Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

Подождите немного. Документ загружается.

182

Гл. 2. Биполярные транзисторы

2.6. Шумы в биполярных транзисторах

Широкое использование транзисторов в схемах усиления

электрических сигналов поставило задачу определения наимень-

ших величин сигналов, которые еще могут быть измерены или

усилены в условиях неизбежных для электронных схем шумов —

флуктуаций напряжения и тока. По причинам возникновения

шумов и их свойствам шумы принято подразделять следующим

образом (49, 133]:

1. Тепловой шум.') Он возникает в любом проводнике элек-

трического тока и связан с хаотичным движением подвижных

носителей заряда, в результате которого на контактах образца

появляются флуктуации напряжения. Средний квадрат напряже-

ния этого шума зависит только от активного сопротивления R

и температуры Т образца и может быть рассчитан по формуле

Найквиста:

= AkTRAf, (2.27)

где к — постоянная Больцмана, а Д/ — полоса частот, в которой

проводятся измерения. Спектральная плотность теплового шума

/А/ остается постоянной вплоть до частоты /

= kT/(2nh).

При 300 К /

йб - 10

Гц.

2. Дробовой шум. ЭТОТ вид шума связан с дискретной при-

родой электрического заряда и обусловлен тем, что при протека-

нии некоторого тока число электронов, пересекающих заданную

границу за заданный интервал времени, всегда дискретно и

испытывает статистические флуктуации. Если движение отдель-

ных зарядов независимо, то средний квадрат флуктуаций тока

определяется только величиной протекающего тока I и рассчи-

тывается по формуле Шоттки:

ij = 2qIAf, (2.28)

где q — заряд электрона. Спектральная плотность дробового

_ 2

шума г

/Д/ остается постоянной до частоты, равной /

= 1/27ГТ, где т — время пролета. В электронных лампах f

обычно составляет ~100 МГц; в полупроводниковых приборах

с малым временем пролета эта частота еще выше.

3. Фликкер-шум. Этот вид шума, также называемый из-

быточным или мерцающим шумом (от английского flicker —

') В зарубежной литературе этот вид шума также называют джонсонов-

ским по имени Дж. Джонсона, который в 1928 г. экспериментально установил

закономерности этого шума.

2.6. Шумы в биполярных транзисторах 183

мерцать), отличается от рассмотренных выше шумов сильной

частотной зависимостью его спектральной плотности, которая

часто имеет вид 1//

, где а » 1. ЭТОТ шум проявляется только

при протекании тока через образец. Причинами возникновения

избыточного шума являются процессы генерации-рекомбинации

в полупроводнике (флуктуации концентрации свободных носи-

телей приводят к флуктуациям проводимости образца), поверх-

ностные шумы, шумы утечки, контактные явления (флуктуации

сопротивления контактов). Рассмотрим некоторые виды избыточ-

ного шума более подробно.

Генерационно-рекомбинационный шум вызван флуктуация-

ми концентрации свободных носителей заряда, которые появ-

ляются и исчезают в полупроводнике в результате процессов

генерации и рекомбинации. Спектральная плотность вызванных

Этими процессами флуктуаций тока через образец в общем слу-

чае имеет вид

SM = 4 AN* '

, (2.29)

где /о — средняя величина тока, Л

о - среднее число носителей

ё'образце, AN

— мощность их флуктуаций, т — время жизни

Носителей, ш = 2тг/. В ряде практически важных случаев эта

формула сводится к формуле

= -ггт? . (2,30)

NQ 1 -F U

где величина 0 определяется видом уравнений, описывающих

Кинетику процессов генерации и рекомбинации [134]. В част-

ности, в собственном полупроводнике без глубоких уровней и

в.некомпенсированном примесном полупроводнике при низкой

температуре 0 = 1/2, а в компенсированном полупроводнике при

низкой температуре 0=1.

Поверхностный шум возникает вследствие генерационно-

рекомбинационных процессов, идущих с участием поверхност-

ных состояний.

