Гетеропереходные биполярные транзисторы

Возможности улучшения характеристик биполярных транзисторов за счет использования гетеропереходов

Требования к электрофизическим и геометрическим параметрам структуры биполярных транзисторов во многом являются противоречивыми. Действительно, для обеспечения обеспечивающих близкие к 1 значения коэффициента переноса и эффективности эмиттера.

высокого коэффициента передачи базового тока необходимо выполнение условий (IV.1.1) и (IV.1.2).

Снижение степени легирования базы трудно осуществимо технологически. Кроме того, уменьшение толщины базы w_B и степени ее легирования ведет к увеличению сопротивления активной базы, что ухудшает частотные свойства транзистора и снижает его усилительные свойства при больших плотностях тока (эффект оттеснения эмиттерного тока, см. параграф IV.5.4). Чрезмерное легирование эмиттера для выполнения условия (VIII. 1.2) не приводит к повышению его эффективности вследствие эффектов вырождения (см. параграф IV. 1.5). Поэтому концентрация примеси в активной базе не должна превышать (1—3)-10¹⁷ см'³. При этом уменьшение толщины базы до ~ 0,1 мкм снижает напряжение прокола базы (см. параграф IV.5.7) и увеличивает выходную проводимость транзистора вследствие эффекта Эрли (см. параграф IV.5.2), что в конечном счете снижает его усилительные свойства.

Повышение степени легирования эмиттера и базы приводит к увеличению барьерной емкости эмиттерного перехода и ухудшению частотных характеристик транзистора.

Таким образом, при выборе электрофизических и геометрических параметров структуры приходится руководствоваться компромиссными соображениями, так как улучшение одних характеристик прибора неизбежно сопровождается ухудшением других.

Радикальным способом преодоления указанных противоречий является выполнение биполярного транзистора в виде гетероструктуры, в которой эмиттер имеет большую ширину запрещенной зоны, чем база.

В бездрейфовом приближении при малой длине базы и эмиттера (w_{B Е} / Ь_ВЕ <�к 1) и без учета токов рекомбинациигенерации в ОПЗ эмиттерного перехода эффективность «-эмиттера полупроводникового диода определяется следующими соотношениями из раздела П.4:

С учетом возможного вырождения электронейтральных областей равновесные концентрации неосновных носителей в базе п_{р ()} и эмиттере могут быть выражены через эффективные концентрации примеси.

причем способ вычисления функций N_{Bef Е}ЛИ_{в Е}) указан в параграфе 1.3.1. Соотношения (VIII. 1.3)—(VIII.i.5) использованы в разделе IV.3.2 для представления эффективности эмиттера биполярного транзистора в виде (IV.3.15).

Числа Гуммеля в базе и эмиттере в случае произвольной степени легирования составляют.

Для гетероструктурного биполярного транзистора (ГБТ) с различной шириной запрещенной зоны базы и эмиттера соотношения (VIII. 1.5а, б) должны быть скорректированы:

где собственные концентрации носителей в базе и эмиттере различны:

Таким образом, вместо (VIII. 1.6) для ГБТ получаем.

где = N_eEN"_E / N_cBN_vB, ДЕ, = Е.,_;; — - разрыв ширины запрещенной зоны в эмиттере и базе;

Значение коэффициента Ъ_ВЕ для полупроводников, образующих хорошие пары для гетеропереходов I-го рода (см. табл. VIII.1.1), обычно не слишком сильно отличается от единицы, но разрыв ширины запрещенной зоны радикально влияет на эффективность эмиттера. При ДЕ_д «kT эффективность эмиттера может оставаться чрезвычайно высокой (близкой к единице) даже в том случае, когда эффективность эмиттера в гомогенной структуре мала.

Например, при AE_g=0,25 эВ эффективность эмиттера может составить более 0,99 даже в случае N_E / N_B< */20. Это обстоятельство позволяет в ГБТ легировать базу значительно сильнее, чем эмиттер.

Основные преимущества ГБТ состоят в следующем:

• 1) высокая степень легирования базы обеспечивает малое сопротивление базы;
• 2) малая степень легирования эмиттера обеспечивает увеличение ширины эмиттерного перехода и, следовательно, снижение его барьерной емкости;
• 3) использование неоднородной по составу базы позволяет создавать в базе чрезвычайно сильные встроенные электрические поля, которые ускоряют перенос неосновных носителей через базу и улучшают частотные характеристики ГБТ;
• 4) при высокой по сравнению с коллектором степенью легирования базы (N_B >N_C) лишь очень малая часть ОПЗ коллекторного перехода расположена в базе, что способствует нейтрализации эффекта Эрли и повышению напряжения прокола базы даже в случае очень малой ее длины.

К недостаткам ГБТ можно отнести снижение подвижности основных и неосновных носителей в базе при сильном легировании.