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:
(1)
При этом обязательно следует учитывать коэффициент шума транзистора. Его можно определить при помощи следующей формулы:
(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:
(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.
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
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
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.
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
(4)
поэтому можно написать
(5)
Для бездрейфовых транзисторов коэффициент неоднородности базы
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
