к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике
А  Б  В  Г  Д  Е  Ж  З  И  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Э  Ю  Я  

Транзистор биполярный
Транзистор биполярный (от лат. bi - двойной, двоякий и греч. polos - ось, полюс) - один из осн. элементов полупроводниковой электроники. Создан в 1948 Дж. Бардином (J. Bardeen), У. Браттейном (W. Brattain) и У. Шокли (W. Shockley) (Нобелевская премия по физике, 1956). Представляет собой трёхслойную полупроводниковую структуру с чередующимися слоями дырочной (р-тип) и электронной (n-тип) проводимости. Существуют Т. б. как p - n-р- (рис. 1, а), так и p-p- п-типа (рис. 1, б). Ср. область транзисторной структуры называют базой. На границе между базовой областью и крайними областями- эмиттером и коллектором - существуют электронно-дырочные переходы (р-п-переходы): эмиттерный и коллекторный (рис. 2). В основе работы Т. б. лежат свойства p - n-переходов, схема включения его в электрич. цепь показана на рис. 3. Т. б. изготовляются, как правило, на основе Si, GaAs и гетероперехода GaAlAs/GaAs.

Рис. 1. Структура биполярного транзистора: а-транзистор р- п-р-типа; б -транзистор п-р-n-типа.

Рис. 2. Структура биполярного транзистора р-п-p-типа; I-эмиттерный р-n-переход; 2 - коллекторный р- n-переход.

Рис. 3. Схема включения транзистора.

Принципы работы. Обычно при работе Т. б. к эмиттер-ному переходу приложено напряжение в прямом направлении (+ на p-эмиттере), а к коллекторному - в обратном направлении (-на p-коллекторе), В отсутствие внеш. напряжения на границе р- и и-областей существует, как известно, потенц. барьер, мешающий дыркам переходить из р-в n-область, а электронам - из п- в р-область. Если к р - n-структуре приложено прямое напряжение (рис. 4, а), высота потенц. барьера понижается. При этом дырки из эмиттера инжектируются в базу (см. Инжекция носителей заряда), а электроны - из базы в эмиттер (рис. 4, б). В широком диапазоне токов выполняется соотношение где p1 - концентрация дырок в базе на границе с эмиттером, n1-концентрация электронов в эмиттере на границе с базой, р0 - концентрация дырок в эмиттере, n0 - концентрация электронов в базе (рис. 4, б). Концентрация дырок р0 в эмиттере и концентрация электронов n0 в базе определяются соответственно концентрациями легирующих примесей Na и Nd (см. Легирование полупроводников ).Эмиттер транзистора всегда легируется значительно сильнее, чем база (Nd<<Na). Поэтому в широком диапазоне токов n1<<p1.

Рис. 4. Протекание тока через p-n-переход при прямом напряжении: а-эмиттерный p-n-переход; б-распределение носителей заряда при протекании прямого тока  - равновесная концентрация дырок в p-эмиттере;  - равновесная концентрация электронов в базе; p1 - концентрация вблизи границы дырок, инжектированных из эмиттера в базу; n1-концентрация электронов,инжектированных в эмиттер).

Если ширина слаболегированной области (базы) значительно превышает диффузионную длину дырок (Dp-коэф. диффузии дырок, tp-время жизни дырок), то концентрация неравновесных (избыточных) дырок экспоненциально убывает в глубь базы: 

Аналогично для электронов в эмиттере где х принимает отрицат. значения. На границе р - и n -областей полный ток, протекающий через p-n - переход, складывается из диффузионного тока дырок и диффузионного тока электронов (см.

Диффузия носителей заряда в полупроводниках). При этом доля дырочного тока

Коэф. называют к о э ф ф и ц и е н т о м и н ж е к ц и и э м и т т е р а. Электрофиз. параметры эмиттера и базы всегда выбираются такими, чтобы величина gp была по возможности близка к единице, даже с учётом того, что на практике часто выполняются неравенства Т. о., на границе эмиттера и базы (х = 0)ток в осн. является диффузионным током дырок.

