Физическая структура n-p-n интегрального транзистора со скрытым слоем и изоляцией p-n переходов. Преимущества полевых транзисторов перед биполярными. МОП-транзистор с индуцированным каналом

1. Структура транзистора и назначение областей.

На рис.1. показана структура транзистора. Следует обратить внимание на то, что коллектором транзистра является вся n-область эпитаксиальной пленки, а не только n+-область под коллекторным контактом, назначение эмиттерной диффузии под коллекторным контактом такое же, как и n+скрытого слоя, т.е. уменьшение последовательного омического сопротивления коллектора.

Рис. 1. Физическая структура n-p-n интегрального транзистора

со скрытым слоем и изоляцией p-n переходов.

2. Распределение доноров и акцепторов в структуре транзистора.

Рис.2. Профиль распределения примеси.

На рис. 2. показан профиль распределения примеси по глубине транзисторной структуры, соответствующий разрезу, сечению, посредине эмиттерного перехода. Концентрация доноров, созданных эмиттерной диффузией, сменяется акцепторами базы на глубине . Далее на глубине залегания коллекторного перехода  концентрация акцепторов базы уменьшается до концентрации доноров в эпитаксиальной пленке коллектора.

3. Назначение скрытого слоя и  разделительной диффузии в интегральном транзисторе.

Скрытый слой выполняется для уменьшения омического сопротивления коллектора  и уменьшения напряжения на открытом транзисторе. Он  облегчает переход электронов от границы коллекторного перехода к выводу коллектору. Электронам оказывается выгоднее проходить по скрытому слою, там они встречают меньшее сопротивление.

Скрытый слой уменьшает коэффициент передачи дырок в подложку , инжектированные p-слоем базы дырки рекомбинируют с электронами n+ слоя и ток замыкается по цепи Б-К.

Разделительная диффузия (РД на рис.1) необходима для электрической изоляции друг от друга отдельных n – областей эпитаксиальной пленки коллектора. Между n – областями на поверхности образуется боковой n-p переход, который смещается в обратном направлении при подаче положительного напряжения на n – области соседних коллекторов . Ток утечки изолирующего n-p перехода не превышает 10E-9 А и обеспечивает достаточную электрическую развязку коллекторов транзисторов.

4.     Коэффициенты передачи тока нормальный , инверсный  и коэффициент передачи в подложку.

- это нормальный коэффициент передачи транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном (активный режим). Нормальный коэффициент передачи обеспечивает передачу электронов из эмиттера в коллектор в активном режиме.

- это инверсный коэффициент передачи транзистора, когда эмиттерный переход смещен в обратном направлении и коллекторный в прямом (инверсный режим).

 и передают электроны между эмиттером и коллектором,  в структуре интегрального транзистора образуется еще паразитный p-n-p транзистор (p- база, n- коллектор, p+- подложка, рис. 1),   - коэффициент передачи этого транзистора, он должен быть мал, чтобы уменьшить передачу дырочного тока в подложку в режиме насыщения и при инверсном включении транзистора.

6.     Как влияет глубина залегания эмиттерного перехода  на коэффициент передачи тока?

При увеличении глубины эмиттерного перехода уменьшается толщина базы (рис. 1). Электроны быстрее проходят базу, уменьшаются  потери на рекомбинацию, это увеличивает коэффициент передачи. При уменьшении глубины залегания эмиттерного перехода уменьшается эффективность эмиттера;  толщина базы увеличивается, и соответственно большая доля электронов рекомбинирует - коэффициент передачи уменьшается.            

7.     Чем отличаются ВАХ в схемах ОБ и ОЭ?

Основное различие входных ВАХ заключается в том, что в схеме с ОЭ входным током является базовый ток, в активном режиме он всегда меньше Iэ и Iк.

На выходных характеристиках в схеме  ОЭ на выходе включены два p-n перехода – Э и К, ток  режим насыщения целиком располагается в область положительных значений Uкэ, в то время как в схеме ОБ режим насыщения располагается в области отрицательных значениях Uбк. Это объясняется тем, что в режиме насыщения коллекторный переход смещен в прямом направлении. В схеме с ОЭ: Uкэ = Uкб - Uбэ > 0, так как в режиме насыщения Uкб > 0, Uбэ > 0.Оба перехода смещены в прямом направлении и Uкэ представляет собой разность напряжений на двух прямо смещенных  n-p переходах, это напряжение близко к нулю.

В схеме ОБ на выходе включен только коллекторный переход. Ток коллектора обращается в нуль при прямом напряжении на коллекторе, примерно равном напряжению на эмиттере, рис. 3. 

Рис. 3. Эквивалентная схема транзистора.

8.     Почему ток коллектора не зависит от напряжения на коллекторе?

Электроны, инжектированные эмиттером и прошедшие сквозь базу, не тормозятся полем коллекторного перехода и беспрепятственно уходят в коллектор. Коллекторный ток почти полностью обусловлен током эмиттера и изменения обратного напряжения Uкб слабо влияют на ток коллектора. Большие обратные напряжения на коллекторе могут вызвать ударную ионизацию и умножение носителей заряда или уменьшить толщину базы из-за расширения ОПЗ коллектора, но это происходит уже при больших напряжениях на коллекторе, .

1. Преимущества полевых транзисторов перед биполярными.

1.Принцип действия: в биполярном транзисторе управление выходным током производится входным базовым или эмиттерным током, а в полевом транзисторе – входным напряжением на затворе.

2.Полевой транзистор имеет значительно большее входное сопротивление, чем биполярный. Это связано с обратным смещением p-n- перехода затвора на входе.

3.Полевой транзистор обладает низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации в переходах и базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.