Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

Подождите немного. Документ загружается.

142

Гл. 2. Биполярные транзисторы

эмиттер

коллектор

эмиттер

база

коллектор

напряжении на коллекторе (5-25 В) в таком транзисторе уда-

валось получить коэффициент усиления по току а = dI

/dI

- 1-2.

Возможность использования то-

чечного транзистора для усиления

электрических сигналов основана на

существенном различии дифферен-

циальных сопротивлений эмиттер-

ного и коллекторного переходов в

рабочем режиме. При подаче в цепь

эмиттера небольшого входного пере-

менного напряжения из-за низкого

дифференциального сопротивления

эмиттерного перехода при прямом

смещении (сотни Ом) удается полу-

чить большие изменения тока эмит-

тера. Этот ток порождает изменение

тока в коллекторной цепи, в а раз

превышающее изменение тока эмит-

тера. Поскольку дифференциальное

сопротивление коллекторного пере-

хода, работающего при обратном

смещении, велико (10-100 кОм),

в цепь коллектора можно включить

сравнимое с ним сопротивление на-

грузки и получить на нем выходное

напряжение, в сотни раз превышаю-

щее входное напряжение.

Работа точечного транзистора

может быть упрощенно объяснена

следующим образом. В области кон-

такта металла со слабо легирован-

ным полупроводником n-типа обра-

зуются р-п~переходы. Эмиттерный

р-п-переход, смещенный в прямом

направлении, инжектирует дырки в

базу транзистора. Если расстояние

между эмиттером и коллектором

меньше или порядка диффузионной

длины, то часть инжектированных

дырок, диффундируя в базе, достигает области коллектора и за-

тягивается полем коллекторного р-п-перехода. Эта упрощенная

схема однако не объясняет, почему в точечных транзисторах

база эмиттер

SiO

коллектор

Рис. 2.1. Конструкции бипо-

лярных транзисторов: а — то-

чечный транзистор, б — сплав-

ной транзистор, в — эпитакси-

альный транзистор

/. История создания и конструкции биполярного транзистора 143

удается получить коэффициент усиления по току а > 1, так

как в транзисторе обсуждаемой конструкции лишь малая доля

инжектированных дырок может достигнуть коллекторного пере-

хода. Считается, что в работе точечного транзистора заметную

роль играет дрейф инжектированных в базу носителей в элек-

трическом поле, создаваемом протекающим коллекторным током

(база транзистора намеренно делается из достаточно высокоом-

ного германия с р = 5-10 Ом

•

см), а структура коллекторного

перехода (создаваемого формовкой) представляет собой п-р-п-

р-структуру, в которой происходит внутреннее усиление коллек-

торного тока [110]. Из-за несовершенства конструкции и вы-

сокого уровня собственных шумов точечные транзисторы были

полностью вытеснены плоскостными транзисторами в середине

50-х годов.

Чтобы увеличить коэффициент собирания носителей (то

есть долю инжектированных в базу носителей, которая движется

в сторону коллектора), Шокли в 1949 г. предложил конструкцию

и развил теорию плоскостного транзистора [3, 71, 110), в ко-

тором эмиттерный и коллекторный р-n-пере ходы расположены

параллельно и разделены тонким слоем базы (см. рис. 2.2а). О

> Идея конструкции плоскостного транзистора состоит в сле-

дующем. Смещенный в прямом направлении эмиттерный р-п-

переход осуществляет одностороннюю инжекцию неосновных

носителей в базу транзистора (см, рис. 2.2). Неосновные носи-

*ели диффундируют через базу, толщина которой выбирается

много меньше диффузионной длины, достигают коллекторного

?мг-перехода, на который подано обратное смещение, и, затяги-

ваясь его электрическим полем, попадают в область коллектора.

Если база транзистора достаточно тонкая, то большая часть

инжектированных носителей проходит базу без рекомбинации

н лишь небольшая их часть рекомбинирует в базе. Ток в цепи

базы /g складывается из тока этих рекомбинирующих носителей,

') Интересно, что первая статья Шокли была отклонена редакцией Physical

Review и была опубликована в «ведомственном» журнале Bell Systems Tech-

nical Journal, Тем не менее предложенная идея оказалась очень плодотворной.

Первые опытные образцы n-р-тг-транзисторов были созданы в Bell Laborato-

ries уже в 1950 году, а транзисторы со структурой

р-п-р —

в 1951 году [110].

