Мощные высокочастотные транзисторы (стр. 4 )

|Iр(Xэ)/In(Xэ) | ~ (ббW/(бэLрэ),  (1.6)

где 0б, оэ — усредненные проводимости базовой и эмит­терной области; W — толщина базовой области; LP3 — диффузионная длина дырок в эмиттере у эмиттерного перехода. Согласно (1.6) коэффициент инжекции тем больше, чем меньше проводимость базовой области, т. е. чем меньше концентрация примесей в базе. Поэто­му если нужно получить по возможности более высокий коэффициент передачи тока (в ВЧ транзисторах потери на рекомбинацию в базе не имеют существенного значе­ния и определяющую роль для коэффициента переда­чи тока играет коэффициент инжекции эмиттера), то следует стремиться к уменьшению содержания приме­сей в базовой области, т. е. к уменьшению поверхност­ной концентрации базовой примеси. Однако для мощ­ных ВЧ транзисторов особо большие значения статиче­ского коэффициента передачи тока не являются необходимыми. По ряду причин следует стремиться не к уменьшению, а к увеличению содержания примесей в базе. Среди этих причин следует отметить необходи­мость уменьшения сопротивления активной базы умень­шения эффекта оттеснения тока к краю эмиттера и снижения вероятности прокола базы. Поэтому для мощ­ных ВЧ транзисторов поверхностная концентрация ба­зовой примеси является характеристикой которая должна быть оптимизирована. На практике для разных типов приборов данного класса поверхностная концен­трация базовой примеси (бора) составляет от 2*1018 до 1019 ат/см3.

Говоря о требованиях к концентрации легирующих примесей в области коллектора (т. е. в исходном мате­риале), надо прежде всего учитывать, что свойства коллекторной области определяют пробивное напряже­ние коллекторного перехода транзистора: чем меньше концентрация легирующих примесей в коллекторе тем выше будет пробивное напряжение. В то же время с уменьшением содержания легирующих примесей в коллекторе увеличивается его удельное сопротивление и, следовательно, увеличивается падение напряжения на открытом транзисторе. При этом надо учитывать то обстоятельство, что с увеличением удельного сопротив­ления коллектора падение напряжения на открытом приборе возрастает примерно по линейному закону, а пробивное напряжение растет значительно медленнее. С этим в первую очередь и связано то, что в мощных ВЧ транзисторах напряжение источника питания и за­висящее от него пробивное напряжение коллекторного перехода выбираются не слишком высокими. (Для про­бивного напряжения — это напряжение от 35 — 45 до 110 — 120 В.)

Концентрация примесей в коллекторной области мощных ВЧ транзисторов вблизи от коллекторного р-п перехода должна составлять для разных типов прибо­ров от 1015 до 5*1015 доноров/см3.

Рассмотрим другие электрофизические характери­стики.

Время жизни неосновных носителей заряда в эмит­терной области в связи с высокой концентрацией леги­рующей примеси (и, следовательно, диффузионная дли­на) настолько мало, что инжекция тока из эмиттера в базу в ряде случаев определяется не всей толщей эмиттерной области, а лишь ее узким слоем, непосред­ственно примыкающим к переходу эмиттер — база. Практически нет никаких способов как-нибудь регули­ровать или менять время жизни в эмиттере.

Время жизни неосновных носителей в базе также до­вольно мало (около 10~7 с). Таким значениям времени жизни соответствуют диффузионные длины в несколько микрометров (до 10). Однако, так как базовая область в мощных ВЧ транзисторах достаточно тонкая и рас­пределение примесей в базовой области таково, что к диффузии неосновных носителей заряда через базу в значительной степени добавляется дрейф, потери на перенос заряда весьма малы и приведенное значение времени жизни оказывается вполне достаточным.

Для НЧ транзисторов время жизни неосновных но­сителей заряда в коллекторе должно иметь как можно более высокое значение. Дело в том, что на участках выходных вольт-амперных характеристик, близких к об­ласти насыщения, переход коллектор — база может на­ходиться под прямым смещением. В коллектор из базы инжектируются неосновные носители заряда, которые вызовут модуляцию, т. е. резкое увеличение проводимо­сти коллекторной области. При этом сопротивление насыщения транзистора существенно снизится, а это обстоятельство для мощных транзисторов является очень важным.

В ВЧ транзисторах даже на частоте около 1 МГц время пребывания транзистора в открытом состоянии не превышает ~0,1 мкс. За это время в коллекторной области типа п, смещенной в прямом направлении, не­основные носители заряда (дырки) пройдут расстояние l~VDt, где D — коэффициент диффузии дырок, ко­торый для кремния не превышает 12 см2/с. Таким об­разом, l в этом случае будет составлять 10 мкм. Для наиболее высоковольтных мощных ВЧ транзисторов тол­щина высокоомной коллекторной области не может быть меньше, чем 20 — 25 мкм. Поэтому даже на часто­тах около 1 МГц в этих приборах высокоомная коллек­торная область будет модулирована не более чем на 40 — 50%. На более высоких частотах (десятки и сотни мегагерц) модуляция коллектора практически проис­ходить не будет. (Это обстоятельство является, по-ви­димому, основной причиной того, что сопротивление насыщения ВЧ транзистора на высоких частотах суще­ственно выше, чем на постоянном токе.)