' '

Изучение частотных зависимостей эффекта поля, позволившее ис-

следовать кинетику экранирования внешнего электрического поля по-

верхностными состояниями» показало, что на поверхности полупро-

водника имеются два типа уровней, резко различающихся временами

релаксации [135], Первые из них, называемые «быстрыми* поверх-

ностными состояниями, имеют характерное время перезарядки с

и наблюдаются даже на атомарно-чистых поверхностях, сколотых

184

Гл. 2. Биполярные транзисторы

в сверхвысоким вакууме. Поэтому эти состояния связывают с оборван-

ными связями на поверхности кристалла. «Медленные* поверхностные

состояния, появляющиеся на поверхностях, покрытых окисной пленкой

или адсорбированными молекулами, характеризуются временами пере-

зарядки от единиц миллисекунд до нескольких часов. В рекомбина-

ционных процессах медленные поверхностные состояния проявляются

в основном как центры захвата (ловушки), а быстрые — как центры

поверхностной рекомбинации.

Перезарядка медленных состояний в результате захвата на них

и выброса с них носителей заряда приводит к изменению локаль-

ных электрических полей, которые вызывают модуляцию проводимости

приповерхностного слоя полупроводника и одновременно влияют на

скорость поверхностной рекомбинации. Эти изменения проводимости

и времени жизни и являются причиной возникновения поверхностного

шума, Предполагая, что уровни медленных состояний равномерно рас-

пределены по толщине окисла и обмениваются носителями с зонами

путем туннелирования, удается объяснить основные закономерности

этого шума — его слабую зависимость от температуры и частотную

зависимость его спектральной плотности, близкую к 1// [49].

Поверхностный шум очень чувствителен к состоянию атмосфе-

ры, окружающей полупроводник (например, шум резко возрастает во

влажной атмосфере). Причиной этого являются процессы адсорбции-

десорбции, идущие на поверхности полупроводника. Вклад этих про-

цессов в поверхностный шум может быть значительно снижен путем

соответствующей обработки поверхности.

Поверхностный шум особенно сильно проявляется в полевых тран-

зисторах с изолированным затвором (см. гл. 4). Однако имеются убеди-

тельные доказательства и того, что появление фликкер-шума в диодах

и биполярных транзисторах также связано с поверхностным шумом —

флуктуациями скорости поверхностной рекомбинации в местах выхода

р-п-переходов на поверхность.

В р-п-переходах из-за приповерхностного изгиба зон по периметру

перехода может возникать тонкий слой, тип проводимости которого

противоположен типу проводимости в объеме полупроводника. Нали-

чие этого слоя приводит к появлению тока утечки, который быстро

возрастает с увеличением обратного смещения. Флуктуации тока утеч-

ки создают шум утечки, который сильно зависит от окружающей

атмосферы. Этот шум обычно незаметен при прямых смещениях, но

может оказаться очень сильным при высоких обратных напряжениях.

Надлежащая обработка поверхности позволяет ослабить шум утечки

до такой величины, которую можно не учитывать при невысоких об-

ратных смещениях.

Для того, чтобы найти оптимальный (в смысле уровня шума)

режим работы транзистора, рассмотрим эквивалентную схему

шумов транзисторного усилителя (см. рис. 2.18). Для простоты

ограничимся анализом случая средних частот, когда взаимной

корреляцией различных источников шума (которая проявляется

2.6. Шумы в биполярных транзисторах

185

•ш.и

Гб

*ш

' i •

Рис. 2.18. Эквивалентная схема шумов биполярного транзистора в области

средних частот

•'

jia высоких частотах) можно пренебречь, а уровень фликкер-

|цума (который проявляется на низких частотах) уже сравни-

тельно мал.

) Будем считать, что коэффициент усиления схе-

|Ш достаточно велик, так что вкладом шумов, возникающих

коллекторной цепи транзистора, и шумов последующих кас-

ов в общий шум можно пренебречь. В схеме, показанной

а рисунке, транзистор характеризуется двумя источниками шу-

генератором напряжения е

, включенным последовательно

выводом входной цепи идеального (бесшумного) усилителя,

^Генератором тока г

, включенным параллельно входной цепи.

Щёличина шумового напряжения е

= уё

определяется дву-

мя источниками шума: тепловым шумом, генерируемым в базе

Транзистора (сопротивление которой равно г

), и дробовым шу-

дом тока эмиттера, флуктуации которого выделяются на диффе-

диальном сопротивлении эмиттерного перехода г

kT/qI

.редний квадрат амплитуды последнего напряжения равен

С.

ч •

= г

•

2д/

А/,

'' то есть его величина эквивалентна тепловому шуму, возни

кающему на сопротивлении, равном г

/2. Поэтому

кТ

(г

+ у) Д/ - 4

кТ +

| Д/. (2.31)

.Г •

Шумовой ток г

= определяется флуктуациями тока во

входной цепи. Для транзистора, включенного по схеме с ОЭ,

Квадрат флуктуаций тока базы равен

' ~ (2.32)

Т 2

im = 2 qhAf = 2q-±Af,

кет

где /З

ст

— коэффициент усиления транзистора по току в схеме

с ОЭ.

