лекц.8.

1.2.Параметры интегрального n-p-n транзистора с изоляцией p-n переходом

Рис. ... Концентрация легирующих примесей и эффективная

Толщина активной области базы 0.2 – 0.4 мкм. В базовом слое имеется два участка: с ускоряющим и тормозящим полем (для электронов). Наличие участка с тормозящим полем на 20-30% увеличивает время пролета электронов по базовому слою.

Типичные параметры интегрального n-p-n транзистора, полученного с помощью фотолитографии, обеспечивающей  l_min = 2-4 _мкм.

Коэффициент усиления транзистора  В = 100 – 200.

Предельная частота  – 500 МГц.

Емкость коллекторного перехода – 0,3 ¸ 0,5 пФ.

Пробивное напряжение коллектор-база  40 - 50 В.

Пробивное напряжение эмиттер-база  6 ¸ 7 В.

Сопротивление скрытого слоя R_cc ≈ 8 ¸ 15 Ом/□.

(скрытый слой уменьшает сопротивление коллекторного слоя транзистора.)

Сопротивление коллекторного слоя R_kc ~ 500 Ом/□.

Сопротивление базы R_б ~ 150 ¸ 200 Ом/□.

Сопротивление эмиттерного слоя R_э ~ 5 ¸ 15 Ом/□.

Пояснение к размерности Ом/□.

R = ρ ∙ l / S = ρ ∙ l / (a ∙ d), где l – длина, а – ширина, d – толщина слоя. При этом если a = l, то удельное сопротивление пленки квадратной формы R = ρ / d и выражается в единицах нее Ом ^. м, а  Ом / □. Это продольное сопротивление поверхностного слоя квадратной формы.

Паразитные параметры.

К паразитным параметрам относится.

1. Паразитная емкость p-n перехода коллектор-подложка (C_k-п). Эта ёмкость вместе с сопротивлением коллекторного слоя (r_кол) образует R-C-цепь, подключенную к активной области коллектора, что снижает быстродействие транзистора. И оказывает существенное воздействие на работу транзистора в импульсном режиме.

t = t₀ + (C_k + C_k-п) ∙ (R + r_кол) – время включения, где t –время срабатывания транзистора, t₀ – время дрейфа не основных носителей заряда (пролёта электронов) через базу, C_k – ёмкость перехода коллектор-база,  C_k-п - ёмкость перехода коллектор-подложка, R-внешне сопротивление в цепи коллектора,  r_кол- сопротивление коллекторного слоя.

2. Паразитный p-n-p транзистор, образованный пассивной областью базы, областью коллектора и частью подложки, расположенной под пассивной областью базы.

Если основной n-p-n транзистор работает в активном режиме (активный режим – на коллектор подается обратное напряжение, на p-n-переход  база- эмиттер прямое), то паразитный транзистор находится в режиме отсечки и не оказывает влияния на работу основного. В этом случае на ухудшение параметров влияет только C_k-п.

Но если основной транзистор находится в инверсном режиме или в режиме насыщения (двойной инжекции), то паразитный транзистор находится в активном режиме, следовательно, часть базового тока основного транзистора уходит в подложку. Вследствие этого растет потребляемая мощность при работе транзистора в ключевом режиме.

В активном режиме работы транзистора  ухудшает его параметры только емкость перехода коллектор-подложка, в которой можно выделить две составляющие: емкость боковой поверхности (С_{бок. ст.}) и ёмкость донной части p-n перехода коллекторный слой  подложка (C_дна).

C_к-п = C_дна + С_{бок. ст.} при чём  C_дна <  С_{бок. ст.}

Удельные ёмкости этих частей транзистора равны: С_{уд (дно)} ≈ 100 пФ / мм². С_{уд (ст)} ≈ 250 пФ / мм². Так как концентрация примеси по мере приближения к  поверхности увеличивается, то уменьшается толщина обедненного слоя  p-n перехода где: U_кр - контактная разность потенциалов на p-n переходе, N^*= N_d N_A / N_d + N_A. Величина L^* определяет величину барьерной ёмкости p-n перехода C = εε₀S/L, ёмкость увеличивается при уменьшении N^*. А поскольку концентрация примесей на боковых частях транзистора существенно выше, чем на донной части то это и предопределило использование комбинированного способа изоляции элементов интегральных схем.

4.1.2.3. Работа n-p-n транзистора в ключевом режиме

Базовым элементом цифровых интегральных схем является логический вентиль (цифровой инвертор). Основой цифровых логических схем является электронный ключ.

Рабочими состояниями транзистора в ключевом режиме являются:

-         режим отсечки;

-         режим двойной инжекции (насыщения).

Транзистор в процессе работы переходит из одного состояния в другое, что соответствует двум состояниям переключающего устройства: «включено» и «выключено».

Режим отсечки наблюдается тогда, когда на вход подается напряжение меньше чем  необходимо,  для того чтобы  открылся p-n переход эмиттер-база (U_вх < U_{вх (пороговое)}). Пороговое напряжение для кремниевых p-n переходов 0,6-0,7 вольта. Коллекторный ток (I_к0) очень мал и равен току обратно смещённого p-n перехода коллектор-база. Сопротивление транзистора значительно больше чем сопротивление нагрузки и на  выходе ключа выходное напряжение (U_вых) максимально и близко напряжению источника питания. Этот режим соответствует области «А» на входной характеристике и точке «А» на выходной.

Для перевода транзистора в режим двойной инжекции на вход подается входное напряжение больше порогового (U_вх > U_{вх (пороговое)}), такое, которое обеспечивает быстрый рост базового (I_б) и коллекторного (I_к) токов. Максимальное значение коллекторного тока (I_{к (мах)}) определяется сопротивлением нагрузки в цепи коллектора (R_н) и напряжением источника питания (U_п).   I_{к (мах)} = (U_п – U_{к (нас)}) / R_н где U_{к (нас)} – напряжение на коллекторе в режиме насыщения (двойной инжекции). Режиму насыщения соответствуют: область «В» на входной характеристике и точа «В» на выходной характеристике.

В ключевом режиме транзистор длительное время работает только в двух режимах: двойной инжекции и отсечки, а  нормальный активный режим является промежуточным при переходе из одного устойчивого состояния в другое.  Время перехода должно быть очень малым. И чем быстрее происходит этот переход, тем лучше свойства ключа. Связано это с тем, что «львиная» доля мощности выделяется в транзисторе только в течение перехода из открытого состояния к закрытому и обратно (на участке характеристики соответствующей активному режиму работы транзистора). Кроме того, чем быстрее будет происходить переключение, тем выше будет быстродействие инвертора.

Если о ключе говорить формально, как о логическом элементе, то можно сказать, что на вход подают импульсы логического «0» или «1».

Если  на вход подают импульсы логического «0», то эмиттерный переход закрыт, транзистор находится в режиме отсечки и его внутреннее сопротивление намного больше сопротивления нагрузки. Тогда на выходе – высокий уровень напряжения – логическая единица «1».

Если на входе логическая единица «1» (напряжение, открывающее транзистор), то попадаем в точку В – режим насыщения (двойной инжекции), сопротивление транзистора мало, и на выходе имеем логический «0». Данный элемент является  логическим элементом «НЕ».

Лекции полностью!