Промышленный выпуск транзисторов был начат фирмой Texas Instruments в

1952 г,, и транзисторы из Ge и Si появились на рынке уже в 1954 г. Сразу

же, то есть в 1954 г., было выпущено и первое бытовое устройство на транзи-

сторах — радиоприемник Regency TR-1, а первые компьютеры на транзисторах

(TR1DAC, изготовленный в Bell Laboratories, и ТХ-О, изготовленный в Lincoln

-aboratory, MIT) появились в 1955 г.

144 Гл. 2. Биполярные транзисторы

эмиттер база коллектор

тока носителей, инжектируемых из базы в эмиттер, а также

небольшого тока обратно смещенного коллекторного перехода.

Важно то, что при оптимальной конструкции транзистора ток

базы может быть сделан намного меньше тока /

, протекающего

в цепи коллектора, то есть с помощью небольшого тока базы

можно управлять большим то-

ком коллектора. Поскольку, как и

в случае точечного транзистора,

дифференциальное сопротивление

эмиттерного перехода при прямом

смещении намного меньше диффе-

ренциального сопротивления кол-

лекторного перехода при обратном

смещении, то подавая небольшие

напряжение и ток в цепь базы тран-

зистора (относительно эмиттера),

можно получать ток и напряжение

в цепи нагрузки коллектора, на-

много превышающие входные ток и

напряжение. Таким образом, плос-

костной транзистор может одновре-

менно служить и усилителем тока,

- ! \

усилителем напряжения.

—--у -г Одним из основных параметров,

характеризующих усилительные

свойства транзистора, является

коэффициент усиления по току

в схеме с общим эмиттером. *) Он

определяется как отношение при-

ращения тока коллектора к вы-

звавшему его приращению тока

базы: р = dI

/dIb.

) Ясно, что ко-

эффициент усиления будет тем вы-

ше, чем больше инжектированных

эмиттером носителей пройдет через

О W

эмиттер

коллектор

Рис. 2,2. Идеализированная схе-

ма плоскостного транзистора (о)

и его энергетическая диаграмма

в отсутствие смещения (б) и в

рабочем режиме (в)

базу без рекомбинации. Поэтому очень важно создать такую гео-

метрию прибора, при которой практически все инжектированные

в базу носители собирались бы коллектором. В этом отношении

') О схемах включения транзисторов мы будем говорить в п. 2.5.1.

) В ряде случаев усилительные свойства транзистора характеризуют также

величиной Р

СТ

= 1

, называемой статическим коэффициентом усиления

транзистора по току.

•

2.1. История создания и конструкции биполярного транзистора 145

геометрия плоскостного транзистора оказывается намного лучше

геометрии точечного транзистора (ср. рис. 2.1 а и рис. 2.1 б).

В зависимости от того, какой тип проводимости имеет база

транзистора, возможны две структуры биполярных транзисторов:

p-n-р и п-р-п. Поскольку подвижности электронов и дырок в

полупроводнике различаются, то и параметры этих транзисторов

также будут различными. В частности, можно ожидать, что из-за

более высокой подвижности электронов (и, следовательно, их бо-

лее высокого коэффициента диффузии) приборы, в которых осу-

ществляется инжекция электронов (транзисторы со структурой

n-p-п), будут характеризоваться более высоким коэффициентом

усиления и большим быстродействием.

Идея плоскостного транзистора была первоначально реали-

зована в конструкции сплавного транзистора, О в котором

эмиттерный и коллекторный переходы создавались вплавлением

капелек металла с двух сторон в тонкую пластинку полупровод-

ника (см. рис. 2.1 б).

Сплавные германиевые р-п-р-транзисторы, примером которых мо-

гут служить отечественные приборы серий П13-П16, МП35-МП42,

П210, П213-П217 и др., изготавливались вплавлением капелек индия

(Й мощных транзисторах

—

сплава In+Ga) в пластинки n-Ge толщиной

Около 200 мкм при температуре 500 °С в вакууме или атмосфере

Водорода, а для создания п-р-п-транзисторов использовались, соответ-

ственно, p-Ge и сплав Pb+Sb. При нагревании пластинки металличе-

ский сплав растворяет часть расположенного под ним германия, а после

охлаждения слои рекристаллизованного германия оказываются сильно

Легированными индием, галлием или сурьмой, образуя змиттерную

и коллекторную области. В полученных таким образом транзисторах

минимальная толщина базы составляет ~10 мкм, а характерные диа-

метры эмиттера и коллектора — 0,35-0,5 мм и 0,7-1 мм. Заметим,

что диаметр коллектора в сплавных транзисторах намеренно делается

больше диаметра эмиттера (см. рис. 2.16), чтобы увеличить коэффи-

циент собирания носителей.