Особенности протекания тока. При прямом напряжении на эмиттере через базовый электрод в базу каждую секунду входят N=I/e электронов со стороны отрицат. полюса источника питания. Если коэф. инжекции эмиттера gp=1 (идеальный эмиттер), то ни один электрон выйти из базы в эмиттер не может. На практике величина gp близка к единице, так что лишь малая доля электронов, вошедших в базу, покидает её в виде диффузионного потока электронов в эмиттер. Подавляющая часть вошедших в базу электронов исчезает в базе, рекомбинируя с дырками, инжектированными эмиттером. Это осн. свойство эмиттер-ного перехода, используемое при получении транзисторного эффекта - усиления по току.

Когда к p-n - переходу приложено обратное напряжение (рис. 5, а), высота потенц. барьера на границе p-n-перехода повышается. При этом ни дырки из коллектора в базу, ни электроны из базы в коллектор переходить не могут. Через коллекторный переход течёт относительно небольшой ток, складывающийся из двух компонентов. Первый компонент - ток электронов и дырок, возникающих вследствие теплового возбуждения в области объёмного заряда коллекторного перехода. Природа второго компонента представляет с точки зрения принципа работы Т. б. наибольший интерес. Электрич. поле, существующее внутри p-n-перехода, направлено так, что электрон, попавший в область перехода, выталкивается в и-область, а дырка - в p-область. Однако для неосновных носителей (дырок в n-области и электронов в p-области) поле в переходе, очевидно, направлено так, что оно способствует переходу дырок из базы в коллектор, а электронов из коллектора в базу. Любая дырка, оказавшаяся в базе на расстоянии от p-n-перехода, меньшем диффузионной длины Lp, с большой вероятностью попадает в поле p - n-перехода и выбрасывается из базы в коллектор. Такая же ситуация реализуется и для электронов в коллекторе. Поток неосновных носителей - дырок из базы и электронов из коллектора - и создаёт второй компонент тока p-n-перехода при обратном напряжении - т.н. диффузионный компонент. По обе стороны от коллекторного p - n-перехода при обратном напряжении возникают области, обеднённые неосновными носителями. В базе длина этой области равна диффузионной длине дырок Lp, в эмиттере - равна диффузионной длине электронов Ln (рис. 5, б).

Рис. 5. Протекание тока через p-n-переход при обратном напряжении: а - коллекторный p-n-переход; б-распределение неосновных носителей заряда в базовой и коллекторной области перехода (рn-равновесная концентрация дырок в базе; пр-равновесная концентрация электронов в коллекторе).

Осн. свойство коллекторного p-n-перехода, используемое при получении транзисторного эффекта, состоит в том, что любая дырка, возникающая в n-базе на расстоянии, меньшем, чем диффузионная длина Lp, с высокой вероятностью попадает в поле перехода и увлекается в коллектор.

Для реализации эффекта усиления по току транзисторная структура (рис. 3) изготовляется так, чтобы расстояние между эмиттерным и коллекторным p-n-переходами, т. е. ширина базы W, было бы значительно меньше диффузионной длины дырок Lp в базе.

Если в базе транзистора протекает ток Iб, то в базовую область каждую секунду входят электронов. Ни в эмиттер, ни в коллектор электроны из базы практически уйти не могут. Следовательно, в стационарном состоянии все Ne электронов должны рекомбинировать в базе. В диоде с длинной базой и с коэф. инжекции дырок p-п-перехода gp=1 для того, чтобы обеспечить рекомбинацию Ne электронов, из эмиттера должно инжектироваться дырок. Если же p-n-переход обладает коэф. инжекции то для обеспечения рекомбинации электронов в базе должно ежесекундно инжектироваться дырок. Однако в транзисторе с шириной базы W<LP каждая дырка, инжектированная из эмиттера в базу, оказывается от коллектора на расстоянии, меньшем Lp. Поэтому она, не успев прорекомбинировать с электроном, с высокой вероятностью попадает в поле коллекторного перехода и выбрасывается в коллектор. Долю дырок a, проходящих без рекомбинации из эмиттера в коллектор, называют коэффициентом переноса. Естественно, эта доля тем больше, чем меньше отношение W/Lp. Во многих практически важных случаях можно считать, что В зависимости от типа и назначения Т. б. отношение W/LP лежит обычно в пределах от 0,5 до 0,05, а величинасоставляет от 0,9 до 0,999. Т. о., в транзисторной структуре подавляющая часть инжектированных эмиттером дырок проходит в коллектор, не прорекомбиниро-вав с электронами в базе.

