Материал: Kont_v_Str-PP_ME_1

одно из этих напряжений положительно и значительно превышает kT/q, то Jn

будет сильно зависеть от этого напряжения.

Задача 6.2. Рассмотрите работу БПТ p–n–p-типа и получите выражение для тока, протекающего через базовую область транзистора. При решении воспользуйтесь данными задачи 6.1.

Задача 6.3. Изобразите структуру системы контактов, образующихся вдоль пунктирной линии а–а' в БПТ p–n–p-типа (см. рис. 6.2). На структуре покажите подключение источников питания, обеспечивающих включение БПТ по схеме с общей базой. Примесные концентрации в эмиттере, базе и коллекторе постоянны и равны 1019, 1017 и 1015 см–3 соответственно. Для получившейся структуры необходимо:

1)построить профиль легирования;

2)изобразить ЭД при условии равновесия и при наличии напряжений, обеспечивающих активный режим работы транзистора;

3)для случаев равновесия и активного режима качественно изобразить распределение концентрации электронов;

4)изобразить выходные характеристики транзистора и указать участок, соответствующий активному режиму работы. С помощью ЭД пояснить зависимость тока от смещающих напряжений.

71

Решение. Структура вдоль линии а-а' транзистора будет иметь вид, соответствующий рис. 6.3. На этом же рисунке условно показано распределение концентрации примеси в соответствующих участках биполярного транзистора.

Активный режим работы транзистора характеризуется прямосмещенным эмиттерным переходом и обратносмещенным коллекторным переходом. Поскольку эмиттерный переход смещен в прямом направлении, то концентрация электронов в базе со сто-

электронов близка к нулю, так как UCB 0. Под действием ускоряющего элек-

трического поля в коллекторном переходе электроны быстро переходят из базы в коллектор.

На рис. 6.4 и 6.5 изображены энергетические диаграммы и распределение концентрации электронов для режима равновесия и для активного режима.

Рис. 6.4. Энергетическая диаграмма

Рис. 6.5. Энергетическая диаграмма (сверху)

(сверху) и распределение

и распределение концентрации электронов

концентрации электронов (снизу)

(снизу) биполярного транзистора для

биполярного транзистора

активного режима

72

Задача 6.4. С помощью уравнения (6.1) покажите, что в области полупроводника, в которой примесная концентрация экспоненциально зависит от координаты, действует постоянное электрическое поле. Рассчитайте примесную концентрацию на границе области пространственного заряда (ОПЗ) коллекторного перехода в транзисторе с шириной базы 0,3 мкм, примесной концентрацией на границе эмиттер–база 1017 см–3 и постоянным полем в базе 400 В/см.

Задача 6.5. Предположим, что экспериментальные данные, полученные для n–p–n-транзистора с шириной базы XB = 0,5 мкм, дают значение тока насы-

щения IS 2,4·10–10 А/см2. Определите число Гуммеля для такого транзи-

стора, если средний коэффициент диффузии Dn 22 см2/с. Расчет выполните для двух видов транзисторов на кремнии и арсениде галлия.

Задача 6.6. Решите задачу 6.3, но вместо активного режима рассмотрите последовательно режим отсечки, режим насыщения и инверсный режим.

Задача 6.7. Замените в условиях задачи 6.3 n–p–n-транзистор на p–n–p- транзистор и выполните все требования, аналогичные изложенным в задаче 6.3.

Задача 6.8. Изобразите структуру системы контактов, образующихся вдоль линии а–а' в биполярном транзисторе (см. рис. 6.2). Постройте энергетические диаграммы, характеризующие эту структуру при следующих условиях: а) равновесие (отсутствие смещающих напряжений); б) режим отсечки; в) режим насыщения; г) активный режим. Рассмотрите ситуацию, когда БПТ включен в схему с общим эмиттером. Изобразите для каждого режима работы транзистора соответствующую ветвь на выходной характеристике транзистора. С помощью ЭД объясните вид выходных характеристик.

Задача 6.9. Рассчитайте коэффициент передачи тока от эмиттера к коллек-

тору LT и коэффициент эмиттерной инжекции (эффективность эмиттера) крем-

ниевого БПТ n–p–n-типа для простейшего случая, когда примесь в базе распределена равномерно, а концентрация инжектированных неосновных носителей

Dn 12 см2/с; Dp 4 см2/с.

Указание. Потери носителей при рекомбинации в базовой области измеряются коэффициентом переноса в базе, который определяется выражением

LT ( In E Ir B )In E – электронный ток, инжектируемый эмиттером;

Ir B – ток рекомбинации в базовой области.

73

Для транзистора с равномерно легированной базой

Если в базе имеется градиент примесной концентрации, то LT увеличи-

вается и оценку по (6.7) можно рассматривать как наименьшее значение. Эффективность эмиттера для рассматриваемых условий определяется следующей формулой:

действие биполярных транзисторов. Укажите пути увеличения быстродействия биполярных транзисторов.

Задача 6.14. Рассчитайте число Гуммеля. Используйте (6.6), полагая, что из экспериментальных данных известно значение Dn 20 см2/c,

JS 2.4 1010 А/см2. Ширина базы кремниевого n–p–n-транзистора-прото-

типа X B 0.5 мкм.

74

7. УСИЛИТЕЛЬ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ НА ОСНОВЕ ВОЛН ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА

Эффект нарастания волн пространственного заряда в полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной подвижностью (ОДП), возникающей, например, в сильных электрических полях в материалах типа GaAs, лежит в основе работы усилителя бегущей волны.

Схематически структура усилителя бегущей волны (УБВ) изображена рис. 7.1. УБВ состоит из эпитаксиальной пленки GaAs n-типа проводимости, выращенной на полуизолирующей подложке. На поверхности эпитаксиальной пленки нанесен слой диэлектрика (4) и сформированы: омические контакты (1, 6), создающие дрейфовый поток электронов вдоль пленки: контакты в виде барьеров Шоттки (БШ), выполняющие функция преобразования электромагнитной волны в волну пространственного заряда на входной БШ (2) в обратное преобразование на выходном БШ (5); управляющий электрод (3) для управления характером границы потока носителей заряда посредством подачи на него соответствующего потенциала.

Рис. 7.1. Поперечное сечение усилителя бегущей волны на

основе волнх пространственного заряда

Усиление на УБВ реализуется за счет нарастания амплитуды ВПЗ, распространяющейся от входного к выходному БШ в среде, обладающей ОДП. Свойства такой среды определяются кинетической характеристикой: зависимостью средней скорости дрейфа электронов от напряженности электрического поля

(E) (рис. 7.2). При E Ecr ( Ecr 3500 В/см для GaAs) коэффициент анизо-

тропии κ отрицателен:

75