Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

142 Гл. 2. Биполярные транзисторы

напряжении на коллекторе (5-25 В) в таком транзисторе уда-

валось получить коэффициент усиления по току а = dIK/dI3 =

-1 - 2 .

эмиттер

коллектор

Возможность использования

то-

чечного

транзистора

для

усиления

электрических сигналов основана

на

существенном

различии

дифферен-

циальных

сопротивлений

эмиттер-

ного и коллекторного переходов в

рабочем режиме. При подаче в цепь

эмиттера небольшого входного пере-

менного напряжения из-за низкого

а

дифференциального

сопротивления

база

эмиттерного

перехода

при

прямом

смещении (сотни Ом) удается полу-

коллектор

чить большие изменения тока эмит-

тера. Этот ток порождает изменение

тока в

коллекторной

цепи,

в

а

раз

превышающее изменение тока эмит-

тера. Поскольку дифференциальное

эмиттер

сопротивление

коллекторного

пере-

хода,

работающего

при

обратном

смещении,

велико

(10-100

кОм),

в цепь коллектора можно включить

сравнимое с ним сопротивление на-

база

эмиттер

грузки и получить на нем выходное

SiO

напряжение, в сотни раз

превышаю-

щее входное

напряжение.

п

Работа

точечного

транзистора

it

может

быть

упрощенно

объяснена

следующим образом. В области кон-

такта металла со слабо легирован-

коллектор

ным полупроводником n-типа обра-

в

зуются

р-п~переходы.

Эмиттерный

р-п-переход, смещенный в прямом

Рис. 2.1.

Конструкции

бипо-

направлении,

инжектирует

дырки в

лярных транзисторов: а

— то-

базу транзистора.

Если

расстояние

чечный транзистор, б —

сплав-

между

эмиттером

и

коллектором

ной транзистор, в — эпитакси-

меньше

или

порядка

диффузионной

альный транзистор

длины,

то

часть

инжектированных

дырок, диффундируя в базе, достигает области коллектора и затягивается полем коллекторного р-п-перехода. Эта упрощенная схема однако не объясняет, почему в точечных транзисторах

2. /. История создания и конструкции биполярного	транзистора	143
удается получить коэффициент усиления по	току а >	1, так

как в транзисторе обсуждаемой конструкции лишь малая доля инжектированных дырок может достигнуть коллекторного перехода. Считается, что в работе точечного транзистора заметную роль играет дрейф инжектированных в базу носителей в электрическом поле, создаваемом протекающим коллекторным током (база транзистора намеренно делается из достаточно высокоом-

ного германия с р = 5 - 10 Ом • см),	а структура	коллекторного
перехода (создаваемого формовкой)	представляет	собой	п-р-п-

р-структуру, в которой происходит внутреннее усиление коллекторного тока [110]. Из-за несовершенства конструкции и высокого уровня собственных шумов точечные транзисторы были полностью вытеснены плоскостными транзисторами в середине 50-х годов.

Чтобы увеличить коэффициент собирания носителей (то

есть долю инжектированных в базу носителей, которая движется в сторону коллектора), Шокли в 1949 г. предложил конструкцию

и развил теорию плоскостного транзистора [3, 71, 110), в ко-

тором эмиттерный и коллекторный р-n-пере ходы расположены параллельно и разделены тонким слоем базы (см. рис. 2.2а). О > Идея конструкции плоскостного транзистора состоит в следующем. Смещенный в прямом направлении эмиттерный р - п - переход осуществляет одностороннюю инжекцию неосновных носителей в базу транзистора (см, рис. 2.2). Неосновные носи- *ели диффундируют через базу, толщина которой выбирается много меньше диффузионной длины, достигают коллекторного ?мг-перехода, на который подано обратное смещение, и, затягиваясь его электрическим полем, попадают в область коллектора. Если база транзистора достаточно тонкая, то большая часть инжектированных носителей проходит базу без рекомбинации н лишь небольшая их часть рекомбинирует в базе. Ток в цепи базы /g складывается из тока этих рекомбинирующих носителей,

') Интересно, что первая статья Шокли была отклонена редакцией Physical Review и была опубликована в «ведомственном» журнале Bell Systems Technical Journal, Тем не менее предложенная идея оказалась очень плодотворной. Первые опытные образцы n-р-тг-транзисторов были созданы в Bell Laboratories уже в 1950 году, а транзисторы со структурой р-п-р — в 1951 году [110]. Промышленный выпуск транзисторов был начат фирмой Texas Instruments в 1952 г,, и транзисторы из Ge и Si появились на рынке уже в 1954 г. Сразу же, то есть в 1954 г., было выпущено и первое бытовое устройство на транзисторах — радиоприемник Regency TR-1, а первые компьютеры на транзисторах (TR1DAC, изготовленный в Bell Laboratories, и ТХ-О, изготовленный в Lincoln -aboratory, MIT) появились в 1955 г.