*) Подробный анализ шумовых характеристик транзисторов в широкой об-

ласти частот можно найти в работе [49].

186 Гл. 2. Биполярные транзисторы

Протекание этого шумового тока через сопротивление источ-

ника сигнала Я

и сопротивление базы Гб вызывает дополни-

тельное падение напряжения на этих сопротивлениях, Поэтому

квадрат эффективного напряжения шума транзистора, приложен-

ного ко входу усилителя, равен

^ = el + (R„+r

ft. (2.33)

Отношение квадрата напряжения полного шума (определяе-

мого и источником сигнала, и усилителем) к квадрату напряже-

ния теплового шума источника сигнала (который характеризует-

ся напряжением шума е

) называется коэффициентом шума

{шум-фактором) усилителя и равно

*-ш.и

и J

Эта величина характеризует, насколько сильно шумы реального

транзистора ухудшают отношение сигнал/шум. Иногда вместо

коэффициента шума используется понятие температуры шума,

которая вычисляется по формуле 300(F — 1) и выражается в

градусах Кельвина.

Найдем теперь условия получения минимального коэффици-

ента шума в усилителе на биполярном транзисторе. Поскольку,

в соответствии с формулами (2.31) и (2.32), в уравнении (2.33)

одно слагаемое возрастает, а другое уменьшается при измене-

нии /

, то подбирая ток эмиттера, можно найти такой режим,

при котором величины ё^ф и F достигают минимума. Вычисляя

производную выражения (2.33) по /

и приравнивая ее нулю,

нетрудно показать, что минимум достигается при

q #и + Ч

Подставляя найденное значение тока в (2.33) и затем в (2.34),

окончательно получаем

F = . (2.36)

Из этой формулы следует, что при разработке малошумящих

усилителей необходимо использовать транзисторы с возможно

более низким сопротивлением базы Гб и максимально высоким

коэффициентом усиления /?. К сожалению, эти требования про-

тиворечат друг другу: как мы показали в п. 2.2.1, для получения

2.7. Особенности работы транзисторов в импульсном режиме

187

высокого коэффициента усиления необходима низкая концентра-

ция примесей в базе, но это неизбежно приводит к увеличению

сопротивления базы. Поэтому при проектировании транзисто-

ров между величинами rg и /3 приходится искать компромисс.

Уменьшить величину г^ позволяет использование гребенчатой

конструкции выводов транзистора, которая была описана нами

на с. 159.

В современных транзисторах характерное значение rg состав-

ляет -100 Ом, однако в специально разработанных транзисто-

рах (например, 2SA1316 и 2SC3329 фирмы Toshiba) rg может

быть снижено до 2 Ом. Поэтому при типичном коэффициенте

усиления (3 « 400 и выходном сопротивлении источника сигнала

I кОм коэффициент шума усилителя на биполярном транзисторе

яюжет составлять 1,1. Это означает, что на биполярных

транзисторах можно создавать усилители, в которых вклад шу-

мов транзистора в общий уровень шума очень мал.

X:.... Следует отметить, что низкий уровень шума должен быть

зцрисущ всем гетеропереходным транзисторам. Это является

следствием низкого сопротивления базы и высокого коэффици-

ента усиления по току, которые «заложены» в конструкцию этих

аранзисторов (см. п. 2.4.2).

Г'Ч-

2.7. Особенности работы транзисторов

л: в импульсном режиме

а б

Рис. 2.19. а ~ рабочие точки на нагрузочной прямой, отвечающие режиму

отсечки и режиму насыщения; б — распределение инжектированных носителей

в базе транзистора при различных режимах работы

В электронных схемах, работающих в импульсном режи-

ме (триггерах, одновибраторах, мультивибраторах, элементах

188

Гл. 2. Биполярные транзисторы

цифровых интегральных схем), транзистор обычно находится в

одном из двух состояний: режиме отсечки, при котором на

эмиттерный переход подается смещение V^ ^ 0 и транзистор

закрыт, или режиме насыщения, при котором через базу транзи-

стора пропускается такой прямой ток, что оба р-п-перехода тран-

зистора смещены в прямом направлении и транзистор открыт.

Рабочие точки, отвечающие этим двум состояниям, показаны на

рис. 2.19 а.