Время жизни в высокоомной коллекторной области, при не слишком высокой плотности дефектов будет со­ставлять, по крайней мере, несколько микросекунд, и поэтому оно не будет ограничивать модуляцию коллек­тора.

Итак, для мощных ВЧ транзисторов нет необходи­мости целенаправленно изменять время жизни неоснов­ных носителей заряда т в различных областях тран­зисторной структуры.

Подвижность носителей заряда в различных областях транзисторной структуры определяется в первую оче­редь концентрацией легирующих примесей, и если эта - концентрация в какой-либо области задана, то и зна-яение подвижности практически также определено. Поэтому хотя, например, желательно увеличивать под­вижность носителей в базовой области транзистора, но «сделать это, не меняя в ней концентрации примесей, нельзя.

Мы рассмотрели требования к концентрациям леги­рующих примесей и к их распределению для различ­ных областей структуры мощных ВЧ транзисторов, основанные на требованиях к пробивному напряжению коллектора, статическому коэффициенту передачи тока, - напряжению прокола и сопротивлению насыщения. Ес­ли исходить из требований к другим параметрам тран­зисторов, то в одних случаях можно получить качест­венно те же требования к электрофизическим характе­ристикам транзисторной структуры, а в других — требования могли бы оказаться противоположными. Так, вывод о том, что градиент распределения легирую­щих примесей вблизи от эмиттерного перехода должен быть максимально большим, противоречит требованию об уменьшении емкости эмиттера. Требование об умень­шении удельного сопротивления коллекторной области, необходимое для снижения сопротивления насыщения, противоречит стремлению к уменьшению емкости кол­лектора. В то же время уменьшение удельного сопро­тивления коллектора не только снижает сопротивление насыщения транзистора, но и позволяет повысить его рабочий ток. Увеличение концентрации легирующей примеси в базе не только позволяет повысить напря­жение прокола, но и уменьшает входное сопротивление прибора и способствует увеличению его рабочего тока. В то же время чрезмерно большое увеличение этой концентрации влечет за собой уменьшение статического коэффициента передачи тока до недопустимо низких значений.

Правильный выбор электрофизических характерис­тик разных областей транзисторной структуры может быть сделан только в результате оптимизации, проводи­мой на основе конкретных требований к параметрам мощных ВЧ транзисторов.

1.3. ВЫБОР РАЗМЕРОВ И ФОРМЫ РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЕЙ

ТРАНЗИСТОРНОЙ СТРУКТУРЫ.

ТИПЫ СТРУКТУР

Требования к параметрам мощных ВЧ транзис­торов определяют размеры и форму различных облас­тей их структуры.

Было установлено, что коэффициент инжекции эмит­тера и, следовательно, статический коэффициент пере­дачи тока транзисторов с ростом плотности тока сни­жаются из-за того, что плотность подвижных носителей в базовой области при увеличении плотности тока рас­тет и поэтому увеличивается ее проводимость. Увели­чение проводимости базы может быть очень большим. В результате, как это следует из (1.6), коэффициент инжекции эмиттера может снизиться до значения, на­много меньшего, чем единица [В работе [4] показано, что в пределе коэффициент инжекции может снизиться до 1/(1+мn/мр) (мn — подвижность электронов, а мр — подвижность дырок)]. При этом статический коэффициент передачи тока снизится до недопустимо малых значений. Вопросу уменьшения коэффициента инжекции у при увеличении плотности тока посвящен ряд работ, в которых получены различные выражения, уточняющие связь у с плотностью тока, но качествен­ный вывод всегда остается в силе. Вывод этот заклю­чается в том, что для увеличения предельного рабочего тока (если под предельным рабочим током понимать то его значение, при котором статический коэффициент передачи тока сохраняет определенное заданное значе­ние) следует увеличивать площадь эмиттера.

С увеличением плотности тока эмиттер перестает инжектировать носители в базу равномерно по всей площади. Так как базовый ток, проходящий под эмиттером параллельно его границе, создает определенное паде­ние напряжения в базе, открывающая эмиттерный пе­реход разность потенциалов оказывается максимальной у периферии и может сильно уменьшаться с удалением от края эмиттера. В соответствии с этим плотность тока, инжектируемого в базу, оказывается максималь­ной по периметру эмиттера и может резко уменьшаться под его центральными участками. С ростом средней плотности тока этот эффект оттеснения тока к краю эмиттера становится все более резким и может насту­пить момент, когда в эмиттере будет работать только узкая полоса, расположенная у его краев. Обратим внимание на то, что с уменьшением коэффициента пе­редачи тока растет базовый ток (при определенном токе эмиттера) и соответственно резче начинает па­дать открывающий потенциал на эмиттерном переходе при удалении от края эмиттера. Коэффициент переда­чи тока уменьшается с ростом частоты. Поэтому на вы­соких частотах эффект оттеснения тока выражен силь­нее.