144 Гл. 2. Биполярные транзисторы

тока носителей, инжектируемых из базы в эмиттер, а также небольшого тока обратно смещенного коллекторного перехода. Важно то, что при оптимальной конструкции транзистора ток

базы может быть сделан намного меньше тока / к ,

протекающего

в цепи

коллектора, то есть

с

помощью

небольшого тока базы

можно

управлять

большим

то-

ком коллектора. Поскольку, как и

в

случае

точечного

транзистора,

дифференциальное

сопротивление

эмиттерного перехода

при прямом

смещении намного меньше диффе-

а

ренциального

сопротивления

кол-

лекторного

перехода

при обратном

эмиттер

база

коллектор

смещении,

то

подавая

небольшие

напряжение и ток в цепь базы тран-

зистора

(относительно

эмиттера),

можно получать ток и напряжение

в цепи нагрузки коллектора, на-

W

X

много превышающие входные ток и

О

напряжение. Таким образом,

плос-

б

костной транзистор может одновре-

менно служить и усилителем тока,

-

!

\

и

усилителем

напряжения.

—-- у -г

эмиттер

вколлектор

Рис. 2,2. Идеализированная схема плоскостного транзистора (о) и его энергетическая диаграмма в отсутствие смещения (б) и в рабочем режиме (в)

Одним из основных параметров, характеризующих усилительные свойства транзистора, является

коэффициент усиления по току

в схеме с общим эмиттером. *) Он определяется как отношение приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению тока базы: р = dIK /dIb. 2) Ясно, что коэффициент усиления будет тем выше, чем больше инжектированных эмиттером носителей пройдет через

базу без рекомбинации. Поэтому очень важно создать такую геометрию прибора, при которой практически все инжектированные в базу носители собирались бы коллектором. В этом отношении

') О схемах включения транзисторов мы будем говорить в п. 2.5.1.

2) В ряде случаев усилительные свойства транзистора характеризуют также величиной РСТ = 1к/1б, называемой статическим коэффициентом усиления

транзистора по току.

•

2.1. История создания и конструкции биполярного транзистора

145

геометрия плоскостного транзистора оказывается намного лучше геометрии точечного транзистора (ср. рис. 2.1 а и рис. 2.1 б).

В зависимости от того, какой тип проводимости имеет база транзистора, возможны две структуры биполярных транзисторов: p - n - р и п - р - п . Поскольку подвижности электронов и дырок в полупроводнике различаются, то и параметры этих транзисторов также будут различными. В частности, можно ожидать, что из-за более высокой подвижности электронов (и, следовательно, их более высокого коэффициента диффузии) приборы, в которых осуществляется инжекция электронов (транзисторы со структурой n - p - п), будут характеризоваться более высоким коэффициентом усиления и большим быстродействием.

Идея плоскостного транзистора была первоначально реализована в конструкции сплавного транзистора, О в котором эмиттерный и коллекторный переходы создавались вплавлением капелек металла с двух сторон в тонкую пластинку полупроводника (см. рис. 2.1 б).

Сплавные германиевые р-п-р-транзисторы, примером которых могут служить отечественные приборы серий П13-П16, МП35-МП42, П210, П213-П217 и др., изготавливались вплавлением капелек индия (Й мощных транзисторах — сплава In+Ga) в пластинки n-Ge толщиной Около 200 мкм при температуре 500 °С в вакууме или атмосфере Водорода, а для создания п-р-п-транзисторов использовались, соответственно, p-Ge и сплав Pb+Sb. При нагревании пластинки металлический сплав растворяет часть расположенного под ним германия, а после охлаждения слои рекристаллизованного германия оказываются сильно Легированными индием, галлием или сурьмой, образуя змиттерную и коллекторную области. В полученных таким образом транзисторах минимальная толщина базы составляет ~10 мкм, а характерные диаметры эмиттера и коллектора — 0,35-0,5 мм и 0,7-1 мм. Заметим, что диаметр коллектора в сплавных транзисторах намеренно делается больше диаметра эмиттера (см. рис. 2.16), чтобы увеличить коэффициент собирания носителей.

