Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

Подождите немного. Документ загружается.

152

/л. 2. Биполярные транзисторы

неплохо согласующиеся с экспериментом, показывают, что вели-,

чина этого сужения составляет

ЛЯ, =

4 eb

где Ld — дебаевская длина экранирования (см. формулу на

с. 16). При Nd = 10

см

-3

в кремнии ДЕ

и 70 мэВ. В ре-

зультате этого эффекта эмиттерный переход по своим свойствам

становится похожим на гетеропереход, в котором с ростом кон-

центрации примеси N(k облегчаются условия для нежелательно-

го направления инжекции — из базы в эмиттер, и формула (2.6)

будет иметь вид

«Л» 1

<рэ ,

"Р -

г ехр

_ *

JNS

+ ЛЭ " . . D

NAB

7АЁ

{

(2.7)

N<B

Второе явление состоит в уменьшении времени жизни в сильно

легированном эмиттере из-за проявления Оже-рекомбинации.

]

)

С увеличением уровня легирования диффузионная длина дырок

в эмиттере уменьшается и когда она сравнивается с толщиной

эмиттера, дырочная составляющая тока насыщения начинает

быстро возрастать. Максимальное значение 7 в кремниевых при-

борах достигается при уровне легирования эмиттера ~10

см"

Поэтому при создании транзисторов со сверхвысоким коэффици-

ентом усиления (0 — 1000 и выше) увеличивать 7 можно лишь

уменьшая концентрацию легирующих примесей в базе транзи-

стора.

Отметим, что на коэффициент инжекции эмиттера сильное

влияние оказывают также материал и способ создания контакта

полупроводнике требуется меньшая энергия, что и отражается в уменьшении

[111].

') Напомним, что Оже-рекомбинация является процессом, при котором

энергия, выделяющаяся при рекомбинации электронно-дырочной пары, переда-

ется третьей частице — электрону или дырке, Этот процесс по сути является

обратным процессу ударной ионизации (здесь ре комбинирующие электрон и

дырка рождают горячий носитель, а там горячий носитель рождал электронно-

дырочную пару). Темп Оже-рекомбинации пропорционален вероятности од-

новременной встречи трех частиц, т. е. R ~ п

р в образцах n-типа и Я ~

~ пр

в образцах р-типа, откуда следует, что времена жизни неравновесных

носителей изменяются как т

~ 1/тг

и т

~ 1/р* В кремнии с концентрацией

носителей 10

см

-3

времена жизни относительно Оже-рекомбинации состав-

ляют т

« 10"

с и т

«4 • КГ

с [87],

ж?.

с у.>

2.2. Параметры, определяющие коэффициент усиления транзистора 153

1С

эмиттеру.

) Дело в том, что величина Jj* зависит от гра-

ничных условий на контакте, которые различны для разных

способов изготовления контактов. Так, при создании контактов

ft эмиттеру из силицидов металлов (см. с. 99) величина 7 обычно

уменьшается, поскольку некоторая часть кремния из области

эмиттера уходит на химическую реакцию образования силицида

II толщина эмиттера х

уменьшается. При использовании кон-

тактов из сильно легированного поликристаллического кремния,

Наоборот, величина 7 обычно возрастает, поскольку граница,

На которой концентрация неравновесных носителей обращается

it нуль, отодвигается от р-п-перехода. Поэтому в транзисторах

с контактами из поликристаллического кремния удается полу-

чить коэффициенты усиления, в 3-7 раз более высокие, чем

^транзисторах с обычными контактами [58].

Среди других способов увеличения коэффициента инжекции эмит-

тера следует отметить использование в качестве эмиттера гетеропере-

ИЙДД или варизонной структуры, для которых характерен односторон-

ней характер инжекции (см. п. 1.6.1). Реализовать эту идею долгое

юемя мешала довольно высокая плотность дефектов на гетерогранице,

&орая приводила к большому генерационно-рекомбинационному току

йрепятствовала эффективной инжекции. Тем не менее, в опытных

образцах этих так называемых гетеропереходных транзисторов в си-

1йгеме GaAs-Al

Gai-

As удалось получить коэффициент усиления

«<50000 [112]. В настоящее время налажен широкий промышленный

|М1уск СВЧ транзисторов на основе гетеропереходов Si-Sii_

Ll*Qai-

As~GaAs, Ini-*Ga

P-GaAs и InP-In

Gai_

As (см. подроб-

лю 2.4.2).

