Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов

Частотные свойства биполярного транзистора обычно оцениваются по его коэффициенту усиления по мощности. При достаточно большом токе эмиттера максимальный коэффициент усиления по мощности может быть определен при помощи следующего выражения:

формула зависимости коэффициента усиления от частоты     (1)

При этом обязательно следует учитывать коэффициент шума транзистора. Его можно определить при помощи следующей формулы:

Формула коэффициента шума биполярного транзистора     (2)

Проанализировав выражения (1) и (2) можно сделать вывод, что максимальным усилением по мощности будет обладать транзистор с максимально возможной частотой единичного усиления fT и минимальным произведением rбб'Cкб

Заметим, что частота единичного усиления fT зависит от структуры транзистора и его режима работы. При этом её можно определить через время пролёта носителями промежутка эмиттер-коллектор τэк:

Формула зависимости частоты единичного усиления от времени τэк     (3)

Время пролёта носителями промежутка эмиттер-коллектор состоит из времени заряда эмиттерной емкости τэ; времени пролёта носителями базы τб и времени пролёта носителями коллекторного слоя обеднения τк;

Время заряда ёмкости эмиттера зависит от тока эмиттера и геометрических размеров эмиттерной области. Оно уменьшается с ростом плотности тока эмиттера. Конструктивно сократить время τэ можно, например, исключив контакт боковых поверхностей эмиттерного перехода с материалом подложки транзистора или интегральной микросхемы.

Упрощенная конструкция маломощного биполярного транзистора
Рисунок 1. Топология и сечение биполярного транзистора Шоттки (Изопланар II)

Время пролёта носителями базы τб зависит от толщины базы ωб. При уменьшении толщины базы ωб до 0,3 … 0,5 мкм частотный диапазон биполярного транзистора приближается к единицам гигагерц. Однако настолько тонкая база обладает малым пробивным напряжением, поэтому приходится выполнять её с повышенным объемным сопротивлением rбб', что ухудшает шумовые параметры транзистора.

Время пролёта носителями заряда коллекторной области зависит от степени её обеднения. Толщина коллекторной области от концентрации примесей, а она в свою очередь выбирается в зависимости от требуемого пробивного напряжения коллектора биполярного транзистора. Для маломощных транзисторов толщина этого слоя обычно составляет 1 … 2 мкм.

Таким образом частота единичного усиления fT определяется вертикальной структурой биполярного транзистора, а произведение rбб'Cкб — его горизонтальной структурой (топологией).

Для минимизации Cкб требуется широкая область обеднения коллектора (правда при этом уменьшается частота единичного усиления fT). Тем не менее, изменяя ширину коллектора можно добиться максимального значения частоты генерации fmax.

Уменьшение омического сопротивления базы требуется как с точки зрения увеличения коэффициента усиления по мощности, так и с точки зрения уменьшения коэффициента шума транзистора. Однако уменьшение сопротивления rбб' приводит к уменьшению пробивного напряжения коллектора.

Уменьшение произведения rбб'Cкб можно получить, применив в топологии биполярного транзистора узкие и длинные полоски эмиттера и базы, как это показано на рисунке 1. Одновременно уменьшается эффект модуляции толщины базы, что позволяет увеличить максимальную мощность транзистора с подобной структурой.

Ещё один метод применяется для улучшения частотных характеристик биполярных транзисторов. В базовой области создаётся ускоряющее поле для инжектированных из эмиттера носителей. Ускоряющее поле возникает при неравномерном распределении примесей в базе от эмиттера к коллектору. Такое распределение примесей создается в процессе легирования полупроводника при помощи диффузии. Процесс возникновения ускоряющего поля показан на рисунке 2.