Из-за невозможности технологически создать очень тонкую базу в сплавных транзисторах их рабочая частота обычно не превышала 5-10 МГц. Необходимость повышения быстродей-

ствия транзисторов		привела		к разработке	дрейфового	транзи-
стора	(см. подробнее		в п.	2.2.2), в котором за счет неодно-
родного	легирования	в	базе	транзистора	создается	встроенное

') Технология создания сплавных р-n-переходов была разработана в начале 50-х годов в фирмах General Electric и RCA. По этой технологии в одной только фирме Texas Instruments было изготовлено более 109 транзисторов.

146	Гл. 2. Биполярные транзисторы
электрическое	поле. *) Дрейф в этом поле ускоряет перенос ин-

жектированных носителей через базу и тем самым увеличивает быстродействие и коэффициент усиления транзистора* Одним из способов создания дрейфовых транзисторов является технология

диффузионно-сплавных транзисторов, которая широко использовалась в производстве таких отечественных транзисторов как П401-П403, П416, ГТ308, ГТ313, ГТ322, ГТ806, ГТ905 и др.

В этом способе в пластинку p-Ge

с удельным сопротивлением

около

I Ом-см, на поверхности которого

диффузией

Sb

предварительно

создан тонкий n-слой, вплавляют

металлический

сплав

Pb+2%Ga+

+ l%Sb, содержащий одновременно

и акцепторную (Ga), и донорную

(Sb) примеси

(см. рис. 2.3).

После

Рис. 2.3.

Конструкция

диффу-

выдержки

пластины

в

нагретом

зионно-сплавного транзистора. /

—

состоянии

при высокой температуре

вывод

эмиттера, 2 — сильно ле-

(500 °С,

15—30

минут)

и

после-

гированная область эмиттера» 3

—

дующего

охлаждения

в

кристалле

база,

4

—

диффузионный

слой

п•

оказываются

сформированными

типа,

5

—

коллектор, 6 — держа-

сильно легированная

рекристалли-

тель и вывод коллектора,

7 — вы-

вод базы

зованная область р-типа, служащая

эмиттером, и

тонкий

слой базы п-

типа, возникший за счет быстрой диффузии сурьмы во время выдержки пластины при высокой температуре. Этот слой непосредственно контактирует со слоем n-типа на поверхности, который служит

электрическим контактом к базе. После вплавления и изготовления контакта к базе лишние части поверхностного n-слоя для уменьшения емкости коллекторного перехода удаляются травлением. Рабочая частота полученных таким образом транзисторов достигает ~500 МГц, что существенно выше, чем в сплавных транзисторах,

При изготовлении транзисторов по диффузионно-сплавной технологии необходимо иметь в виду, что в Ge коэффициенты диффузии доноров V группы заметно выше коэффициентов диффузии акцепторов

III группы, поэтому таким способом можно создавать только р - п -

р-транзисторы, В Si соотношение коэффициентов диффузии обрат-

ное, и поэтому диффузионно-сплавная технология годится лишь для создания n-р-тг-транзисторов. Примером кремниевых транзисторов,

изготовленных по этой технологии, являются отечественные транзисторы П504 и П505.

1) Идея дрейфового транзистора была	высказана Крёмером в 1953 г.
За большой вклад в развитие современной	полупроводниковой электроники

Герберт Крёмер был одним из ученых, удостоенных Нобелевской премии по физике в 2000 г.

2.1. История создания и конструкции биполярного транзистора

147

Сплавные и диффузионно-сплавные транзисторы имеют ряд недостатков. Чтобы рабочее напряжение транзистора было высоким, область коллектора необходимо изготавливать из достаточно высокоомного материала. Так как при этом требование механической прочности не позволяет сделать кристалл тоньше ^100 мкм, сопротивление толщи коллектора оказывается достаточно большим, что препятствует созданию мощных транзисторов. Кроме того, довольно длинный путь тока в базе не позволяет получить низкое сопротивление слоя базы, а это, как будет показано в п. 2.4, сильно ограничивает высокочастотные

свойства транзистора.

Чтобы уменьшить сопротивление коллектора, в 1960 г. бы-

ла предложена	конструкция	так	называемых	эпитаксиальных
транзисторов,	в которой	на	достаточно толстой подложке

из низкоомного материала (n-Si с удельным сопротивлением ~0,01 Ом-см) выращивается эпитаксиальный слой высокоомного материала, в котором собственно и располагается область пространственного заряда коллекторного перехода (см. рис. 2.1 в). Уровень легирования и толщина этого слоя (2-10 мкм) выбираются исходя из максимального рабочего напряжения транзистора. В этом слое путем последовательной диффузии акцепторной

и донорной примесей через одну и ту же поверхность	(двойная
диффузия) создаются базовая и эмиттерная области,	причем

профиль распределения примеси в базе таков, что в ней возникает встроенное электрическое поле, ускоряющее перенос носителей через базу, Заметим, что для транзисторов, изготовленных Описанным способом, коэффициент собирания носителей близок к идеальному значению — 100%, поскольку эмиттер и база транзистора полностью «погружены» в коллектор (см. рис. 2.1 в).