Из-за невозможности технологически создать очень тонкую

базу в сплавных транзисторах их рабочая частота обычно не

превышала 5-10 МГц. Необходимость повышения быстродей-

ствия транзисторов привела к разработке дрейфового транзи-

стора (см. подробнее в п. 2.2.2), в котором за счет неодно-

родного легирования в базе транзистора создается встроенное

') Технология создания сплавных р-n-переходов была разработана в начале

50-х годов в фирмах General Electric и RCA. По этой технологии в одной

только фирме Texas Instruments было изготовлено более 10

транзисторов.

146

Гл. 2. Биполярные транзисторы

электрическое поле. *) Дрейф в этом поле ускоряет перенос ин-

жектированных носителей через базу и тем самым увеличивает

быстродействие и коэффициент усиления транзистора* Одним из

способов создания дрейфовых транзисторов является технология

диффузионно-сплавных транзисторов, которая широко исполь-

зовалась в производстве таких отечественных транзисторов как

П401-П403, П416, ГТ308, ГТ313, ГТ322, ГТ806, ГТ905 и др.

В этом способе в пластинку p-Ge

с удельным сопротивлением около

I Ом-см, на поверхности которого

диффузией Sb предварительно

создан тонкий n-слой, вплавляют

металлический сплав Pb+2%Ga+

+ l%Sb, содержащий одновременно

и акцепторную (Ga), и донорную

(Sb) примеси (см. рис. 2.3). После

выдержки пластины в нагретом

состоянии при высокой температуре

(500 °С, 15—30 минут) и после-

дующего охлаждения в кристалле

оказываются сформированными

сильно легированная рекристалли-

зованная область р-типа, служащая

эмиттером, и тонкий слой базы п-

типа, возникший за счет быстрой диффузии сурьмы во время выдержки

пластины при высокой температуре. Этот слой непосредственно

контактирует со слоем n-типа на поверхности, который служит

электрическим контактом к базе. После вплавления и изготов-

ления контакта к базе лишние части поверхностного n-слоя для

уменьшения емкости коллекторного перехода удаляются травлением.

Рабочая частота полученных таким образом транзисторов достигает

~500 МГц, что существенно выше, чем в сплавных транзисторах,

При изготовлении транзисторов по диффузионно-сплавной техно-

логии необходимо иметь в виду, что в Ge коэффициенты диффузии

доноров V группы заметно выше коэффициентов диффузии акцепторов

III группы, поэтому таким способом можно создавать только р-п-

р-транзисторы, В Si соотношение коэффициентов диффузии обрат-

ное, и поэтому диффузионно-сплавная технология годится лишь для

создания n-р-тг-транзисторов. Примером кремниевых транзисторов,

изготовленных по этой технологии, являются отечественные транзи-

сторы П504 и П505.

) Идея дрейфового транзистора была высказана Крёмером в 1953 г.

За большой вклад в развитие современной полупроводниковой электроники

Герберт Крёмер был одним из ученых, удостоенных Нобелевской премии по фи-

зике в 2000 г.

Рис. 2.3. Конструкция диффу-

зионно-сплавного транзистора. / —

вывод эмиттера, 2 — сильно ле-

гированная область эмиттера» 3 —

база, 4 — диффузионный слой п•

типа, 5 — коллектор, 6 — держа-

тель и вывод коллектора, 7 — вы-

вод базы

2.1. История создания и конструкции биполярного транзистора 147

Сплавные и диффузионно-сплавные транзисторы имеют ряд

недостатков. Чтобы рабочее напряжение транзистора было вы-

соким, область коллектора необходимо изготавливать из доста-

точно высокоомного материала. Так как при этом требование

механической прочности не позволяет сделать кристалл тоньше

^100 мкм, сопротивление толщи коллектора оказывается до-

статочно большим, что препятствует созданию мощных тран-

зисторов. Кроме того, довольно длинный путь тока в базе не

позволяет получить низкое сопротивление слоя базы, а это, как

будет показано в п. 2.4, сильно ограничивает высокочастотные

свойства транзистора.

Чтобы уменьшить сопротивление коллектора, в 1960 г. бы-

ла предложена конструкция так называемых эпитаксиальных

транзисторов, в которой на достаточно толстой подложке

из низкоомного материала (n-Si с удельным сопротивлением

~0,01 Ом-см) выращивается эпитаксиальный слой высокоомного

материала, в котором собственно и располагается область про-

странственного заряда коллекторного перехода (см. рис. 2.1 в).

