Физика полупроводниковых приборов Книга 1 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
рис. 3, а, эмиттерный ток состоит из двух компонент дырочного тока IpE =
AJ р (х - 0), инжектируемого в базу, и электронного тока InE = AJп (х =
хЕ), инжектируемого из базы в область эмиттера. Коллекторный ток также
содержит две компоненты: дырочный ток IpC - AJP (х = W) и электронный ток
1пС = AJп (х = хс). Величины указанных токов определяются выражениями (9)
и (10).
Коэффициент усиления по току в схеме с общей базой а0, обозначаемый в
гибридной системе параметров четырехполюсника как hFB (где индексы F и В
есть начальные буквы слов forward - прямо и base - база соответственно),
определяется следующим образом:
" = * д1с д1?Е 01 Р° д1° (9\\
~ П*В gjE djE dJvE д}рС'
Первый из сомножителей dlvEldlE называют эффективностью эмиттера у,
сомножитель д1рс/д1рЕ - коэффициентом переноса в базе ос/, а сомножитель
dlc/dlpc - коэффициентом умножения коллектора М. Так как при нормальной
работе транзистора смещение на переходе коллектор-база гораздо ниже
напряжения пробоя, то статический коэффициент усиления по току в схеме с
общей базой имеет вид
а0 = уаТМ ~ уат. (22)
Статический коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (30,
обозначаемый также hFE, равен
Ро = hFE = ~g]~' (23)
Из соотношения (11) видно, что а0 и р0 взаимосвязаны:
р* = -пЗг- (24)
*50
Глава 3
Так как величина а0 в биполярных транзисторах близка, к 1, В0 обычно
много больше 1. Например, если а0 = 0,99, то В0=99, а, если а& =?= 0,998,
то р0 = 499.
При нормальной работе р-п~р-транзистора VEB >0 и Уев 0, поэтому в
выражениях (9) и (10) можно пренебречь членом, содержащим VCB. В этом
случае справедливы следующие соотношения:
__ Приращение дырочного тока из эмиттера
^ Приращение общего эмиттерного тока
dAjp (х = 0) fill: ~
рв DB Le \ Lg }
-1
(25)
_ Приращение дырочного тока, достигшего коллектора ______
(r)т Приращение дырочного тока из эмиттера
-.Jp(x = W)_ 1 ,.i
Jp(x = 0) ch (W/LB) ~ 1 2L% ' ^
где у - эффективность эмиттера и ат - коэффициент переноса в базе.
Отметим, что у < 1 и ат < 1, а величины, дополняющие их до 1,
пропорциональны электронному току, вытекающему-из базового контакта. В
биполярном транзисторе с шириной базы, меньшей 0,1LB, ат > 0,995, и
коэффициент усиления по току почти полностью определяется эффективностью
эмиттера. При условии, что ат ~ 1,
/1"=тх- = тфт^с'ь(-г1)~ - (ж)~ТГТГ~7Г> (27>
1 - Y LeDeLb \ LB / п" \ W / NBW Qh v '
где NB и Ne - концентрации примеси в базе и эмиттере соответственно, Qb -
число Гуммеля, определенное по формуле (20). Следовательно, для данной
концентрации NE статический коэффициент усиления по току обратно
пропорционален Qb. Эта зависимость для ионно-легированных транзисторов с
одинаково легированными эмиттерами приведена на рис. 6 [22 ]. Доза ионов
в базе прямо пропорциональна Qb, и видно, что с уменьшением дозы hFE
возрастает.
Коэффициент усиления по току в общем случае зависит от тока коллектора.
На рис. 7 приведена типичная зависимость, полученная из графика на рис. 5
по формуле (23). При очень малых токах коллектора вклад рекомбинационно-
генерационного тока (так называемого тока Са - Нойса - Шокли [23]) в
обедненной области эмиттера и поверхностных токов утечки может превышать
полезный диффузионный ток неосновных носителей в базе. Следовательно,
эффективность эмиттера оказывается низкой. Коэф-
Биполярные трйнзисторы
151
Доза примеси, cm~z Ю
и
5Ч0,г 4-Ю12 340
)f2
Рис. 6. Зависимость коэффициента усиления транзистора (на частоте 5 ГГц)
от дозы примеси, имплантированной в базу [22].
________1
Лоза примеси '
СМ*
фициент усиления по току hFE возрастает с током коллектора по следующему
закону:
pqVEBlkT г qVев ( j_______J_
т
dla
Снижение числа объемных и поверхностных ловушек приводит к возрастанию
hFE при низких уровнях тока [24]. Когда величина базового тока попадает в
интервал, соответствующий идеальному поведению, hFE достигает области
максимальных значений. При дальнейшем увеличении коллекторного тока
плотность не-
Рис. 7, Зависимость коэффициента усиления транзистора от тока коллектора,
152
Глава 3
основных носителей, инжектированных в базу, приближается к исходной
плотности основных носителей (условие высокого уровня инжекции).
Инжектированные носители вызывают повышение плотности основных носителей
в базе, что в свою очередь приводит к снижению эффективности эмиттера.
Анализ протекающих на базе процессов требует совместного решения
уравнений непрерывности и уравнений для плотности токов с учетом как
дрейфовой, так и диффузионной компонент. Уменьшение коэффициента усиления
при возрастании /с известно под названием эффекта Вебстера [25]. Как
видно из рис. 7, при высоком уровне инжекции hFE изменяется обратно
пропорционально IG:
В формуле (27) кроме числа Гуммеля фигурирует еще один важный фактор -
концентрация примеси в эмиттере NE. Чтобы иметь высокий коэффициент
усиления hFE, степень легирования эмиттера должна быть во много раз выше,
чем степень легирования базы, т. е. Ne/Nb > 1. Однако при очень высокой