Распределение инжектированных носителей в базе транзи-

стора, находящегося в режиме насыщения, режиме отсечки и

активном (усилительном) режиме, показано на рис. 2.196. Как

следует из этого рисунка, в режиме насыщения оба р-п-перехода

транзистора смещены в прямом направлении и концентрация

неосновных носителей у обеих границ базы превышает пед- При

этом напряжение между эмиттером и коллектором (напряжение

насыщения ^.

нас

) составляет ~0,1 В.

При использовании биполярных транзисторов в импульсных

схемах особое значение приобретает вопрос о быстродействии

этих схем. В качестве характеристик быстродействия вводят

понятия времен задержки включения и задержки выключения

схемы, которые в значительной мере определяются временами

открывания и закрывания транзистора.

Открывание транзистора происходит в три этапа. На первом

этапе инжектируемые эмиттером носители достигают коллектор-

ного перехода и ток коллектора начинает возрастать. На втором

этапе по мере увеличения концентрации носителей у коллектора

происходит быстрое нарастание тока коллектора и уменьшение

Кэ ДО того момента, пока транзистор не войдет в режим на-

сыщения. Наконец, на третьем этапе происходит установление

стационарного распределения инжектированных носителей в ба-

зе, сопровождаемое накоплением в ней избыточного заряда этих

носителей. Чем выше ток базы, тем быстрее протекает второй

этап, но при этом на третьем этапе неизбежно происходит на-

копление все большего избыточного заряда в базе.

Закрывание транзистора происходит в два этапа. На первом

этапе идет процесс рассасывания инжектированных в базу носи-

телей за счет их экстракции через эмиттерный и коллекторный

переходы и рекомбинации (эти процессы аналогичны процессам,

происходящим при переключении диодов, см. п. 1.7.3). Этот

этап заканчивается, когда транзистор выходит из состояния на-

сыщения. На втором этапе, называемом областью динамиче-

ской отсечки, происходит уменьшение тока коллектора и воз-

растание напряжения V

в соответствии с темпом экстракции

мл '

Ь,

t I

2.7. Особенности работы транзисторов в импульсном режиме 189

коллекторным переходом оставшегося заряда инжектированных

носителей из середины базы.

Для увеличения быстродействия транзисторов в цифровых

Интегральных схемах транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)

1$азы транзисторов легируются примесью золота, которое создает

Si глубокие уровни и резко уменьшает время жизни нерав-

новесных носителей, а сама принципиальная схема логического

-элемента построена так, что позволяет осуществить эффектив-

ную экстракцию носителей из баз транзисторов (136]. К со-

жалению, легирование золотом увеличивает ток рекомбинации

в области пространственного заряда, что снижает коэффициент

усиления транзисторов в области малых токов.

Si0

выход

вход

диод

Шоттки

У'

•

'.•1

С. 2.20. Включение «фиксирующего» диода Шоттки для предотвращения

убокого насыщения транзистора: а — эквивалентная схема, б — топология

прибора

Однако даже при использовании явления экстракции из-за ее

Ограниченной скорости время закрывания транзистора все равно

Питается больше времени открывания транзистора. Очевидно,

о для уменьшения времени закрывания следует избегать на-

ения в базе транзистора высокой концентрации инжекти-

нных носителей. Практически это делают, шунтируя пере-

Щдл база-коллектор «фиксирующим» диодом с барьером Шоттки

(см. рис. 2.20 а). При таком включении входной ток схемы /

вх

может быть довольно большим (чтобы обеспечить быстрое от-

бывание транзистора), а после перехода транзистора в откры-

тое состояние заметная часть входного тока протекает через

чДиод Шоттки, ограничивая ток базы такой величиной, которая

Достаточна для удержания транзистора в открытом состоянии.

уПри этом используется известная особенность диодов Шоттки

Открываться при более низком прямом напряжении по сравнению

с р-n-переходами (причины этого обсуждались нами в п. 1.5.2),

и рабочая точка транзистора находится в области активного

190 Гл. 2. Биполярные транзисторы

режима вблизи точки, отвечающей режиму насыщения. Для

создания описываемой конструкции достаточно лишь немно-

го расширить контакт к базе, наложив его на коллектор (см,

рис. 2.206). В качестве материала контактов обычно использу-

ют силициды металлов, характеризуемые наибольшей высотой

барьера к n-Si, например PtSi [58]. Описываемые «транзисторы

Шоттки» широко используются при создании современных циф-

ровых интегральных схем на биполярных транзисторах (в част-

ности, в интегральных схемах транзисторно-транзисторной логи-

ки с диодами Шоттки — ТТЛШ [136]).