Уровень легирования и толщина этого слоя (2-10 мкм) выбира-

ются исходя из максимального рабочего напряжения транзисто-

ра. В этом слое путем последовательной диффузии акцепторной

и донорной примесей через одну и ту же поверхность (двойная

диффузия) создаются базовая и эмиттерная области, причем

профиль распределения примеси в базе таков, что в ней возни-

кает встроенное электрическое поле, ускоряющее перенос носи-

телей через базу, Заметим, что для транзисторов, изготовленных

Описанным способом, коэффициент собирания носителей близок

к идеальному значению — 100%, поскольку эмиттер и база

транзистора полностью «погружены» в коллектор (см. рис. 2.1 в).

Технология создания эпитаксиальных транзисторов тесно

Мязана с планарной технологией, позволяющей одновременно

Издавать огромное количество транзисторов на поверхности

Пластины полупроводника; об этой технологии мы будем

говорить подробнее в п. 2,8,1. Эпитаксиально-планарная

технология в настоящее время является основой производства

Дискретных транзисторов из кремния и германия. Существен-

но более низкое сопротивление коллектора и возможность

создания на поверхности полупроводника сложной конфи-

гурации контактов предопределяют широкое использование

этой технологии для создания мощных и высокочастотных

транзисторов. Примерами отечественных транзисторов, изготов-

ленных по эпитаксиально-планарной технологии, могут служить

транзисторы КТ315, КТ342, КТ361, ГТ346, КТ3102, КТ603.

148 Гл. 2. Биполярные транзисторы

Поскольку быстродействие транзисторов в значительной сте-

пени ограничивается емкостью коллекторного перехода, допол-

нительным способом увеличения их быстродействия является со-

здание так называемых меза-структур. ') В этом подходе после

формирования в эпитаксиальном слое областей базы и эмиттера

лишние части коллекторного перехода удаляются травлением

(см. рис. 2.4).

б э б

Рис. 2.4. Конструкция эпитаксиального транзистора с меза-структурой. 1,2 —

диффузионные области эмиттера и базы, созданные в эпитаксиальном слое,

3 — эпитаксиальный слой f-типа (высокоомная часть коллектора), 5 — омиче-

ский контакт, 6 — держатель кристалла

Таким образом создаются отечественные транзисторы

КТ814-КТ817, КТ903, КТ940.

2.2. Параметры, определяющие коэффициент

усиления транзистора

Из описанного выше принципа действия биполярного тран-

зистора следует, что его коэффициент усиления зависит от трех

факторов: эффективности инжекции неосновных носителей из

эмиттера в базу, эффективности переноса носителей через базу

и эффективности собирания продиффундировавших носителей

коллектором. Последнее, как мы видели в п. 2.1, определяется

геометрией и взаимным расположением эмиттера и коллектора

в транзисторе. В этом разделе мы подробно проанализируем, от

каких параметров полупроводника и размеров структуры зависят

первые два фактора — эффективность инжекции эмиттера и

эффективность переноса носителей через базу.

) Название структуры происходит от испанского слова mesa — столовая

гора. Так геологи называют горы с плоской вершиной, распространенные на

юго-западе США, — там, где создавалась «кремниевая долина».

2.2. Параметры, определяющие коэффициент усиления транзистора 149

3 v

2.2.1. Коэффициент инжекщш эмиттера. Для опреде-

ленности рассмотрим транзистор со структурой п-р-п, находя-

щийся в рабочем режиме, когда на эмиттерный переход подано

прямое смещение Vfc, > 0, а на коллекторный — обратное сме-

шение V

<0 (см. рис. 2.2 в). Чтобы рассчитать коэффициент

инжекции эмиттера, нам надо найти стационарное распределение

инжектированных носителей в базе транзистора. При низком

уровне инжекции это распределение является решением уравне-

ния непрерывности, -

А* _ щ-пы

= 0 (21)

ОХ Тп

£ Граничными условиями .у -

Пб(0) -Пбоехр ( -^j ,

'•tiji краю эмиттерного р-п-перехода, и

Да краю коллекторного перехода. Здесь ngo = n? /— равно-

весная концентрация неосновных носителей в базе транзистора,

' a JV

— концентрация акцепторов в базе. Указанные гранич-

Ные условия похожи на условия, которые мы использовали при

изучении короткого диода (см. п. 1.2.1), и отличаются от них

только вторым граничным условием, которое имеет такой вид

цотому, что на коллектор подано обратное смещение (Ve

< 0)

М он вытягивает все неосновные носители, приближающиеся

^ коллекторному переходу. Через W' мы обозначили толщину

Нейтральной области базы, которая, очевидно, меньше геомет-

" ческой толщины базы W на толщину располагающихся в ней

астей пространственного заряда эмиттерного и коллекторного

n-переходов. Таким образом, W' зависит от напряжения сме-

шения на этих переходах.

