ГУРТОВ SOLID STATE ELECTRONICS! Страница 24
ϕ β α 0 I e . e - i 0,2 ω ω α
Ориз. 5.34. Векторна диаграма на токовете в биполярен транзистор във верига с общ емитер за случая ω = ω β
За малки ϕ и като α 0 → 1 (виж Фиг. 5.28) следва, че
По-точно изчисление дава следния израз:
ϕ = ω β = 0,8 (1 − α).
Имайки това предвид, получаваме:
ω β = ω α (1 − α ) 0,8 = ω α β 0,8 ,
или ценностно отношение
По този начин, във верига с общ излъчвател, ограничаващата честота на усилване на тока ω β е много по-малка от ограничаващата честота ω α във верига с обща база.
Честотите ω α и ω β могат да бъдат изразени чрез физически параметри
Стойността на ω β ≈ ω α / β и стойността на β е равна на β =
За да опишем честотната зависимост на β ( ω ), ние заместваме зависимия от честотата коефициент на предаване α ( ω ) в израза за β. Получаваме:
5.12.4 Еквивалентна схема на високочестотен транзистор
В заключение на раздела ще изградим еквивалентна схема на биполярен транзистор при високи честоти за верига с обща база (фиг. 5.35).
аз Б
б
Ориз. 5.35. Еквивалентна схема на биполярен транзистор при високи честоти за верига с обща база
В горната еквивалентна схема основните параметри на елементите в емитерната, базовата и колекторната вериги са същите като при еквивалентната схема при ниски честоти. Разликата между тези две схеми се проявява в колекторната верига, където честотната зависимост на коефициента на предаване α ( ω ) е изобразена като фазово изместваща RC верига C f и R f в колекторната верига.
5.13. Биполярни транзистори с хетеропреходи
5.13.1. Типична структура на HBT върху GaAs
Една от обещаващите области за подобряване на параметрите на биполярните транзисторие замяната на емитерния p-n преход на биполярен транзистор с хетеропреход. В този случай е възможно да се осигури еднопосочно инжектиране от емитера в основата и, следователно, висока ефективност на емитера при ниска концентрация на допиране на емитер и висока концентрация на допиране в основата. Последното условие дава възможност за значително намаляване на ширината на основата и премахване на влиянието на ефекта на Earley върху изходните характеристики на биполярния транзистор.
Най-широко използваните биполярни транзистори с емитерни хетеропреходи са получени при разработването на микровълнови транзистори на базата на галиев арсенид (GBT върху GaAs). В англоезичната литература тези транзистори се означават съкратено като HBT. Стандартната GBT транзисторна топология използва вертикална структура. Типична структура на биполярен транзистор с емитер хетеропреход на базата на галиев арсенид е показана на фигура 5.36.
n + GaAs колекторен контактен слой
Ориз. 5.36. Типична структура на биполярен транзистор с емитер хетеропреход на базата на галиев арсенид GBT върху GaAs [22]
Типичен HBT на базата на GaAs n-p-n тип се формира върху полуизолираща GaAs подложка със съпротивление от около 10 7 Ohm cm.Колекторът се формира на базата на електронен GaAs с концентрация на донори N D, равна на 3·10 16 cm -3. Основата е силно легирана p + -GaAs област с допинг концентрация на акцептори (берилий или въглерод) N A, равна на 10 19 cm -3. Емитерният хетеропреход се формира от леко легиран n-тип AlGaAs слой като емитер. Забранената зона на полупроводниковото съединение AlGaAs в емитера е по-голяма от тази на GaAs в основата с ∆ E g = 0,37 eV. В случай на използване на емитерния хетеропреход Al 03 Ga 07 As, прекъсването на лентата на проводимост е ∆ E C = 0,24eV,
прекъсване на валентната зона ∆ E V = 0,13 eV [22]. Както беше показано в раздел 2.14, в този случай се осъществява едностранно инжектиране на електрони от емитера в основата.
Високото ниво на базово легиране, както и ниското ниво на емитерно легиране, причиняват ниско базово съпротивление и ниска стойност на капацитета на емитерния хетеропреход. Колекторът с ниско съдържание на сплав намалява капацитета на колекторния възел. Тези условия позволяват да се постигнат високи стойности на граничната честота и усилването на тока на биполярния транзистор.
Важно предимство за биполярен транзистор с емитер хетеропреход е простотата на технологичното изпълнение.Вертикалната структура на HBT позволява рационално използване на кристалната област в планарен технологичен процес. Тънките слоеве на основата се формират чрез епитаксия, което дори при субмикронни дебелини на основата прави възможно изоставянето на електроннолъчева литография. Допълнително предимство на такива транзистори в сравнение с транзисторите с полеви ефекти е еднополюсното захранване.
5.13.2. Биполярни транзистори с хетеропреходи върху съединения с индиев фосфид
Следващата стъпка в разработването на биполярен транзистор с хетеропреход на емитер върху GaAs е използването в транзистори вместо GaAs на други полупроводникови съединения от групите A 3 B 5: за базовите и колекторните области на тройните съединения на InGaAs, за емитерните и колекторните области - индиев фосфид InP. В допълнение, p-n преходът база-колектор също е реализиран като хетеропреход. Биполярните транзистори с два хетеропрехода се обозначават съкратено като DGBT (DHBT в английска транскрипция).
Използването на индиев фосфид InP позволява да се подобрят честотните характеристики на DGBT и да се увеличи напрежението на пробив на колектора. Тъй като
шириназабранената лента InP е по-голяма от тази на In 0,53 Ga 0,47 As (съответно 1,35 eV и 0,75 eV), тогава пробивното напрежение на колекторния хетеропреход не е
нейните 6 волта. Съществува голямо разнообразие в комбинациите от материали на емитер, база и колектор на биполярния транзистор с двойно хетеропреход InP. Най-често използваният n-p-n транзистор gete-
структури от типа InAlAs – InGaAs – InP и InP – InGaAs – InP. Дебелината на основата в случай на използване на технологията на молекулярно-лъчева епитаксия може да бъде намалена до 25 nm при ниво на въглеродно допиране от 10 20 cm -3. Устройствата с такива структури имат рекордни честотни характеристики с гранична честота 250 GHz при ток на колектора 10 mA и напрежение на колектора 1 волт. [22, 27]
5.1. Начертайте лентовата диаграма на npn транзистор в равновесие.
5.2. Определете коефициента на пренос и коефициента на инжектиране.
5.3. Как коефициентът на сричкопренасяне е свързан с ширината на основата?
5.4. Какво представлява ефектът на Earley?
5.5. Каква времеконстанта определя инерцията на транзистора в ОВ веригата?
5.6. Каква времева константа определя инерцията на транзистор в OE верига?
5.7. Какво е комбиниран транзистор? Опишете неговия принцип на действие и характеристики.
5.1. За някои транзистори тип p-n-p I pе = 1 mA, I ne = 0,01 mA, I pk = 0,98 mA, I nk = 0,001 mA. Изчислете: а) статичен базов коефициент на пренос на ток - α T ; b ) емитерна ефективност (коефициент на инжекция - γ ); в) базов ток и коефициент на токопреминаване във вериги с ОВ - α и ОЕ - β.
5.2. Покажете, че с експоненциално разпределение на примеси в основата на n-p-n биполярен транзистор, полето E x е постоянно. Намерете в този случай концентрацията на миноритарни носители близо доколектор ако нивото на допинг