29) Эквивалентная схема интегрального транзистора

2.4. Биполярные транзисторы интегральных схем

На рис. 17 показаны физическая структура, разрез биполярного транзистора интегральных схем и его топологический чертеж, план. Именно эту структуру можно считать началом развития промышленной биполярной кремниевой интегральной технологии, получившей широкое распространение уже в начале 70-х годов. Существенная особенность представленной структуры – применение разделительной p⁺ диффузии для создания бокового изолирующего p–n-перехода. Размеры щели под разделительную диффузию и допустимые расстояния до n⁺ коллекторного контакта увеличивали площадь транзистора на кристалле и тормозили увеличение степени интеграции.

В середине 80-х годов был реализован гораздо более высокий уровень интеграции путем применения изолирующей разделительной канавки (рис. 18). Эта конструкция [6] позволяет расположить базовые выводы вплотную к разделительной канавке и не запрещает разделительной канавке попадать в скрытый n+-слой. В такой новой структуре размер транзистора определяется только шириной контактных окон к базе и эмиттеру и допустимыми расстояниями между контактными полосками выводов базы и эмиттера.

2.5. Кремниевые транзисторы свч-диапазона

Конструкция и свойства СВЧ-транзисторов существенно отличаются от обычных биполярных транзисторов. СВЧ-тран­зисторы работают на частотах порядка 10 ГГц, в то время как тактовые частоты биполярных транзисторов в интегральных схемах, как правило, не превышают 100 МГц. На рис. 19 показана упрощенная эквивалентная схема СВЧ-транзистора, сохраняющая наиболее существенные элементы, ограничивающие максимальную частоту .

На частоте максимальное усиление по мощности падает до единицы:

;

Рис. 17. Физическая структура и топология диффузионных областей в транзисторе с боковой изоляцией методом разделительной диффузии:

ЭД – эмиттерная диффузия; ЭО – эмиттерное окно;

БД – базовая диффузия; БО – базовое окно;

РД – разделительная диффузия; КО – коллекторное окно;

СС – скрытый слой; ПО – подложечное окно

Токи в модели Эберса-Молла образуются токами эмиттерного , коллекторного и диода подложки :

,

,

.

Начальные токи эмиттерного, коллекторного диодов и диода подложки рассчитываются по формулам для диффузионных переходов и сконструированным площадям. На рис. 49 показана эквивалентная схема интегрального транзистора на основе модели Эберса-Молла.

Рис. 49. Схема Эберса-Молла для интегрального транзистора

Суммы токов, втекающих в узлы, равны нулю, поэтому

Например, в режиме насыщения, при

Формулы Молла - Эберса являются универсальными соотношениями, которые описывают характеристики биполярных транзисторов во всех режимах работы.

30) Конструкция, принцип действия и вах тиристора Основные параметры тиристора

Тиристор представляет собой четырехслойную p–n–p–n-структуру, имеющую выводы от двух крайних областей и от внутренней базовой области p-типа.

На рис. 4.1 дано схематическое изображение такой структуры и пример обозначения на схеме.

–

Рис. 4.1. Структура и условное схемное обозначение тиристора

Если на четырехслойную структуру подать напряжение полярности, показанной на рис. 4.1, то переходы П₁ и П₂ будут смещены в прямом направлении, а переход П₂ – в обратном. Такую структуру можно представить в виде комбинации двух транзисторов: p–n–p-тран-зистора с эмиттерным переходом П₁ и коллекторным П₂ и n–p–n-тран-зистора с эмиттерным переходом П₃ и коллекторным переходом П₂, соединенных между собой согласно рис. 4.2. Пусть – коэффициент передачи тока p–n–p-транзистора и он определяет часть дырочного тока, инжектированную эмиттером П₁ и достигающую коллектора П₂. – коэффициент передачи n–p–n-транзистора, определяет часть электронного тока, инжектированного эмиттером П₃ и достигающего коллектора П₂. Через переход П₂ будет протекать как дырочный ток p–n–p-транзистора, равный , так и электронный – n–p–n-транзис-тора, равный , а также обычный ток утечки перехода, смещен-ного в обратном направлении.

