gurtov

5.12. Частотные и импульсные свойства транзисторов

составит Iк = αIэ и будет наблюдаться сдвиг фаз φ между эмиттерным Iэ и коллекторным Iк токами. Величина тангенса φ будет равна:

Из уравнения (5.107) следует, что в общем случае величина сдвига фаз между эмиттерным и коллекторным токами будет определяться как

Сдвинем для удобства jк и jэ на величину τD по временной оси, тем самым совместим их. Будем наращивать частоту переменного сигнала или уменьшать период эмиттерного тока.

При длительности эмиттерного импульса T/4 > τD «плоского» участка на коллекторном токе Iк = αIэ уже не будет (рис. 5.29б). При дальнейшем уменьшении периода эмиттерного импульса T начнет уменьшаться амплитудное значение коллекторного тока, поскольку за это время инжектированные носители не успевают дойти до коллекторного перехода (рис. 5.29в). На языке коэффициента передачи это соответствует возникновению частотной зависимости амплитудного значения коэффициента передачи α(ω).

Таким образом, величина α(ω) характеризует коэффициент передачи тока в схеме с общей базой и определяется модулем |α| и фазой φα, причем зависимость α(ω) возникает вследствие инерционности переноса носителей от эмиттера к коллектору. На рис. 5.30 показаны эпюры эмиттерного и коллекторного токов для этого случая.

Частота входного сигнала ω, при которой модуль коэффициента передачи |α| уменьшается в 2 раз по сравнению со статическим значением α0, называется предельной частотой усиления по току ωα биполярного транзистора в схеме с общей базой:

Рис. 5.30. Эпюры эмиттерного (пунктирная линия) и коллекторного (сплошная линия) токов биполярного транзистора в схеме с общей базой для случая T/4 < τD

Поскольку коэффициент передачи α определяется произведением коэффициентов инжекции γ и переноса κ:

α = γ· κ,

то основное значение в зависимости α(ω) имеет зависимость коэффициента переноса от частоты κ(ω).

Глава 5. Биполярные транзисторы

Тангенс угла сдвига фаз и модуль коэффициента передачи при малых значениях частоты ω будут равны:

Графическая зависимость модуля коэффициента переноса κ и угла фазового сдвига φ от частоты входного сигнала ω приведена на рис. 5.31.

Рис. 5.31. Зависимость модуля коэффициента переноса |κ(ω)| и угла фазового сдвига φα от частоты входного сигнала ω; сплошная линия — точное решение, пунктир — первое приближение при малых частотах

Призначениичастотывходногосигналаω,равнойграничнойчастотеωα (ω/ωα = 1,0), значение модуля коэффициента переноса будет составлять |κ(ω)| = 0,71, а величина фазового сдвига между эмиттерным и коллекторным токами будет равна φα = 60°.

Из общих соображений следует, что когда ω–1 ~ τD, величина сдвига фаз составит φ = 45°, но величина модуля коэффициента передачи |κ(ω)| при этом еще не изменится.

5.12.2.Представление частотной зависимости коэффициента передачи RC-цепочкой

Для представления в эквивалентных схемах амплитудной и фазочастотной зависимостей α(ω) используют RС-цепочку (рис. 5.32). В такой цепочке если входной переменный сигнал α0Iэ, то ток в цепи резистора R будет отображать амплитудную и фазочастотную зависимости α(ω) Iэ.

Рис. 5.32. RC-цепочка, иллюстрирующая амплитудную и фазочастотную зависимости α(ω)

Глава 5. Биполярные транзисторы

Изобразим в комплексной форме зависимости α(ω) для RC-цепочки в следующем виде:

Из уравнения (5.135) видно, что в этом случае модуль:

что полностью соответствует соотношениям (5.134) и (5.132).

