Gurtov_TE

JЭ JК

ϕβ α0IЭ.e-i0,2 ωωα

Рис. 5.34. Векторная диаграмма токов в биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером для случая ω = ωβ

Таким образом, в схеме с общим эмиттером предельная частота усиления по току ωβ много меньше, чем предельная частота ωα в схеме с общей базой.

Частоты ωα и ωβ могут быть выражены через физические параметры

231

Для описания частотной зависимости β(ω) подставим в выражение для β частотно-зависимый коэффициент переноса α(ω). Получим:

5.12.4.Эквивалентная схема транзистора на высоких частотах

В заключение раздела построим эквивалентную схему биполярного транзистора на высоких частотах для схемы с общей базой (рис. 5.35).

IБ

Б

Рис. 5.35. Эквивалентная схема биполярного транзистора на высоких частотах для схемы с общей базой

На приведенной эквивалентной схеме основные параметры элементов в эмиттерной, базовой и коллекторной цепи такие же, как и для эквивалентной схемы при малых частотах. Различие этих двух схем проявляется в коллекторной цепи, где частотная зависимость коэффициента передачи α(ω) изображена в виде фазосдвигающей RC-цепочки Сф и Rф в коллекторной цепи.

232

5.13. Биполярные транзисторы с гетеропереходами

5.13.1. Типовая структура ГБТ на GaAs

Одним из перспективных направлений по улучшению параметров биполярных транзисторов является замена эмиттерного p-n перехода биполярного транзистора на гетеропереход. В этом случае возможно обеспечить одностороннюю инжекцию из эмиттера в базу, а, следовательно, и высокую эффективность эмиттера при низкой легирующей концентрации эмиттера и высокой легирующей концентрации базы. Последнее условие позволяет существенно уменьшить ширину базы и устранить влияние эффекта Эрли на выходные характеристики биполярного транзистора.

Наибольшее распространение биполярные транзисторы с эмиттерным гетеропереходом получили при разработке СВЧ-транзисторов на основе арсенида галлия (ГБТ на GaAs). В англоязычной литературе для обозначения этих транзисторов используют аббревиатуру HBT. Стандартная топология ГБТ-транзисторов использует вертикальную структуру. Типовая структура биполярного транзисторы с эмиттерным гетеропереходом на основе арсенида галлия приведена на рисунке 5.36.

n+ GaAs-слой коллекторного контакта

Полуизолирующая GaAs-подложка

Рис. 5.36. Типовая структура биполярного транзисторы с эмиттерным гетеропереходом на основе арсенида галлия ГБТ на GaAs [22]

Типовой ГБТ на GaAs n-p-n типа формируется на полуизолирующей GaAs подложке с удельным сопротивлением порядка 107 Ом см. Коллектор формируется на основе электронного GaAs с концентрацией доноров ND, равной 3·1016 см-3. База представляет собой сильнолегированную область p+-GaAs с легирующей концентрацией акцепторов (бериллий или углерод) NA, равной 1019 см-3. Эмиттерный гетеропереход формируется за счет слаболегированного слоя AlGaAs n-типа в качестве эмиттера. Ширина запрещенной зоны полупроводникового соединения AlGaAs в эмиттере больше, чем GaAs в базе на величину ∆Еg = 0,37 эВ. В случае использования эмиттерного гетероперехода Al03Ga07As разрыв зоны проводимости составляет ∆ЕC = 0,24 эВ,

233

разрыв валентной зоны ∆ЕV = 0,13 эВ [22]. Как было показано в разделе 2.14, в этом случае реализуется односторонняя инжекция электронов из эмиттера в базу.

Высокий уровень легирования базы, а также низкий уровень легирования эмиттера, обуславливают низкое сопротивление базы и мало значение емкости этмиттерного гетероперехода. Низколегированный коллектор уменьшает емкость коллекторного перехода. Эти условия позволяют достичь высоких значений граничной частоты, усиления по току биполярного транзистора.

