Физико-топологическая модель интегрального биполярного п-р-п-транзистора (63328)

Посмотреть архив целиком

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ


КАФЕДРА РЭС











РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ:


ФИЗИКО-ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИНТЕГРАЛЬНОГО БИПОЛЯРНОГО п-р-п-ТРАНЗИСТОРА








МИНСК, 2009


Физико-топологическая модель — модель расчета электрических параметров, исходными параметрами которой являются электрофизические характеристики полупроводниковой структуры и топологические размеры транзистора (см. рис.1). Электрофизические характеристики: концентрация собственных носителей заряда, ширина запрещенной зоны и диэлектрическая проницаемость полупроводника, времена жизни, тепловые скорости, концентрации и сечения ловушек захвата, подвижности, коэффициенты диффузии и концентрации примесных электронов и дырок. Многие из этих параметров зависят от профиля легирования (распределения концентрации легирующих примесей вглубь) транзисторной структуры.

Топологические размеры: длина эмиттера Lэ; ширина эмиттера Zэ; расстояния от базового контакта до края базы dбб.

Параметры профиля легирования (см. рис. 1,в): концентрация донорной примеси в эпитаксиальном коллекторном слое Nдк, глубины залегания р-п-переходов коллектор-база хк и эмиттер-база хэ, концентрации акцепторной примеси на поверхности базы Nan и донорной примеси на поверхности эмиттера Nдn, толщина эпитаксиальной пленки WЭП.

Распределение концентрации акцепторной примеси при формировании базы путем двухстадийной диффузии находится из выражения


(1)


где t1a и t2a — время "загонки" и "разгонки" акцепторной примеси;

D1a и D2a — коэффициенты диффузии акцепторной примеси при "загонке" и "разгонке".

Рис. 1. Разрез структуры и топология БТ: а - структура БТ; б - эскиз топологии БТ;в - параметры профиля легирования БТ


Распределение концентрации донорной примеси при формировании эмиттера путем одностадийной диффузии рассчитывается по формуле


(2)


где Dд и tд — коэффициент и время диффузии донорной примеси.

Коэффициент диффузии определяется выражением


D = Doexp(∆E/KT), (3)


где Do — постоянная коэффициента диффузии примеси;

E — энергия активации примеси;

К — постоянная Больцмана;

Т — абсолютная температура диффузии примеси.

Согласно (1) и (2) для расчета концентрации на любой глубине х транзисторной структуры необходимо знать значения времени диффузии t2a и tд (t1a задается), которые определяются при решении уравнений


Na ( xк, t ) = Nдк, (4)

Nд ( xэ, t ) = N.( xэ, t2а ). (5)


Уравнения (4) и (5) являются условиями образования p-n-перехода. При решении этих уравнений относительно t2a и tд величины Naп, Nдn, Nдк, хэ, хк являются исходными параметрами модели и задаются разработчиком.

Интегральные БТ работают при малых токах коллектора Iк (1... 1000 мкА).

При таких токах коллектора статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером может быть рассчитан по формуле


(6)


где Iби — составляющая тока базы, обусловленная инжекцией дырок из базы в эмиттер;

Iбп и Iб р-п — составляющие тока базы, обусловленные рекомбинацией на поверхности пассивной базы и в области пространственного заряда (ОПЗ) р-п-перехода база-эмиттер.

Для БТ, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ), соблюдается следующее соотношение между токами эмиттера Iэ, коллектора Iк и базы Iб:

(7)


Для типичных значений Вст > 20 можно с погрешностью менее пяти процентов записать Iз  = Iк.

Ток Iэ обусловлен движением электронов, инжектированных из эмиттера в базу от эмиттерного к коллекторному p-n-переходу. Движение электронов по базе обусловлено двумя механизмами: диффузией и дрейфом. Диффузия электронов происходит из-за возникновения градиента электронов в результате увеличения их концентрации у эмиттерного края базы вследствие инжекции. Дрейф (движение под действием электрического поля) электронов по базе обусловлен наличием в ней ускоряющего поля, образующегося в неравномерно легированной (диффузионной базе) в результате диффузии дырок от эмиттерного к коллекторному краю базы. Возникает это поле в части базы, расположенной под эмиттером. На основании изложенного ток эмиттера может быть рассчитан по формуле


, (8)


где q — заряд электрона;

μп(х) — подвижность электронов в базе;

Е(х) — напряженность поля в базе;

п(х) — концентрация электронов в базе;

Dn(x) — коэффициент диффузии электронов в базе;

dn(x)/dxградиент электронов в базе.