Доля дырок, инжектированных эмиттером, идущих на рекомбинацию с поступающими в базу электронами, равна, очевидно, (1-a). Чтобы обеспечить рекомбинацию всех электронов, входящих в базу, должно выполняться равенство

Т. о., протекание тока Iб в цепи базы определяет протекание в эмиттерной и коллекторной цепи Т. б. токов Iэ и во много раз больших, чем Iб.

Основные параметры. Осн. характеристики Т. б.- коэф. усиления по току и предельная рабочая частота. Коэф. усиления Т. б. по току определяется гл. обр. отношением W/LP. Для уменьшения толщины базы W тех-нол. ограничений почти не существует. Совр. методы эпи-таксии позволяют изготовлять полупроводниковые моноатомные слои. Однако уменьшению толщины W и, следовательно, увеличению b препятствуют физ. ограничения.

На границах областей эмиттер - база и база - коллектор существуют области объёмного заряда (ООЗ). Для нормальной работы транзистора необходимо, чтобы протяжённость этих областей была существенно меньше W. Грубую оценку мин. значения W можно получить, приняв, что величина W должна быть много больше ширины ООЗ на границе эмиттер - база при нулевом смещении на эмит-терном переходе. Уровень легирования эмиттера значительно превышает уровень легирования базы. Поэтому практически вся ООЗ на эмиттерном переходе лежит в базовой области. Её ширина

Диффузионная разность потенциалов Vd может быть оценена как где-ширина запрещённой зоны полупроводника. Для для т. о.,

Величина Nd практически не может быть больше 5 • 1017 см -3. Уровень легирования эмиттера Однако при , время жизни носителей становится очень малым. При малом tn коэф. инжекции gp уменьшается [см. (1)]. Снижение gp, в свою очередь, вызывает уменьшение b.

При В величина мкм, что требует ширины базы мкм. Такой величине W соответствует значение

Коэф. усиления по току Т. б. составляет обычно неск. десятков, в нек-рых Т. б.- неск. сотен. В Т. б., для изготовления к-рых используются различные гетероструктуры, коэф. усиления- достигает неск. тысяч.

Быстродействие Т. б. принято характеризовать граничной частотой fг, при к-рой коэф. усиления по току уменьшается до b=1.

Физ. ограничение величины fг связано со временем переноса носителей через базу При чисто диффузионном механизме переноса носителей в базе Величина t может быть несколько уменьшена, если создать в базе электрич. поле, ускоряющее прохождение носителей от эмиттера к коллектору (т. н. тянущее поле). Такое поле создаётся в диффузионно-дрейфовых Т. б. неоднородным легированием базы. Величина т при этом может быть уменьшена приблизительно в 2 раза. Т. о., осн. путём повышения быстродействия Т. б. является уменьшение толщины базы W.

Отметим, что уменьшение W приводит к росту входного сопротивления базы rб. При этом увеличиваются постоянные времени заряда эмиттерной и коллекторной ёмкостей Сэ и Ск через сопротивление rб. Время заряда этих ёмкостей также ограничивает быстродействие Т. б. Практически граничная частота обычных Т. б. не превышает 10 ГГц.

Предельная рабочая частота гомоструктурных Т. б. составляет неск. ГГц. Предельная частота гетероструктур-ных Т. б. превышает 60 ГГц.