Важным преимуществом для биполярного транзисторы с эмиттерным гетеропереходом является простота технологической реализации Вертикальная структура ГБТ позволяет рационально использовать площадь кристалла в планарном технологическом процессе. Тонкие слои базы формируются путем эпитаксии, что даже в случае субмикронных толщин базы позволяет отказаться от электронно-лучевой литографии. Дополнительным преимуществом таких транзисторов по сравнению с полевыми транзисторами является однополярное питание.

5.13.2. Биполярные транзисторы с гетеропереходами на соединениях с фосфидом индия

Очередным шагом в развитии биполярного транзистора с эмиттерным гетеропереходом на GaAs является использование в транзисторах вместо GaAs других полупроводниковых соединений групп A3B5 : для базовой и коллекторной областей тройных соединений InGaAs, для эмиттерной и коллекторной областей – фосфида индия InP. Кроме этого, p-n переход базаколлектор также реализуется в виде гетероперехода. Биполярные транзисторы с двумя гетеропереходами обозначают аббревиатурой ДГБТ (DHBT в английской транскрипции).

Использование фосфида индия InP позволяет улучшить частотные характеристики ДГБТ, увеличивает пробивное напряжение коллектора. Поскольку

ширина заперщенной зоны InP больше, чем у In 0,53Ga 0,47As (1,35 эВ и 0,75 эВ соответственно), то напряжение пробоя коллекторного гетероперехода не ме-

нее 6 вольт. Существует большое разнообразие в комбинациях материалов эмиттера, базы и коллектора биполярного транзистора с двумя гетеропереходами на основе InP. Наиболее часто используется n-p-n транзисторные гете-

роструктуры типа InAlAs – InGaAs – InP и InP – InGaAs – InP. Толщина базы в случае использования технологии молекулярно-лучевой эпитаксии может быть снижена до 25 нм при уровне легирования углеродом 1020 см-3. Приборы с такими структурами обладают рекордными частотными характеристиками с граничной частотой 250 ГГц при токе коллектора 10 мА, напряжение на коллекторе 1 вольт. [22, 27]

234

Контрольные вопросы

5.1.Нарисуйте зонную диаграмму n-p-n транзистора в равновесном состоянии.

5.2.Дайте определение коэффициенту переноса и коэффициенту инжекции.

5.3.Как связан коэффициент переноса с шириной базы?

5.4.В чем заключается эффект Эрли?

5.5.Какая постоянная времени определяет инерционность транзистора в схеме ОБ?

5.6.Какая постоянная времени определяет инерционность транзистора в схеме ОЭ?

5.7.Что такое составной транзистор? Опишите его принцип действия и характеристики.

Задачи

5.1. Для некоторого транзистора типа p-n-p задано Ipэ = 1 мА, Inэ = 0,01 мА, Ipк = 0,98 мА, Inк = 0,001 мА. Вычислить: а) статический коэффициент передачи тока базы – αT; б) эффективность эмиттера (коэффициент инжекции – γ); в) ток базы и коэффициент передачи тока в схемах с ОБ – α и ОЭ – β.

5.2. Показать, что при экспоненциальном распределении примеси в базе n-p-n биполярного транзистора поле Ex постоянно. Найти в этом случае концентрацию неосновных носителей вблизи коллектора, если уровень легирования

γ = 0,999, коэффициент переноса через базу αT = 0,99, толщину нейтральной области базы Wб = 0,5 мкм, концентрацию примеси в эмиттере ND = 1019 см-3,

базе NA = 1016 см-3 и коллекторе ND = 5.1015 см-3. Определить предельное напряжение на эмиттере, при котором прибор перестает быть управляемым и наступает пробой и вычислить время пролета базы и частоту отсечки.

а) толщину нейтральной области Wб в базе, б) концентрацию неосновных носителей около перехода эмиттер – база pn(0), в) заряд неосновных носителей в области базы Qб.

235

Глава 6. Полевые транзисторы

6.1. Типы и устройство полевых транзисторов

Полевые, или униполярные, транзисторы в качестве основного физического принципа используют эффект поля. В отличие от биполярных транзисторов, у которых оба типа носителей, как основные, так и неосновные, являются ответственными за транзисторный эффект, в полевых транзисторах для реализации транзисторного эффекта используется только один тип носителей. По этой причине полевые транзисторы называют униполярными. В зависимости от условий реализации эффекта поля полевые транзисторы делятся на два класса: полевые транзисторы с изолированным затвором и полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода.