2.8. Элементы интегральных схем на биполярных

транзисторах

Бурное развитие полупроводниковой электроники привело

к значительным изменениям ее элементной базы, основу которой

в настоящее время составляют интегральные схемы (ИС). Среди

современных интегральных схем наиболее сложными являются

цифровые (логические) ИС на основе кремния. Уровень инте-

грации этих схем, который определяется числом эквивалентных

логических вентилей (типа «2И-НЕ») в одном корпусе, уже пре-

взошел величину 10

и продолжает стремительно нарастать. О

Концепция интегральной электронной схемы, элементы кото-

рой были бы созданы только из полупроводника и изолирующих

слоев, была впервые высказана английским экспертом по рада-

рам Даммером в 1952 г. Предпринятые им в 1956 г. попытки

построить интегральную схему не увенчались успехом, и первые

интегральные схемы были созданы только в 1958-59 годах неза-

висимо Джеком Килби из фирмы Texas Instruments (137) и Ро-

бертом Нойсом из Fairchild Semiconductors [138]. Это изобрете-

ние сыграло настолько большую роль в развитии современной

полупроводниковой электроники, что один из создателей инте-

гральной схемы — Джек Килби — был удостоен Нобелевской

премии по физике в 2000 г.

В 50-е годы различные компоненты полупроводниковых электрон-

ных схем (диоды, транзисторы, резисторы, конденсаторы) изготавли-

вались из совершенно разных материалов, используя при этом наборы

совершенно различных технологических операций. Основной идеей

') По уровню интеграции ИС условно подразделяют на схемы с низким,

средним, большим (БИС) и сверхбольшим (СБИС) уровнем интеграции. Уров-

ню СБИС отвечают микросхемы, содержащие более 10

вентилей или более

элементов памяти.

2.8. Элементы интегральных схем на биполярных транзисторах 191

разработчиков интегральной схемы было сделать так, чтобы все эле-

менты электронной схемы могли быть изготовлены из одного и того

же материала — полупроводника, используя при этом минимальный

набор технологических операций. Первая интегральная схема такого

типа, содержавшая пять элементов, была представлена Килби в сен-

тябре 1958 года. Это была схема генератора, в котором все элементы,

изготовленные в объеме и на поверхности Ge, соединялись между

собой тонкими золотыми проволочками. В 1959 г. Нойс предложил,

используя найденные при разработке транзисторов технологические

решения (локальную диффузию с зашитой окислом, фотолитографию,

травление, напыление, изоляцию элементов р-п-переходами, а так-

же идею Хорни изготовления транзисторов с планарной геометрией),

оставить закрытой окислом всю поверхность полупроводника (кроме

контактных выводов) и осуществлять соединение между элементами

схемы дорожками из алюминия, которые либо напылялись через мас-

ку, либо создавались путем избирательного вытравливания ненужных

•участков в тонкой пленке А1, напыленной на поверхность структуры.

Таким образом Нойсом в 1959 году была создана первая микросхема

кремния.

2.8.1. Планарная технология. Планарная технология ос-

новывается на ряде технологических приемов, разработанных

в 50-х годах в процессе производства полупроводниковых диодов

и транзисторов. Основная идея планарной технологии заключа-

ется в том, чтобы, используя минимальный набор стандартных

технологических операций, формировать все элементы полупро-

водникового прибора в приповерхностном слое на одной из сто-

рон пластины полупроводника, причем так, чтобы после каж-

дой из этих операций поверхность пластины оставалась плоской

(.планарной).

Использование в планарной технологии одного и того же на-

бора многократно повторяемых технологических операций (окис-

ления, травления, диффузии, ионной имплантации, эпитаксиаль-

ного наращивания, осаждения диэлектрических и металлических

пленок), выполняемых в сочетании с литографией, которая поз-

воляет с высокой геометрической точностью переносить рисунок

элементов структуры на пластину полупроводника, делает эту

технологию достаточно универсальной.

Преимущество планарной технологии состоит в том, что

формируя элементы полупроводниковой структуры на пластине

большого диаметра (100-300 мм), можно одновременно созда-

вать многие миллионы диодов, транзисторов и других элементов,

что существенно удешевляет стоимость их производства. В на-

стоящее время эта технология используется для создания как