервом приближении можно положить распределение эмит терной примеси в поверхностном слое и в окрестности металлурги
ческого р-п перехода экспоненциальным, например, для п-р-п тран зистораКеннеди и О'Брайном в работе
Nd(x, y)\x=o = N,aexp^—jLy |
(8.38) |
где L'd — характеристическая длина в распределении доноров эмит терной примеси, отличается от длины L d (см. гл. 3), характеризую щей распределение доноров в плоской части эмиттерного р-п пере
хода (х = хэ0).
Тогда ширину поверхностного эмиттерного р-п перехода можно найти по формуле (8.9) для плавного р-п перехода, причем градиент концентрации примесей с учетом (8.38) равен
\grad[Nd(y)-Na(y)]\y=o |
= |
|
|
следовательно, |
|
|
|
12ee0 Ld (<рКэ - f I U |
| ) |
(8.39) |
|
3!>э р-п (х) \х = 0 |
|
|
|
С помощью формулы (8.39) легко проверить, что для типичных зна-
чений |
Ns |
(1 |
-10) 1018 |
см"3 , |
L'a = (1—0,5)10-5 см и при срк э + |
||
+ |
I ^ Э Р - П І |
— |
5 |
В |
ширина |
поверхностного р-п перехода заключена |
|
в пределах Хэ |
Р.п(х) |
\х.0 |
= |
(1,4—0,7) Ю - 5 см. |
|||
Для столь узких р-п переходов следует ожидать наложения двух механизмов пробоя — лавинного, уже рассмотренного выше, и тун нельного (зенеровского) (рис. 8.19). Для характеристики туннель ного эффекта важное значение имеет коэффициент прозрачности, определяемый как отношение потока прошедших частиц к потоку падающих на барьер. Расчет величины прозрачности барьера для р-п переходов проводился в работах [147—149]. В приближении однород-
8 Зак. !90 |
225 |