Характеристики Т. б. могут быть существенно улучшены, если в качестве эмиттера (а иногда и коллектора) использовать материал с шириной запрещённой зоны большей, чем у материала базы. В таких гетероструктурных Т. б. чаще всего база изготавливается из GaAs, а эмиттер - из GaAlAs (гетеропереход GaAs/GaAlAs). Идея гетероструктурных Т. б. сформулирована У. Шокли в 1948, а созданы они были в кон. 70-х гг. В этих Т. б. коэф. инжекции эмиттера близок к единице, даже если база легирована значительно сильнее, чем эмиттер (явление суперинжекции). Это снимает рассмотренные выше ограничения на толщину базы W и уровень легирования базы Nd. Кроме того, снижением уровня легирования эмиттера может быть существенно уменьшена ёмкость эмиттера Сэ. Созданы гетеротранзисторы с мкм, макс. частотой генерации ГГц и шума коэффициентом (в малошумящих Т. б.) пр.= 2-5 дБ.

Применение. Круг применений Т. б. условно можно разбить на 4 осн. части: Т. б. для цифровых устройств (ЦУ) и интегральных схем (ИС), Т. б. общего применения, СВЧ Т. б. и мощные Т. б.

Т. б., предназначенные для работы в ЦУ и ИС, должны обладать малыми габаритами, высокой скоростью и мин. энергией переключения. Элементную базу наибю быстродействующих (время переключения пр.= 20 пс) узлов серийных ЭВМ составляют кремниевые Т. б. В качестве наиболее быстродействующих элементов серийных ИС используются полевые транзисторы на основе GaAs и гетероструктурные Т. б. на основе гетеропары GaAs/GaAlAs.

Осн. требование к СВЧ Т. б. состоит в достижении макс. мощности и коэф. усиления на предельно высокой частоте. СВЧ Т. б. изготавливаются в осн. из GaAs, в к-ром баллистич. эффекты, позволяющие увеличить скорость пролёта носителей через базу, выражены значительно сильнее, чем в Si. Ведутся интенсивные разработки гетероструктурных СВЧ Т. б. Предельная частота генерации СВЧ Т. б.~60 ГГц.

Мощные Т. б. изготавливаются почти исключительно на основе Si, работают при напряжении коллектор - база до 1500 В и позволяют коммутировать ток ~ 10 А. Физ. особенности высоковольтных Т. б. обусловлены тем, что коллектор в высоковольтных Т. б. легирован значительно слабее базы. Благодаря этому широкая область объёмного заряда, возникающая при большом обратном напряжении, почти целиком расположена в коллекторе. На долю базы приходится лишь ничтожная часть общей ширины области объёмного заряда, что позволяет сделать базу достаточно тонкой и сочетать большие коллекторные напряжения с относительно малым временем переключения (~ 1 мкс).

Рис. 6. Транзистор с горбообразными барьерами: а - структура слоев; б-зонная диаграмма.

Наиб. перспективными с точки зрения улучшения частотных свойств являются структуры, в к-рых сочетаются свойства Т. б. и полевых транзисторов (ПТ). Как и в ПТ, работа таких транзисторов основывается на использовании носителей заряда только одного знака, однако принцип управления в таких приборах тот же, что и в Т. б.: инжекция носителей в базу осуществляется понижением барьера на границе эмиттер - база.

Одна из наиб. перспективных разновидностей Т. б. схематически показана на рис. 6,а. Соответствующая зонная диаграмма приведена на рис. 6, б. Чередование легированных по заданному закону п- и p-областей приводит к образованию на границе эмиттер - база и база - коллектор двух горбообразных барьеров. К переходу эмиттер - база прикладывается напряжение, понижающее барьер на границе i-р+. При этом из эмиттера в базу инжектируются электроны с большой энергией, достаточной для того, чтобы пройти над барьером (горячие электроны ).База структуры делается узкой так что горячие носители заряда пролетают её практически без столкновений с большой скоростью и, попадая в поле перехода коллектор - база, втягиваются коллектором. Предполагается, что такие транзисторы могут иметь граничную частоту, превышающую 300 ГГц.

Литература по 

1. Зи С. М., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., кн. 1-2, М., 1984; 2) Степаненко И. П., Основы теории транзисторов и транзисторных схем, 4 изд., М., 1977; 3) Поже-ла Ю., Юцене В., Физика сверхбыстродействующих транзисторов, Вильнюс, 1985. М. Е. Левинштейн, Г. С. Симин.

к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