Технология создания эпитаксиальных транзисторов тесно Мязана с планарной технологией, позволяющей одновременно

Издавать огромное количество транзисторов на поверхности Пластины полупроводника; об этой технологии мы будем говорить подробнее в п. 2,8,1. Эпитаксиально-планарная технология в настоящее время является основой производства Дискретных транзисторов из кремния и германия. Существен- но более низкое сопротивление коллектора и возможность создания на поверхности полупроводника сложной конфигурации контактов предопределяют широкое использование этой технологии для создания мощных и высокочастотных транзисторов. Примерами отечественных транзисторов, изготов- л е н н ы х по эпитаксиально-планарной технологии, могут служить

т р а н з и с т о ры К Т 3 1 5 , К Т 3 4 2 , К Т 3 6 1 , Г Т 3 4 6 , К Т 3 1 0 2 , К Т 6 0 3 .

148	Гл. 2. Биполярные транзисторы

Поскольку быстродействие транзисторов в значительной степени ограничивается емкостью коллекторного перехода, дополнительным способом увеличения их быстродействия является создание так называемых меза-структур. ') В этом подходе после формирования в эпитаксиальном слое областей базы и эмиттера лишние части коллекторного перехода удаляются травлением (см. рис. 2.4).

бэ б

Рис. 2.4. Конструкция эпитаксиального транзистора с меза-структурой.			1,2 —
диффузионные области эмиттера и базы,		созданные в эпитаксиальном	слое,
3 — эпитаксиальный слой f-типа (высокоомная часть коллектора), 5 —			омиче-
ский контакт, 6 — держатель кристалла
Таким образом	создаются	отечественные транзисторы
КТ814-КТ817, КТ903,	КТ940.

2.2. Параметры, определяющие коэффициент усиления транзистора

Из описанного выше принципа действия биполярного транзистора следует, что его коэффициент усиления зависит от трех факторов: эффективности инжекции неосновных носителей из эмиттера в базу, эффективности переноса носителей через базу и эффективности собирания продиффундировавших носителей коллектором. Последнее, как мы видели в п. 2.1, определяется геометрией и взаимным расположением эмиттера и коллектора в транзисторе. В этом разделе мы подробно проанализируем, от каких параметров полупроводника и размеров структуры зависят первые два фактора — эффективность инжекции эмиттера и эффективность переноса носителей через базу.

! ) Название структуры происходит от испанского слова mesa — столовая гора. Так геологи называют горы с плоской вершиной, распространенные на юго-западе С Ш А , — там, где создавалась «кремниевая долина».

2.2. Параметры, определяющие коэффициент усиления		транзистора 149
2 . 2 . 1 .	К о э ф ф и ц и е н т и н ж е к щ ш э м и т т е р а .	Для	опреде-
л е н н о с т и	рассмотрим транзистор со структурой	п-р-п,	находя-

щ и й с я в рабочем режиме, когда на эмиттерный переход подано прямое смещение Vfc, > 0, а на коллекторный — обратное смешение V6K<0 (см. рис. 2.2 в). Чтобы рассчитать коэффициент и н ж е к ц и и эмиттера, нам надо найти стационарное распределение инжектированных носителей в базе транзистора. При низком уровне инжекции это распределение является решением уравне-

ния непрерывности,	А - *	_ щ-пы	=	0	( 2 1 )
	ОХ	Тп
£ Граничными условиями			. у	-
	Пб(0) - П б о е х р		( - ^	j	,
'•tiji краю эмиттерного р-п-перехода,			и

3 v

Да краю коллекторного	перехода.	Здесь ngo = n? /		—	равно-
весная концентрация неосновных		носителей	в базе	транзистора,
' a JVa6 — концентрация	акцепторов в базе.		Указанные		гранич-

Ные условия похожи на условия, которые мы использовали при изучении короткого диода (см. п. 1.2.1), и отличаются от них только вторым граничным условием, которое имеет такой вид

