Физика полупроводниковых приборов Книга 1 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
Биполярный транзистор х) - один из важнейших полупроводниковых приборов -
был изобретен группой исследователей фирмы Bell Laboratories в 1947 г.
Это был беспрецедентный случай в электронике и в полупроводниковой
электронике в частности. До 1974 г. полупроводники применялись лишь как
термисторы, фотодиоды и выпрямители. В 1948 г. Бардин и Брэт-тен создали
точечно-контактный транзистор [1 ]. В 1949 г. Шокли опубликовал
классическую работу по плоскостным диодам и транзисторам 121. С этого
момента теория транзисторов продолжала интенсивно развиваться и включала
такие вопросы, как поведение транзисторов на высоких частотах, при
больших мощностях и в режиме переключения. Больших успехов достигла
технология транзисторов, особенно в разработке сплавных транзисторов 13],
транзисторов с переходами, полученных вытягиванием из расплава 14] и
зонной плавкой 15], транзисторов диффузионных 16], эпитаксиальных 17],
планарных 18], с балочными выводами 19], изготовленных с помощью ионной
имплантации ПО], методами литографии и сухого травления 111]. Благодаря
достижениям технологии была увеличена мощность, улучшены частотные
свойства и повышена надежность транзисторов. Кроме того, исследования в
области физики полупроводников, теории и технологии транзисторов
расширили наши знания и способствовали развитию других полупроводниковых
приборов.
Биполярные транзисторы в настоящее время являются важнейшими компонентами
в быстродействующих вычислительных машинах, в космических кораблях и
спутниках, во всех современных средствах связи и в силовых установках. По
физике, проектированию и применению биполярных транзисторов опубликовано
много монографий: среди них учебники Филипса 112] и Гартнера [13], серия
книг, изданных комитетом по образованию в области полупроводниковой
электроники [14], и монографии Притчарда 115], Ганди [16], Мюллера и
Каминса [17].
3.2. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
3.2.1. Вольт-амперные характеристики
Ниже рассмотрены основные статические характеристики биполярных р - п -
р- и п - р - я-транзисторов. На рис. 1 приведены условные обозначения и
названия элементов
1 Transistor - transfer resistor-преобразователь (трансформатор)
резисторов.
Биполярные транзисторы
143
р - п - р- и п - р - /г-транзисторов. Стрелкой указано направление тока
при нормальных условиях работы, т. е. при прямом смещении эмиттерного р -
л-перехода и обратном смещении коллекторного перехода. На рис. 2 показано
включение р - п - р-транзистора по схеме с общей базой, общим эмиттером и
общим коллектором. Направления токов и знаки напряжений соответствуют
нормальным условиям работы. Для п - р - "-транзистора все направления
токов и полярности напряжений необходимо изменить на противоположные.
Ниже рассмотрены р - п - р-транзисторы; результаты сохраняются и для п -
р - л-транзисторов при соответствующем изменении полярностей.
На рис. 3, а показан условный разрез р - п - р-транзистора, включенного
по схеме усилителя с общей базой, на рис. 3, б - профиль легирования
транзистора, имеющего однородную концентрацию примеси в каждой из
областей, а на рис. 3, в приведена зонная диаграмма при нормальном режиме
работы транзистора.
Статические характеристики транзистора можно непосредственно получить из
теории р - я-перехода (гл. 2). Говоря об
¦ Эмиттер
База
Коллектор
\
О
Рис. 1. Условные обозначения и названия элементов биполярного
транзистора,
а) р - п - р-транэнстор; б) п - р - п-транзистор.
основных свойствах транзистора, будем считать, что вольт-ампер-ные
характеристики эмиттерного и коллекторного переходов подчиняются
уравнениям идеального диода [2], т. е. можно пренебречь эффектами,
обусловленными поверхностной рекомбинацией - генерацией, последовательным
сопротивлением и высоким уровнем инжекции. Эти эффекты будут учтены
позже.
144
Глава 3
Рис. 2. Три схемы включения р - п - р-транзистора.
а схема с общей базой; б - схема в общим эмиттером; в схема с общим
коллектором.
Если весь потенциал падает на обедненной области р - /г-перехода (рис. 3,
б), из уравнения непрерывности и уравнения для * плотности токов
определяются равновесные характеристики. Для нейтральной области базы
уравнения имеют вид
О =
Р~Рв | т~\ д*р
т I В дх2 >
В
Jp= -qD
др_
в дх
(2)
Jn
tot
*>в%г
(1)
(3)
где рв - равновесная плотность неосновных носителей в базе, J tot -
полная плотность токов проводимости, тв - время жизни неосновных
носителей, DB - коэффициент диффузии. Условия для концентрации избыточных
носителей на границе обедненной области эмиттера можно записать следующим
образом:
Р' (0) = Р (°) - Рв = Рв lexp (qVEB/kT) - 1 ], п (-х%) - п (-хЕ) - пЕ =
Пе Lexp (qVЕВ/kT) 1 ],
где пЕ - равновесная плотность неосновных носителей (электронов) в
эмиттере. Аналогичные соотношения можно записать для коллекторного
перехода:
Р' {Ю = р{Ю~ Рв = Рв lexp (qVCB/kT) - 1],
п' (хс) = п (хс) - Пс - Пс [exp (qVCB/kT) - 1].
Решения уравнения (1), описывающие распределение неосновных носителей в