1 Решение уравнения (2.1) с указанными граничными услови-

ями имеет вид

* ' '

„ ,, J . sh(g/L

)

(

Bh[{W'- х)/L

]

sh.(W'/L

)

ехр

(2.2)

„ ,, 0 Как мы покажем в п. 2.2.5, следствием этой зависимости будет изме-

нив коэффициента усиления транзистора при изменении напряжения на

'*Ьяяекторе.

150 Гл. 2. Биполярные транзисторы

где L

= Y/D

— диффузионная длина электронов. В прак-

тически важном случае тонкой базы (W' «С L

) это решение

сводится к следующему:

.. W'-x fqV

A ....

ne(x) ю n

60 w

ехр f — J . (2.3)

В этом случае плотность диффузионного тока электронов, те-

кущего из эмиттера в базу, определяется уравнением, похожим

на уравнение (1.33) для диффузионного тока в р-п-переходе

с короткой базой:

Отрицательный знак тока означает, что ток течет в направлении,

противоположном

Направлению

оси х, в соответствии с поляр-

ностью приложенного к эмиттерному переходу смещения (плюс

на базу транзистора).

Из базы в эмиттерную область толщиной х

«С Ь

течет ток

дырок, плотность которого определяется уравнением (1.33):

ьр

Ой

•

! Л

•

9 ^

1 1 . 1

1 2

глубина, мкм

«ъ

Ъ0

Рис. 2.5. Профили легирования п-р-п-транзистора: а — идеальный профиль,

б — реальный профиль дрейфового транзистора

Отношение тока носителей, инжектируемых из эмиттера в ба-

зу, к полному току эмиттерного р-п-перехода называют коэф-

фициентом инжекции эмиттера и обозначают буквой 7. Если

2.2. Параметры, определяющие коэффициент усиления транзистора 151

рренебречь всеми другими (генерационно-рекомбинационным,

туннельным) механизмами протекания тока через переход

и рассматривать только диффузионную компоненту, то из

уравнений (2.4) и (2.5) следует, что величина 7 определяется

соотношением концентраций примесей в эмиттере (ЛГ<ь) и базе

(#об), соотношением коэффициентов диффузии электронов

И дырок (D

, Dp) и соотношением толщин базы и эмиттера

(W, Я?»):

\ /Л с\

" Jn» + Jp, " Dp И

^об '

' '

Dn х

При конструировании транзисторов толщины эмиттера и ба-

зы и их уровни легирования подбираются таким образом, чтобы

Сделать коэффициент инжекции как можно более высоким. Как

следует из формулы (2.6), для этого эмиттер должен быть леги-

>ван значительно сильнее, чем база (см. рис. 2.5). Произведение

об» стоящее в этой формуле и представляющее собой полное

%сло акцепторов в базовой области единичной площади, называ-

ет числом Гуммеля Qr- Хотя соотношение (2.6) было получено

Ьами для однородно легированной базы, можно показать [14],

что оно справедливо и для произвольного (неоднородного) про-

филя легирования базы, если вместо W'N^ в нем использовать

число Гуммеля

Qr = J N

(x)dx.

s 0

4 s

Поскольку в современных транзисторах коэффициент усиления

Транзистора по току /3 = dI

/dIg определяется в основном коэф-

фициентом инжекции 7, то величина /3 изменяется пропорцио-

нально Qp

Казалось бы, как следует из формулы (2.6), для увеличения 7

Следует как можно сильнее легировать область эмиттера. Однако

эксперимент показывает, что при высоком уровне легирования

эмиттера 7 начинает уменьшаться и связано это с проявлением

Двух побочных физических явлений.

Первое из этих явлений — сужение запрещенной зоны в силь-

но легированном полупроводнике.

) Расчеты в работе [111],

) Этот эффект возникает из-за того, что в полупроводнике с высокой

концентрацией свободных носителей собственная электростатическая энергия

заряженных частиц из-за экранирования оказывается меньше, чем в отсутствие

экранирования. Поэтому для рождения электронно-дырочной пары в таком