–

Рис. 4.2. Эквивалентная схема тиристора

Полный ток через переход

, (4.1)

поскольку ,

. (4.2)

Если , то ток – мал, что соответствует состоянию тиристора «выключен» или «закрыт» (участок 1, рис. 4.3). Если сумма близка к единице, то знаменатель почти равен нулю и ток ограничивается лишь сопротивлением внешней цепи. Это соответствует состоянию «включен» или «открыт».

2

1

I_У > I₀

I_У = 0

U_A

U_ОТКР

Рис. 4.3. Вольт-амперная характеристика тиристора

В основе переключающего действия p–n–p–n-структуры лежит зависимость коэффициента передачи тока от электрического режима. В кремниевой структуре существенную роль играют процессы рекомбинации в области пространственного заряда p–n-переходов, коэф-фициент передачи тока при малых плотностях эмиттерного тока очень мал и лишь постепенно растет с увеличением общего тока. С ростом напряжения ток возрастает из-за процессов лавинного умножения в переходе П₂.

ВАХ тиристора с учетом лавинного умножения можно получить заменой и , где – коэффициент умножения,

, (4.3)

где = 3.5 для кремния; – напряжение пробоя коллекторного перехода; объединяя (4.2) и (4.3), получим

(4.4)

Выполнив умножение в знаменателе, получим

. (4.5)

Если , то

. (4.6)

Напряжение включения , при котором начинается резкое нарастание анодного тока, определяется напряжением пробоя коллекторного перехода П₂ и коэффициентом передачи тока в точке включения.

С ростом токов и растут коэффициенты передачи тока и и при , близком к единице, начинается значительный рост тока (участок 2, рис. 6.3); напряжение на структуре падает (учас-ток 3, там же). Прибор из запертого состояния переходит в открытое (участок 4, там же).

Падение напряжения на включенном тиристоре складывается из напряжений на трех переходах. На прямосмещенном коллекторном переходе П₂ напряжение направлено встречно напряжениям на П₁ и П₃. Поэтому суммарное напряжение на включенном тиристоре невелико и составляет около 1 В.

Если создать дополнительный вывод к одной из базовых областей четырехполосной структуры, то, подавая небольшое положительное смещение на эмиттерный переход, можно изменять ток, протекающий в одном из транзисторов, и тем самым общий коэффициент передачи тока . Это дает возможность управлять параметрами тиристора, меняя смещение на таком управляющем электроде. Для уменьшения величины управляющего тока , являющегося током рекомбинации, необходимо повысить коэффициент переноса для соответствующей базы, т. е. сделать ширину базы много меньше диффузионной длины . Поэтому для управления током через тиристор используют вывод от узкой базы p-типа, прилегающей к катоду.

На рис. 4.3 показано семейство ВАХ управляемой четырехслойной структуры при разных токах управляющего электрода. При некотором значении тока управления, называемом отпирающим , исчезает участок с отрицательным сопротивлением. В этом случае уже при малом общем токе тиристора сумма .

Семейство ВАХ (рис. 4.3) позволяет определить основные параметры тиристора, к которым относятся:

1) напряжение включения – максимальное прямое напряжение на тиристоре при = 0;

2) ток включения – максимальный прямой ток через тиристор в закрытом состоянии при = 0, = 0;

3) напряжение выключения – минимальное прямое напряжение на открытом тиристоре при = 0, = 0;

4) удерживающий ток , или ток удержания – наименьший анодный ток, при котором тиристор еще находится в открытом состоянии при = 0;

5) напряжение на открытом тиристоре – падение напряжения на открытом тиристоре при номинальном токе;

6) ток закрытого тиристора , при ;

7) обратный ток тиристора , соответствующий обратному предельно допустимому напряжению ;

8) отпирающий ток , или ток отпирания – минимальный ток управления, включающий тиристор при = 10 В.

14