^ Другая интересная идея, обсуждаемая Шуром [87], заключается

^пользовании для создания эффективной инжекции различие в

оятности туннелирования электронов и дырок через потенциальный

ьер на границе эмиттера и базы (так называемый биполярный

Щранзистор с туннельным эмиттером). По-видимому впервые эта

была реализована де Граафом и де Гроотом в 1979 г.; авторы

14» изготовлении кремниевых транзисторов вводили между контактом

Щ поликристаллического кремния и монокристаллическим эмиттером

$ф*кий (20-40 А) слой диэлектрика, толщина которого подбиралась

Щк

чтобы падение напряжения на барьере не превышало кТ. Этот

барьер эффективно пропускал электроны с малой эффективной массой,

но практически не пропускал дырки с большой эффективной массой,

что приводило к существенному увеличению эффективности инжекции

'Эмиттера [62].

О При создании интегральных схем материал контакта может одновремен-

но использоваться и для осуществления всех необходимых соединений между

элементами.

154

Гл. 2. Биполярные транзисторы

2.2.2. Коэффициент переноса носителей через базу.

Другим фактором, влияющим на коэффициент усиления

транзистора, является эффективность переноса носителей через

базу. Эта величина характеризуется коэффициентом переноса

носителей через базу ат> который определяется как отношение

приращения потока инжектированных носителей на выходе базы

(при х — W') к вызвавшеему его приращению потока на ее входе

(при х = 0). Дифференцируя полученное выше выражение для

распределения электронов в базе (уравнение (2.2)), находим О

ат

ch(w/L

) ~

- 2\T:) •

Коэффициент переноса через базу оказывал существенное вли-

яние на коэффициент усиления только в первых конструкциях

транзисторов, в которых база была достаточно толстой. В со-

временных транзисторах с тонкой базой коэффициент от очень

близок к единице. Например, для W' = 1 мкм и L

= 30 мкм из

формулы (2.8) получаем а

= 0,9995. Поэтому можно считать,

что в современных приборах коэффициент переноса носителей

через базу не является фактором, ограничивающим коэффициент

усиления транзистора.

Как мы говорили в п. 2.1, для увеличения коэффициента

усиления и быстродействия в свое время была предложена кон-

струкция так называемого дрейфового транзистора, в котором

за счет специфического профиля легирования базы, создаваемого

при изготовлении транзистора, в базе возникает встроенное

электрическое поле. Дрейф в этом поле убыстряет прохождение

инжектированных носителей через базу и тем самым дополни-

тельно увеличивает коэффициент ат, еще более приближая его

к единице.

) Типичный профиль легирования базы дрейфового

транзистора показан на рис. 2.5б. Создать такой профиль можно

различными способами, например, путем одновременной диффу-

зии доноров и акцепторов в полупроводник, используя различие

коэффициентов диффузии примесей (об этом методе, называемом

двойной диффузией, мы уже говорили на с. 147); в качестве

') Определение коэффициента ост через приращения необходимо, чтобы ис-

ключить стационарную неоднородность в распределении неосновных носителей

в базе, которая возникает даже в отсутствие инжекции из-за того, что на

коллектор подано отрицательное смешение и из базы постоянно происходит

экстракция неосновных носителей.

Ь Оценка степени влияния встроенного электрического поля на движение

носителей будет дана нами на с. 166.

• *

2.2. Параметры, определяющие коэффициент усиления транзистора 155

Примесей для создания кремниевых транзисторов обычно

используют As, Р (доноры) и В (акцептор).

) В настоящее

время такой профиль легирования создается практически во

•всех биполярных транзисторах. Его основной целью является

увеличение быстродействия транзисторов (о высокочастотных

свойствах транзисторов мы будем говорить в п. 2,4).

2.2.3. Эффективность инжекции при очень малых и

очень больших токах. До сих пор мы полагали (следуя Шок-

ли [3]), что весь ток через эмиттерный р-п-переход определяется

инжекцией. Однако, как было показано в п. 1.2.2, в полупровод-

никах с достаточно широкой запрещенной зоной (в частности,

в Si) это не так, и при малых прямых напряжениях смещения

в р-n-переходе определяется рекомбинацией в области про-

странственного заряда, Поскольку этот ток не сопровождается

.инжекцией носителей, то существование этой компоненты тока

#*гоке эмиттерного перехода будет уменьшать коэффициент ин-

Жекции эмиттера 7 и, в конечном счете, снижать коэффициент

усиления транзистора (3 [6]. Описать влияние тока рекомбина-

ции на коэффициент инжекции мы можем, добавив его плот-

ность J

peK

в знаменатель формулы (2.6).