К полевым транзисторам с изолированным затвором относятся МДП-транзисторы, МНОП-элементы памяти, МДП-транзисторы с плавающим затвором, приборы с зарядовой связью (ПЗС-структуры), МДП-фотоприемники. К полевым транзисторам с затвором в виде p-n перехода относятся транзисторы с затвором в виде барьера Шоттки, с затвором в виде обычного p-n перехода и с затвором в виде гетероперехода. Отметим, что в качестве дискретных элементов разработаны и имеют применение МДП-транзисторы и транзисторы с затвором в виде обычного p-n перехода. Остальные типы полевых транзисторов применяются только в интегральном исполнении как фрагменты интегральных схем.

Рассмотрим на примере МДП-транзистора основные элементы структуры полевых транзисторов. На рисунке 6.1 приведена топология МДП-транзистора. [28, 68]

236

окисел

z

VSS

Рис. 6.1. Топология и основные элементы МДП-транзистора

Термин «МДП-транзистор» используется для обозначения полевых транзисторов, в которых управляющий электрод – затвор – отделен от активной области полевого транзистора диэлектрической прослойкой – изолятором. Основным элементом для этих транзисторов является структура металл – диэлектрик – полупроводник. По этой причине в названии транзистора используется аббревиатура МДП. Монокристаллический полупроводник n- или p-типа, на котором изготавливается МДП-транзистор, получил название подложки. Две сильнолегированных области противоположного с подложкой типа проводимости, получили название исток и сток. Область полупроводниковой подложки, находящаяся под затвором между истоком и стоком, называется каналом. Диэлектрический слой, находящийся между затвором и каналом, получил название подзатворного диэлектрика. В качестве полупроводниковой подложки в большинстве МДП-транзисторов используется кремний, а в качестве подзатворного диэлектрика – двуокись кремния. По этой причине как синоним для МДП транзисторов используется термин «МОП-транзистор». Канал в МДП-транзисторах может быть как индуциро-

ванным, так и встроенным.

6.2. Принцип работы МДП-транзистора

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл – диэлектрик – полупроводник является эффект поля. Напомним, что эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевых приборах со структурой МДП внешнее

237

поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод – затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения могут быть четыре состояния области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника – обогащение, обеднение, слабая и сильная инверсия. Полевые транзисторы в активном режиме могут работать только в области слабой или сильной инверсии, т.е. в том случае, когда инверсионный канал между истоком и стоком отделен от квазинейтрального объема подложки областью обеднения.

Полевой транзистор относится к типу приборов, управляемых напряжением. Обычно электрод истока является общим, и относительно его определяются величина и знак прикладываемого напряжения и протекающего тока. Напряжение на затворе МДП-транзистора обозначается значком VG, на стоке транзистора – VDS, на подложке – VSS. Ток, протекающий между истоком и стоком, обозначается IDS, ток в цепи «затвор – канал» – IG. Для полевых транзисторов с изолированным затвором ток затвора пренебрежимо мал, составляет величины пикоампер. По этой причине мощность, расходуемая на реализацию транзисторного эффекта в первичной цепи, практически нулевая. На рисунке 6.2 показана схема МДП-транзистора с индуцированным p-каналом в равновесных условиях (VDS = 0) при нулевом напряжении на затворе и при напряжении на затворе выше порогового напряжения.

