Получение навыков количественных оценок эффектов и явлений в структуре полупроводников и интегральных микросхем, страница 27

В настоящее время толщина области эмиттера составляет 1 мкм, базы – 0,1 мкм. Площадь базы должна быть минимальна.

Лекция №28

Физические процессы в структуре биполярного транзистора

Структура транзисторов состоит из трёх основных областей: эмиттера, базы и коллектора, которые отличаются концентрацией и типом примесей. Формируют два p-n перехода: эмиттер-база и база-коллектор, разделяемых тонкой базовой областью. Толщина базы много меньше диффузионной длины носителей. О общем случае два взаимодействующих через тонкую базу p-n перехода могут работать в различных режимах. Классический вариант: эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный – в обратном. Это нормальный активный режим. Возможен вариант инверсного включения: эмиттерный переход обратно смещен, коллекторный – прямо смещен. Это активный инверсный режим. Теоретически возможно сочетание любых вариантов: коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении (применяется в устройствах цифровой и импульсной техники); оба перехода смещены в обратном направлении – режим отсечки.

По электрической схеме определить режим работы транзистора практически невозможно.

Помимо того, что работа транзистора отличается режимами, они отличаются способом включения в схему. Различают: схемы включения с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). "Общий" значит, что через этот выход протекает два различных тока.

Работа в режиме ОБ:

Работа в режиме ОК:

Работа в режиме ОЭ:

Различные схемы включения обладают различными свойствами. Схема с общей базой отличается тем, что входной ток достаточно большой,  а ток коллектора меньше. Такая схема обладает небольшим усилением по напряжению, но и коэффициент передачи тока меньше единицы. Схема с общим эмиттером отличается большим усилением по току и напряжению. Схема с общим коллектором  практически не даёт усиления по напряжению, но даёт большое усиление по току.

Важными характеристиками схем являются входное и выходное сопротивление. Например, схема с общим коллектором обладает низким входным сопротивление и высоким выходным, поэтому используется как элемент согласования.

В каждом из вариантов включения существуют различные режимы. В случае нормального активного режима эмиттерный переход является прямо смещенным и в соответствии с характеристиками сигнала инжектирует в область базы неравновесные неосновные носители. Эти носители попадают в среду, где их концентрация изначально мала (например, в n-p-n транзисторе электроны перемещаются в р- область). Затем они устремляются по законам диффузии к коллекторному переходу, смещенному в обратном направлении. Его внутреннее электрическое поле перебрасывает носители из базы в коллекторную область. Для работы необходимо, чтобы все носители дошли без потерь до коллекторного перехода (коэффициент инжекции эмиттерного перехода стремится к единице, также как и коэффициент переноса через базовую область). Но это невозможно, так как существует физический предел повышения концентрации примесей, к тому же существуют процессы рекомбинации.

Для уменьшения потерь в виде тока базы, базовую область выполняют максимально тонкой и качественной. В этом случае достигаются большие значения коэффициентов передачи тока в схеме с общей базой - a и коэффициентов усиления токов в схеме с общим эмиттером - b. В этом случае улучшаются частотные свойства, но возможны ситуации, когда происходит "прокол базы" – эффект Эрли, возможно сокращение рабочей области, емкости переходов становятся заметными, а диффузионная емкость ухудшает частотные характеристики транзистора. Следовательно, все параметры транзисторов связаны. Все транзисторы классифицируются по области применения:

1.  Низкочастотные с малой рассеиваемой мощностью;

2.  Низкочастотные с большой рассеиваемой мощностью;