цотому, что на коллектор подано			обратное смещение (VeK < 0)
М он вытягивает		все неосновные	носители, приближающиеся
^	коллекторному	переходу. Через	W'	мы	обозначили	толщину
Нейтральной области базы, которая,				очевидно, меньше		геомет-
"	ческой толщины базы W на толщину располагающихся в ней
	астей пространственного заряда эмиттерного и коллекторного
	n-переходов. Таким образом, W'		зависит		от напряжения сме-
	шения на этих переходах.
1	Решение уравнения (2.1) с указанными				граничными услови-
ями имеет вид

*' '

„ , ,

J .

s h ( g / L n ) (

	Bh[{W'-	х)/Ln]	ехр	(2.2)
+	sh.(W'/Ln)

„ ,, 0 Как мы покажем в п. 2.2.5, следствием этой зависимости будет изме-

н и в коэффициента усиления транзистора при изменении напряжения на '*Ьяяекторе.

150	Гл. 2. Биполярные	транзисторы
где LN = Y/DNTN	— диффузионная	длина электронов. В прак-

тически важном случае тонкой базы (W' «С Ln ) это решение сводится к следующему:

. .	W'-x	fqV6A	J .	. . . .
ne(x) ю n6 0	w	ехр f —		(2.3)

В этом случае плотность диффузионного тока электронов, текущего из эмиттера в базу, определяется уравнением, похожим на уравнение (1.33) для диффузионного тока в р-п-переходе с короткой базой:

Отрицательный знак тока означает, что ток течет в направлении, противоположном Направлению оси х, в соответствии с поляр-

ностью приложенного к эмиттерному переходу смещения (плюс на базу транзистора).

Из базы в эмиттерную область толщиной х9 «С Ьр течет ток дырок, плотность которого определяется уравнением (1.33):

2 1

л1	20				«	1
2	19	•				2
<j						ZJ
Jьр	18				£
	17		V
						«ъ
Ой	16	Ш	!	Л	£Ъ0
	15	• Х9	^
	14	1	1	1 . 1
		0	1	2

глубина, мкм

а

Рис. 2.5. Профили легирования п-р-п-транзистора: а — идеальный профиль, б — реальный профиль дрейфового транзистора

Отношение тока носителей, инжектируемых из эмиттера в базу, к полному току эмиттерного р-п-перехода называют коэф-

фициентом инжекции эмиттера и обозначают буквой 7. Если

2.2. Параметры, определяющие		коэффициент усиления	транзистора 151
рренебречь	всеми другими	(генерационно-рекомбинационным,
туннельным)	механизмами	протекания тока	через переход

и рассматривать только диффузионную компоненту, то из уравнений (2.4) и (2.5) следует, что величина 7 определяется соотношением концентраций примесей в эмиттере (ЛГ<ь) и базе

(#об), соотношением коэффициентов диффузии				электронов
И дырок (Dn , Dp) и соотношением	толщин		базы	и эмиттера
(W, Я?»):	\			/Л с\
7 " Jn» + Jp, "	Dp И//	^об	'	1 ' '
	Dn хэ	N(h

При конструировании транзисторов толщины эмиттера и базы и их уровни легирования подбираются таким образом, чтобы Сделать коэффициент инжекции как можно более высоким. Как следует из формулы (2.6), для этого эмиттер должен быть леги- >ван значительно сильнее, чем база (см. рис. 2.5). Произведение об» стоящее в этой формуле и представляющее собой полное %сло акцепторов в базовой области единичной площади, называет числом Гуммеля Qr- Хотя соотношение (2.6) было получено Ьами для однородно легированной базы, можно показать [14], что оно справедливо и для произвольного (неоднородного) профиля легирования базы, если вместо W ' N ^ в нем использовать

число Гуммеля w ,

Qr =	J Na6(x)dx.
4ss	0

Поскольку в современных транзисторах коэффициент усиления Транзистора по току /3 = dIK/dIg определяется в основном коэффициентом инжекции 7, то величина /3 изменяется пропорционально Qp1 .

Казалось бы, как следует из формулы (2.6), для увеличения 7 Следует как можно сильнее легировать область эмиттера. Однако эксперимент показывает, что при высоком уровне легирования эмиттера 7 начинает уменьшаться и связано это с проявлением Двух побочных физических явлений.

Первое из этих явлений — сужение запрещенной			зоны в	силь-
но легированном	полупроводнике.	1) Расчеты в	работе	[111],

) Этот эффект возникает из-за того, что в полупроводнике с высокой концентрацией свободных носителей собственная электростатическая энергия заряженных частиц из-за экранирования оказывается меньше, чем в отсутствие экранирования. Поэтому для рождения электронно-дырочной пары в таком