?> :

При малых напряжениях смещения Vfo зависимость стати-

ческого коэффициента усиления от тока коллектора можно

Шатко рассчитать. Учитывая, что Jpe

J„

, Jр», а токи коллек-

тора и базы равны

Ы ОТ^ЛЭ ~

-ЛЮ»

J& =•

JPEK

+ (1 —

<*RJNЭ)

</Р»

JPE

щ найденных нами ранее зависимостей этих токов от напряже-

ния смещения (формулы (1.29) и (1.39)),

JpeK ~ ' ~

еХ

Р •

следует, что

a J

Jna

Дет = -=- « -J ехр

j(l-]/m) (2.10)

*) Каждая из этих примесей имеет свои индивидуальные особенности

Диффузии, которые необходимо учитывать при изготовлении приборов. Так,

Появление ступеньки в области высокой концентрации примеси (см. рис. 2.5 6)

является характерной особенностью диффузии фосфора и связано с образова-

нием комплексов примесь-вакансия в приповерхностном слое кремния.

156 Гл. 2, Биполярные транзисторы

Такая зависимость FI{J

) действительно наблюдается в биполяр-

ных транзисторах в области малых токов (см. рис. 2.6).

h, А

Рис. 2.6. Зависимость коэффициента усиления транзистора /3 от тока коллек-

тора [14]

При высоком уровне инжекции эффективность инжекции

эмиттера также не остается постоянной. Когда концентра-

ция инжектированных в базу носителей оказывается выше

концентрации примесей в базе (пб(0) > ЛГоб)> Для компенса-

ции электрического заряда инжектированных электронов в ба-

зу из контакта подходят дырки. Как мы видели в п. 1.2.3,

в этом случае ток инжекции электронов из эмиттера в базу (и»

следовательно, ток коллектора) изменяется с напряжением как

exp(qVfa/2kT), а ток базы, который при ат ~ 1 определяется то-

ком инжекции дырок из базы в эмиттер, продолжает изменяться

как exp(qVfa/kT). Поэтому

~ •*>{-'$) ~

(2Л1)

Эта зависимость действительно соответствует зависимости, на-

блюдаемой в эксперименте в области больших токов коллектора

(см. рис. 2.6). О Уменьшение /З

ст

с ростом уровня инжекции

) Как мы уже

отмечали

на с. 25, высота потенциального барьера, который

преодолевают инжектируемые электроны и дырки в р-тг-переходе, одинакова,

и поэтому отношение токов электронов и дырок пропорционально отношению

их концентраций в электронейтральных областях. В условиях высокого уровня

инжекции концентрация носителей в базе увеличивается, при этом доля тока,

текущего из базы в эмиттер, также возрастает, что и приводит к уменьшению

коэффициента инжекции эмиттера 7. Из этого объяснения сразу же следует,

что в транзисторах, эмиттерным переходом в которых является гетеропереход,

понижение эффективности инжекции с ростом плотности тока должно отсут-

ствовать.

% ***

2.2. Параметры, определяющие коэффициент усиления транзистора 157

ограничивает максимальную плотность тока, при которой тран-

вистор сохраняет свои усилительные свойства. Детальные рас-

петы (см. [11]) показывают, что изменение уровня легирования

фазы не оказывает влияния на этот эффект. Поэтому мощные

{сильноточные) транзисторы неизбежно должны иметь большую

площадь.

базовый

контакты к базе

база

-^контакт

эмиттер

база

эмиттерный

контакт

,коллектор

эмиттер

эмнттер база

коллектор

".йч".коллекторный контакт

У коллектор

коллекторный контакт

1с. 2.7. а — схема эпитаксиально-планарного п-р-п-транзистора, на которой

Щргёзаны линии тока дырок в базе; б — вид сверху и поперечное сечение

трукции транзистора с гребенчатым расположением выводов эмиттера и

базы

На уменьшение коэффициента усиления при высокой плотно-

^ти тока может влиять и эффект Кирка — эффект эффективного

!личения толщины базы в эпитаксиальных транзисторах с ро-

плотности тока. Так как этот эффект существенно ухудша-

быстродействие транзисторов, мы рассмотрим его в п. 2.4.1.,

Священном высокочастотным свойствам транзисторов.

& 2.2.4. Эффект оттеснения эмиттерного тока. В приве-

Я№нных выше расчетах мы пренебрегали падением напряжения

Щш протекании тока через области биполярного транзистора,

Имеющие конечное сопротивление, и считали, что ток в тран-

зисторе течет однородно по всей площади структуры. Однако

•"Действительности это не так.