Концентрация инжектированных электронов описывается выражением


(9)


где про(х) — равновесная концентрация (при Uэб = 0) электронов в точке (см. рис. 1,в), которая определяется соотношением


(10)


где ni, - концентрация собственных носителей зарядов в кремнии.

Согласно (9) и (10) при уменьшении концентрации |Na(xэ")-Nд(xэ")| увеличивается концентрация инжектированных электронов в базу. Из чего следует, что инжекция электронов в данной части эмиттера будет больше, чем в базовой. Кроме того, в базе под эмиттером имеет место ускоряющее попе. Следовательно, наибольший ток эмиттера протекает через дно эмиттерной области и часть базы, расположенной под ней. Поэтому базу под эмиттером называют "активной", а окружающую эмиттер - "пассивной".

Подвижность μп(х) и коэффициент диффузии Dn(x) растут с уменьшением концентрации легирующей примеси в базе (благодаря уменьшению столкновений с ионами легирующей примеси).

Напряженность поля Е(х) равна


(11)


где φТ = kT/q — температурный потенциал,

W'б = х'к- хэ" — толщина квазинейтральной базы (см. рис.1,в).

Из выражения (11) следует, что Е(х) увеличивается при уменьшении концентрации Nк и координаты х'к.

Границы областей пространственного заряда (ОПЗ) р-п-переходов, определяющие толщину квазинейтральной базы, рассчитываются следующим образом.

Переход база-эмиттер можно считать плавным и ширина его ОПЗ равна


(12)


где α(xэ)=dn(xэ)/dx — градиент распределения концентрации легирующих примесей в ОПЗ, снижающийся при их уменьшении;

εεо — диэлектрическая проницаемость кремния;

фкзпотенциальный барьер p-n-перехода база-эмиттер.

Потенциальный барьер p-n-перехода база-эмиттер рассчитывается по формуле


(13)


Ширина ОПЗ p-n-перехода коллектор-база


(14)


где — характеристическая длина в распределении акцепторов в базе;

фкк и Uкб — потенциальный барьер и напряжение на р-п-переходе коллектор-база.

Потенциальный барьер p-n-перехода коллектор-база находится из выражения


(15)


Из соотношений (12)...(15) следует, что ширина p-n-переходов база-эмиттер и коллектор-база увеличивается при уменьшении концентрации легирующих примесей в них, в частности при уменьшении Na(xэ) и Nдк.

Напряжение Uкб при включении БТ по схеме с ОЭ определяется из соотношения


(16)


где Uкэ — напряжение питания коллектора в схеме с ОЭ;

Rк — сопротивление области коллектора, по которой течет ток Iк.Граница ОПЗ p-n-перехода коллектор-база в базе х'к равна


(17)


Сопротивление области коллектора в соответствии с рис. 1,а определяется выражением (при этом сопротивление скрытой коллекторной области n+-типа и подконтактной области n+-типа не учитываются)


(18)


Градиент dn/dx можно найти из соотношения


(19)


или в соответствии с выражениями (9) и (10):


(20)


С учетом (10), (11) и (20) выражение (8) можно преобразовать к следующему виду:


(21)


где ‑ начальное (при Uбэ = 0) значение тока эмиттера.

Инжекционная составляющая тока базы Iби согласно (1) определяется выражением


(22)


где — начальное значение тока;

равновесная концентрация дырок в эмиттере;

напряженность тормозящего поля в эмиттере, образующегося в результате диффузии электронов от поверхности к р-п-переходу эмиттер-база;

время жизни инжектированных дырок в эмиттере.

Рекомбинационная составляющая тока базы Iбп согласно (1) описывается выражением


(23)


где — начальное значение тока;

q — концентрация ловушек захвата электронов и дырок;

Sn, Sp — сечения ловушек захвата электронов и дырок;

Vtn, Vtp — тепловые скорости электронов и дырок;

Dп пов — коэффициент диффузии электронов на поверхности пассивной базы;

τп пов — время жизни электронов на поверхности пассивной базы;

Рэ — периметр эмиттера.

Параметры Nt, Sn, Sp, Vtn, Vtp не зависят от топологических размеров и профиля легирования. Коэффициент Dп пов и время τп пов слабо зависят от концентрации акцепторов на поверхности. Кроме того, следует заметить, что ток Iбр в отличие от других составляющих тока базы пропорционален не площади, а периметру эмиттера. Последнее обстоятельство необходимо учитывать при анализе зависимости коэффициента передачи тока от топологических размеров эмиттера.


Случайные файлы

Файл
15091.rtf
89654.rtf
16705.rtf
5227-1.rtf
DIPLOM.DOC




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.