Из соотношения (5.134) следует, что сдвиг фаз φ для RC-цепочки при ω = ωα составляет значение φ = 45°. Поэтому к RС-цепочке для более адекватного отображения

5.12.3.Частотная зависимость коэффициента β в схеме

собщим эмиттером

Рассмотрим амплитудную и фазочастотную зависимости коэффициента передачи базового тока для биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Коэффициент передачи эмиттерного тока α и коэффициент передачи базового тока β связаны стандартным соотношением:

Для нахождения связей частотных параметров биполярного транзистора в схеме с общей базой и в схеме с общим эмиттером рассмотрим векторные диаграммы для токов, приведенные на рис. 5.33.

При малой частоте ω << ωα фазы эмиттерного Iэ, коллекторного Iк и базового Iб токов, как видно из рис. 5.33а, совпадают и величина базового тока Iб равна разности

Iэ – Iк.

При значении частоты эмиттерного тока, равной граничной частоте ω = ωα, в схеме с общей базой коллекторный ток в 2 раз меньше эмиттерного тока. На векторной диаграмме (рис. 5.33б) видно, что при фазовом сдвиге φα = 60о величина базового тока Iб также равна разности Iэ – Iк, но в этом случае речь идет о векторной разности. Модуль же значения базового тока Iб при ω = ωα значительно больше, чем при ω = 0.

5.12. Частотные и импульсные свойства транзисторов

При этом видно, что величина коэффициента передачи базового тока β = Iк/Iб при ω = 0 значительно больше, чем при ω = ωα. Если модуль коэффициента передачи эмиттерного тока α(ω) уменьшился при этом в 2 раз, то модуль коэффициента усиления базового тока β(ω) уменьшился существенно больше.

Рис. 5.33. Векторная диаграмма токов для биполярного транзистора в схеме с общей базой, иллюстрирующая фазовый сдвиг между эмиттерным и коллекторным токами:

а) частота ω = 0; б) частота ω = ωα

Определим предельную частоту ω усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером как частоту ωβ, при которой модуль коэффициента усиления β(ωβ) уменьшается в 2 раз по сравнению со статическим значением β0.

Найдем соотношение между предельной частотой для схемы с общим эмиттером:

ω = ωβ. В этом случае величина базового тока увеличилась в 2 раз. Из векторной диаграммы (рис. 5.34) видно, что фазовый сдвиг φ между эмиттерным и коллекторным токами будет незначителен.

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

Глава 5. Биполярные транзисторы

При малых φ и при α0 → 1 (см. рис. 5.28) следует, что:

Более точный расчет дает выражение:

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 транзистора:

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

5.12.4.Эквивалентная схема транзистора на высоких частотах

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

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.

5.13. Биполярные транзисторы с гетеропереходами

IБ

Б

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

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 транзистора с эмиттерным гетеропереходом на основе арсенида галлия приведена на рис. 5.36.

n+-GaAs-слой коллекторного контакта

Полуизолирующая GaAs-подложка

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

Глава 5. Биполярные транзисторы

Типовой ГБТ на GaAs n-p-n-типа формируется на полуизолирующей GaAs-под- ложке 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 Eg = 0,37 эВ. В случае использования эмиттерного гетероперехода Al03Ga07As разрыв зоны проводимости составляет EC = 0,24 эВ, разрыв валентной зоны EV = 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 малое значение емкости эмиттерного гетероперехода. Низколегированный коллектор уменьшает емкость коллекторного перехода. Эти условия позволяют достичь высоких значений граничной частоты, усиления по току биполярного транзистора.

Важным преимуществом для биполярного транзистора 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 база – коллектор 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 запрещенной зоны InP больше, чем у In0,53Ga0,47As (1,35 эВ и 0,75 эВ соответственно), то напряжение пробоя коллекторного гетероперехода не менее 6 вольт. Существует большое разнообразие в комбинациях материалов эмиттера, базы и коллектора биполярного транзистора с двумя гетеропереходами на основе InP. Наиболее часто используются n-p-n-транзисторные гетероструктуры типа InAlAs – InGaAs – InP и InP – InGaAs – InP. Толщина базы в случае применения технологии молекулярнолучевой 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].