^ ' На рис. 2.7,а показано распределение линий тока дырок в ба-

* типичного эпитаксиального п-р-п-транзистора. Видно, что

адотность линий тока в различных частях базы различна и

Максимальна вблизи краев эмиттера. Это является следстви-

** достаточно большого удельного сопротивления материала

158

Гл. 2. Биполярные транзисторы

базовой области. Поскольку падение напряжения между кон-

тактом к базе и разными точками эмиттерного перехода из-за

разного расстояния до этих точек оказывается различным, то и

локальное напряжение смещения эмиттерного перехода в этих

точках различно, что и порождает неоднородность эмиттерно-

го тока. Этот эффект получил название эффекта оттеснения

(«сжатия*) эмиттерного тока. Очевидно, что указанный эф-

фект должен проявляться особенно сильно в приборах, работаю-

щих при высокой плотности тока — мощных транзисторах [11].

Кроме того, конечное сопротивление базы оказывает существен-

ное влияние и на свойства высокочастотных транзисторов, в ко-

торых для получения максимального быстродействия толщина

базы делается особенно тонкой (~0,1 мкм) и приходится прини-

мать все меры по уменьшению длины линий тока в базе транзи-

стора (см. п. 2.4). Чтобы в этих транзисторах сопротивление ба-

зы оставалось достаточно низким, концентрацию примесей в базе

высокочастотных транзисторов приходится увеличивать и поэто-

му эти транзисторы характеризуются сравнительно небольшим

коэффициентом усиления (/3 ~ 50).

Для уменьшения сопротивления базовой области и ослаб-

ления эффекта оттеснения эмиттерного тока было предложено

создавать эмиттер в виде длинных узких полосок и использовать

гребенчатое расположение выводов эмиттера и базы (рис. 2.76).

В такой геометрии, благодаря большому периметру контактов,

эффективную длину линий тока в базе удается существенно со-

кратить. В современных СВЧ транзисторах ширина эмиттерных

а71пслк,лос^.г^лт_0.4г.0.5, мкм.

2.2.5. Влияние напряжения на коллекторе на коэффици-

ент усиления. Уже первые исследования плоскостных транзи-

сторов показали, что на их выходных характеристиках наблюда-

ется заметное увеличение тока коллектора с ростом напряжения

на коллекторе при фиксированном токе базы (см. рис. 2.8). Эр-

ли [113] первым объяснил причину такого поведения и с тех пор

этот эффект носит его имя. Эффект Эрли состоит в возрастании

статического коэффициента усиления транзистора Р

СТ

— J

/Jg

с увеличением напряжения на коллекторе. Причиной этого из-

менения является уменьшение толщины нейтральной области

базы W' с ростом напряжения на коллекторе в результате рас-

ширения той части области пространственного заряда коллек-

торного р-п-перехода, которая заходит в базу. Уменьшение W'

приводит к двум эффектам: 1) увеличению градиента концен-

трации инжектированных в базу носителей, что проявляется

2,2. Параметры, определяющие коэффициент усиления транзистора 159

Рис. 2.8. Проявление эффекта Эрли в выходных характеристиках транзистора

в схеме с общим эмиттером

в увеличении коэффициента инжекции эмиттера 7 (см. форму-

лу (2.6)), и 2) уменьшению времени пролета носителей через

~#азу, что отражается в увеличении коэффициента переноса но-

сителей ат (см. формулу (2.8)). Оба эффекта приводят к увели-

чению коэффициента усиления транзистора,

л - Увеличение градиента концентрации инжектированных в базу

»Ьсителей при постоянном напряжении смещения Vfc,

результате

уменьшения W' приводит еще к одному следствию: понижению

Напряжения необходимого для поддержания постоянного

тока коллектора, при увеличении напряжения на коллекторе.

Очевидно, что наиболее ярко эффект Эрли должен прояв-

ляться в транзисторах с тонкой и слабо легированной базой,

Которых относительное изменение толщины KW/W при из-

менении напряжения на коллекторе особенно велико. Поскольку

Эффект Эрли отрицательно влияет на усилительные свойства

Транзистора (в конечном счете он определяет максимальный ко-

эффициент усиления по напряжению, который можно получить

;

помощью транзистора), то эффект Эрли обычно стремятся

Ослабить. Для этого концентрацию примеси в коллекторе стара-

ются сделать заметно ниже концентрации примеси в базе с тем,

Чтобы область пространственного заряда коллекторного перехо-

i^a располагалась бы в основном в области коллектора. Таким

образом, для получения высоких усилительных характеристик

транзистора в нем необходимо обеспечить следующий профиль

легирования: N

» jV

» N

(см. рис. 2.5).