Поле в базе биполярного транзистора с неравномерной концентрацией легирующих примесей
Рисунок 2. Формирование электрического поля в базе дрейфового биполярного транзистора

Концентрацию около эмиттера делают примерно в 100 раз больше, чем около коллектора. Появление поля объясняется тем, что концентрация основных носителей заряда в любой точке базы приблизительно равна концентрации примесей в этой точке, то распределение примесей Na(х) одновременно будет и распределением «дырок» p(х). Под влиянием градиента концентрации «дырок» будет происходить их диффузионное движение к коллектору. В результате около эмиттера будет избыток отрицательно заряженных ионов акцепторов, а около коллектора — избыток положительно заряженных «дырок».

Этот процесс приводит к появлению внутреннего электрического поля внутри базы (минус у эмиттера, плюс у коллектора). Это электрическое поле будет ускоряющим для электронов, которые в рабочем режиме транзистора инжектируются из эмиттера в базу. В результате время их пролета τб уменьшится, что приведет к увеличению предельной частоты fT биполярного транзистора.

Биполярные транзисторы с неравномерным распределением примесей в базе, приводящим к появлению ускоряющего поля, получили название дрейфовых, а с равномерным распределением примесей — бездрейфовых. Практически все современные высокочастотные и сверхвысокочастотные биполярные транзисторы являются дрейфовыми.

Уменьшение времени пролета в базовой области n-р-n транзистора при экспоненциальном законе убывания концентрации примесей от Na(0) до Na(ωБ) учитывается коэффициентом неоднородности базы:

Формула коэффициента неоднородности базы     (4)

поэтому можно написать

Формула времени пролёта базы в дрейфовом биполярном транзисторе     (5)

Для бездрейфовых транзисторов коэффициент неоднородности базы ν = 0, а типовые его значения для дрейфовых транзисторов лежат в диапазоне ν = 2 … 3.

Следует отметить, что ряд рассмотренных нами требований к конструкции транзистора несовместимы между собой и при создании транзисторов приходится искать компромиссные решения. Появление в последнее время новых типов полупроводниковых материалов привело к созданию биполярных транзисторов на основе гетеропереходов.

Итог:

  • При помощи технологических приёмов изготовления транзистора можно получить конструкцию, обладающую максимальным частотным диапазоном.
  • К сожалению, ряд требований к конструкции транзистора является несовместимыми между собой, в результате чего при изготовлении транзисторов приходится искать компромиссные решения.

Дата последнего обновления файла 6.07.2022


Понравился материал? Поделись с друзьями!


Литература:

  1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. — М.: Радио и связь, 1998. — 560 с.
  2. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 496 с.
  3. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Учебное пособие. — Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. — 77 с.
  4. Глазачев А. В. Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций — Томск: Томский политехнический университет, 2015.
  5. Колосницын Б. С. Полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем. Учебно-методическое пособие: в 2 ч. Ч. 1: Расчёт и проектирование биполярных транзисторов. — Минск: БГУИР, 2011. — 68 с.
  6. Колосницын Б. С. Гапоненко Н. В. Полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем. Учебное пособие: в 2 ч. Ч. 1: Физика активных элементов интегральных микросхем — Минск: БГУИР, 2016. — 196 с.
  7. Колосницын Б. С. Гранько  С. В. Электронные приборы на основе полупроводниковых соединений. Учебно-методическое пособие: — Минск: БГУИР, 2017. — 94 с.
  8. Биполярный транзистор. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Биполярный_транзистор
  9. Изобретение транзистора. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Изобретение_транзистора
  10. Проектные нормы биполярных транзисторов фирмы Интеграл

Вместе со статьей "Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов" читают:

Биполярные транзисторы
https://digteh.ru/foe/tranzistor/bt/

Статические характеристики биполярного транзистора
https://digteh.ru/foe/tranzistor/bt/stat_har/

Влияние температуры на статические характеристики биполярного транзистора
https://digteh.ru/foe/tranzistor/bt/t/

Принцип действия биполярного транзистора
https://digteh.ru/foe/tranzistor/bt/princip/


Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2022

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс
Поиск по сайту сервисом ГУГЛ
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 100 научных и научно-методических работ, в том числе 20 книг.

Top.Mail.Ru


Яндекс.Метрика