VG =0

VDS =0

n-тип

а

VSS =0

VT < VG < 0

VDS =0

n-тип

б

VSS =0

Рис. 6.2. МДП-транзистор с индуцированным каналом в равновесных условиях

238

а) напряжение на затворе отсутствует VG = 0;

б) напряжение на затворе больше порогового напряжения VG > VT (VG < 0)

В области инверсии концентрация неосновных носителей заряда в инверсионном канале выше, чем концентрация основных носителей в объеме полупроводника. Напряжение на затворе VG, при котором происходит формирование инверсионного канала, называется пороговым напряжением и обозначается VT . Изменяя величину напряжения на затворе VG в области выше порогового напряжения, можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и тем самым модулировать сопротивление канала Ri. Источник напряжения в стоковой цепи VDS вызовет изменяющийся в соответствии с изменением сопротивления канала Ri ток стока IDS, и тем самым будет реализован транзисторный эффект. Напомним, что транзисторный эффект заключается в изменении тока или напряжения во вторичной цепи, вызванном изменениями тока или напряжения в первичной цепи. Отметим, что ток в цепи «исток – канал – сток» IDS обусловлен только одним типом носителей, то есть, действительно, МДП-транзистор является униполярным прибором. Поскольку области истока и стока сильно легированы, то они не оказывают влияния на ток канала, а только обеспечивают контакт к области канала.

Таким образом, МДП-транзистор является сопротивлением, регулируемым внешним напряжением. К нему даже в большей степени, чем к биполярным приборам, подходит историческое название «транзистор», так как слово

«transistor» образовано от двух английских слов – «transfer» и «resistor», что переводится как «преобразующий сопротивление».

6.3. Выбор знаков напряжений в МДП-транзисторе

Как уже отмечалось в предыдущем разделе, электрод истока является общим, и относительно его определяются величина и знак прикладываемого напряжения и протекающего тока. Рассмотрим на примере n-канального МДП-транзистора с индуцированным каналом, каким образом выбираются величина и знак напряжения на затворе, стоке и подложке, обеспечивающих работу МДП-транзистора в активном режиме.

Для МДП-транзистора с индуцированным n-каналом при нулевом напряжении на затворе VG = 0 канал между истоком и стоком отсутствует. Для формирования канала необходимо подать напряжение на затвор VG такого знака, чтобы на поверхности полупроводника сформировался инверсионный слой. Для n-канального транзистора (полупроводниковая подложка p-типа) знак напряжения VG в этом случае должен быть положительным. Напряжение на затворе VG, при котором происходит формирование инверсионного канала, называется пороговым напряжением и обозначается VT. Следовательно, величина напряжения на затворе VG в активной области должна быть больше, чем значение порогового напряжения: 0 < VT < VG.

239

Напряжение, поданное на сток VDS, вызывает движение электронов в инверсионном слое между истоком и стоком. С точки зрения транзисторного эффекта безразлично, в каком направлении в канале будут двигаться носители. Но, в то же время, напряжение VDS, приложенное к стоку, это напряжение, приложенное к стоковому n+–p переходу. При положительном знаке VDS > 0 это соответствует обратному смещению стокового n+–p перехода, а при отрицательном знаке VDS < 0 это соответствует прямому смещению p-n перехода «сток – подложка». В случае прямого смещения p-n перехода «сток – подложка» в цепи стока будет течь дополнительно к току канала еще и большой ток прямосмещенного p-n перехода, что затруднит регистрацию тока канала. В случае обратного смещения p-n перехода «сток — подложка» паразитный ток будет составлять наноамперы и будет пренебрежимо мал. Таким образом, знак напряжения на стоке VDS нужно выбирать так, чтобы стоковый переход был смещен в обратном направлении. Для n-канальных транзисторов это условие соответствует VDS > 0, а для p-канальных транзисторов VDS < 0. На рисунке 6.3 показана схема p-канального МДП-транзистора в области плавного канала.

VG >VT

VDS <VDS*

n-тип

VSS =0

Рис. 6.3. Схема p-канального МДП-транзистора в области плавного канала

Напряжение, подаваемое на подложку VSS, управляет током в канале через изменение заряда в области обеднения QB, или, что то же самое, через изменение порогового напряжения VT. Для эффективного увеличения ширины области обеднения, следовательно заряда в области обеднения, необходимо подавать обратное смещение на индуцированный электронно-дырочный переход «канал – подложка». Для n-канальных транзисторов это условие соответствует отрицательному знаку напряжения на подложке VSS < 0, а для p-канальных транзисторов – положительному знаку напряжения VSS > 0. На рисунке 6.4 приведена схема p-канального МДП-транзистора в области плавного канала при наличии управляющего напряжения на подложке.

240