Хотя расчеты предсказывают нелинейную зависимость

/k(V

) при фиксированном токе базы, тем не менее, экстраполи-

руя линии семейства выходных вольт-амперных характеристик

транзистора (см. рис. 2.8), можно найти точку, к которой

160

Гл. 2. Биполярные транзисторы

сходятся все экстраполированные линии. Эта точка называет-

ся напряжением Эрли Значение напряжения Эрли близко

к напряжению прокола базы (см. п. 2.3).

—cz>

2.3. Транзистор при высоком напряжении на

коллекторе

При высоком напряжении на коллекторе напряженность элек-

трического поля в коллекторном р-п-переходе может достигнуть

столь высоких значений, что в нем начнет происходить лавинное

умножение носителей. Рассмотрим, как это умножение будет

влиять на вольт-амперные характеристики транзистора.

Если транзистор

включен в электриче-

скую схему так, что

внешнее напряжение

приложено между базой

и коллектором, то ток

коллекторного р-п-пе-

рехода будет изменять-

ся с напряжением точно

так же, как в обычном

р-п-переходе (правая

кривая на рис. 2.9), то

есть обратный ток кол-

лектора /

к0

(создавае-

мый током неосновных

носителей, возбуждае-

мых в области коллек-

тора и затягиваемых

полем коллекторного

перехода) в предпро-

бойной области умно-

(Кров)

проб

Рис. 2.9. Вольт-амперные характеристики

транзистора в схемах с оборванной базой (сле-

ва) и оборванным эмиттером (справа).

жается в М раз, а напряжение лавинного пробоя V

np0

(отвечающее условию М —* оо, см. п. 1.3,1) определяется

концентрацией примеси в области коллектора (напомним,

что для ослабления эффекта Эрли база транзистора обычно

легируется сильнее, чем коллектор),

Для транзистора, включенного в схему так, что внешнее

напряжение приложено между эмиттером и коллектором (см.

левую часть рис. 2.9), ситуация качественно изменяется, по-

скольку в этом случае транзистор усиливает, втекающий в цепь

базы обратный ток коллектора. Теперь в область лавинного

2.3. Транзистор при высоком напряжении на коллекторе

161

умножения попадают не только неосновные дырки, приходящие

туда из коллектора (для определенности мы говорим о транзи-

сторе со структурой п-р-п), но и электроны, которые инжек-

тируются эмиттером (прямое смещение на эмиттерном переходе

создается втекающим в базу обратным током коллектора). Что-

бы найти условия пробоя транзистора в этом случае, запишем

выражение для тока коллектора,

= М(1

к0

+ а1

и учтем, что при оборванной базе 1

= 1

. Подставляя одно

уравнение в другое, получаем

7к = 7э =

Г^м

/к0

(212)

Из этой формулы следует, что пробой транзистора с оборван-

ной базой будет происходить по достижении условия М = 1/а,

то есть при намного меньших напряжениях, чем пробой транзи-

стора с оборванным эмиттером (см. рис. 2.9).

Для оценки напряжения пробоя п-р-п-транзистора в схеме с обо-

рванной базой используем полученное нами ранее выражение (1.75)

для зависимости коэффициента умножения М от напряжения V,

МК

(2ЛЗ)

I •

где VJ,

6 — напряжение пробоя коллекторного перехода (отвечающего

условию М

—>

оо), а параметр т « 4 для дырок в Si (см. с. 51). Тогда

из условия М = 1/а для напряжения пробоя в рассматриваемой схеме

(с общим эмиттером) находим

(К

РТ

Б)

Э = К

РОБ

(1-А)

. (2.14)

Для транзистора с а = 0,99 при гп = 4 получаем

(Кроб) Од

КЗ 0,32У

ПР0

Б,

то есть напряжение пробоя транзистора с оборванной базой значитель-

но ниже, чем напряжение пробоя коллекторного перехода.

Чтобы предотвратить пробой транзисторов при их работе в клю-

чевых схемах типа импульсного стабилизатора напряжения, в которых

управляющий сигнал подается в цепь базы транзистора, между вывода-

ми базы и эмиттера включают небольшое сопротивление утечки, чтобы

при выбросах напряжения на коллекторе обратный ток коллектора мог

•стекать» через вывод базы, не открывая эмиттерный переход. С похо-

жим решением мы встретимся в п. 3.1.1 при обсуждении конструкции

тиристора с закороченным катодом.

6 А.И. Лебедев