Инжектированных электронов

Светодиодами называются маломощные полупроводниковые источники света, основой которых является излучающий />-«-переход; свечение его вызвано рекомбинацией носителей заряда. Неосновные носители в базе (инжектированные эмиттером) рекомби-нируют и излучают освободившуюся энергию в виде квантов света. Наиболее интенсивно такая излуча-тельная рекомбинация происходит в так называемых прямозонных полупроводниках, типичным представителем является арсенид галлия. Такие полупроводники имеют специфическую зонную диаграмму.

В транзисторе с достаточно тонкой базой почти все инжектированные эмиттером электроны попадают в цепь коллектора, а значение /к близко к /э. Отношение этих токов /?21Б = /к/'э называют статическим коэффициентом передачи тока в схеме с общей базой. Обычно /»21Б = = 0,95 -f- 0,995, а /б во много раз меньше /к.

Режим насыщения. При работе.транзистора в режиме насыщения (см. 4.4, б) в прямом направлении включен не только эмиттерный, но и коллекторный переход. Это приводит к тому, что не все носители, инжектированные эмиттером и дошедшие до коллекторного перехода, перехватываются им. Условно можно считать, что навстречу потоку неосновных носителей, идущих из базы в коллектор, идет поток таких же носителей из коллектора в базу, и суммарный их ток определяется разностью этих потоков.

Обычно биполярные транзисторы малочувствительны к магнитному полю, так как поперечное магнитное поле приводит только к искривлению траекторий движения неосновных носителей заряда, идущих через базу от эмиттера к коллектору, что эквивалентно уменьшению эффективной подвижности неосновных носителей в базе транзистора. В связи с малой толщиной базы в обычных биполярных транзисторах практически все инжектированные эмиттером носители достигают коллектора, несмотря на искривление траекторий их движения магнитным полем. Другой физической причиной изменения парамет* ров биполярных транзисторов в магнитном поле является изменение сопротивления базы транзистора. Для увеличения чувствительно-

На самом деле электроны, инжектированные эмиттером, рекомбинируют с дырками не только в объеме активной области базы (под эмиттером), но и в объеме пассивной базы, на ее верхней поверхности вблизи эмиттера, па боковой и нижней поверхностях базы вблизи коллектора (см. 2.4). Потери электронов на боковой и нижней поверхностях базы исключают, изготовляя транзистор с пло-шадью коллектора, в 1,5—3 раза превышающей площадь эмиттера. Исключить рекомбинацию электронов на верхней поверхности базы и в объеме ее пассивной области нельзя.

При наличии тока эмиттера через ОПЗ коллекторного перехода протекают электроны, инжектированные эмиттером. Рассмотрим случай задания на коллекторе достаточно большого обратного напряжения UK, при котором напряженность электрического поля в большой части ОПЗ превышает значение 10" В/см, и скорость дрейфа электронов достигает насыщения (в кремнии os/I = 107 см/с). Плотность тока коллектора при этом Jn=qvsnn, в результате чего кон-

Пусть в момент времени t = t± на вход транзистора подан импульс напряжения t/BX ( 7.21, а)1, который вызвал соответствующее скачкообразное изменение тока эмиттера 1Э ( 7.21, б). Если бы для всех носителей заряда в базе траектории и скорости были одинаковы, то коллекторный ток через некоторое время задержки, равное времени пролета тпр носителей через базу, идеально воспроизвел бы форму тока эмиттера. Однако, как уже известно из параграфа 7.8, траектории и скорости движения носителей в базе различны. Поэтому одновременно инжектированные эмиттером носители заряда доходят до коллектора в разные моменты времени, что приводит к искажению переднего фронта импульса тока коллектора ( 7.21, в)2. В установившемся режиме, когда ток коллектора равен току насыщения /к нас, в базе транзистора имеется некоторая избыточная (по сравнению с равновесной) концентрация дырок и электронов. В момент окончания импульса тока /д

Оценивая частотные свойства транзистора, следует учитывать также, что диффузия — процесс хаотический. Неосновные носители зарядов, инжектированные эмиттером в базу, передвигаются в ней разными путями. Поэтому носители, одновременно вошедшие в область базы, достигают коллекторного перехода в разное время. Таким образом, закон изменения тока коллектора может не соответствовать закону изменения тока эмиттера, что приводит к искажению усиливаемого сигнала.

и напряжение среза Ес, определяемое для заданного рабочего напряжения на коллекторе икэр= ^кЭ2( 18.4, б). При работе транзисторов на высоких частотах существенное влияние оказывает время пробега тп носителей тока (электронов или дырок). Это время невелико и на сравнительно низких частотах им можно пренебречь, но с повышением частоты влияние его значительно усиливается. Влияние времени тп проявляется прежде всего в том, что заряды, инжектированные эмиттером в один и тот же момент времени, приходят к коллектору в разное время. Появляется рассеяние носителей тока, которое приводит к уменьшению коэффициента усиления транзистора по току, тем более сильному, чем выше частота генерируемых колебаний. Инерционность носителгй тока приводит также к возникновению между первой гармоникой коллекторного тока и колебательным напряжением на контуре фазового сдвига, зависящего от времени движения носителей тока.

Биполярные транзисторы работают на основе использования носителей обоих знаков—-электронов и дырок, вследствие чего они и получили такое название. Транзистор типа р—п—р ( 3.1,а) состоит из двух р—я-пе-реходо(В с общей базовой областью. Один р—«-переход включается в лрямом направлении и инжектирует в базу дырки, он называется эмиттером, второй называется: коллектором, так как он включается в обратном направлении и собирает инжектированные эмиттером дырки..

( 7Л8,а). Ё отсутствие магнитного поля инжектированные эмиттером носители заряда распределяются поровну между коллекторами, и их токи равны. Соответственно потенциалы коллекторов одинаковы (при равных RK в схеме 7.18,а), и разность напряжений между коллекторами равна нулю (V=0). Поперечное магнитное поле отклоняет поток носителей в сторону одного из коллекторов (к2), что приводит к увеличению его тока и уменьшению тока другого коллектора (кг).. По этой причине потенциал одного коллектора уменьшается, а другого увеличивается и напряжение между коллекторами растет с увеличением магнитного поля. При смене полярности магнитного поля меняется и знак напряжения между коллекторами.

На 7.2,а показана обычная конструкция однопереходного транзистора с поверхностью, обладающей высокой скоростью рекомбинации в нижней части базы. При указанной полярности поперечного магнитного поля инжектированные эмиттером дырки отклоняются к этой поверхности и рекомбинируют на ней. Так же, как и

Биполярные транзисторы изготовляют так, чтобы концентрация электронов в эмиттере значительно превышала концентрацию дырок в базе. В этом случае малым потоком дырок, инжектируемых из базы в эмиттер, можно пренебречь и считать, что при прямом смещении весь ток эмиттера определяется потоком инжектированных электронов:

тонкий диэлектрик эмиттера ( 4.10, в), на эмиссии Шот-ки ( 4.10, г) и др. В пленочных транзисторах для уменьшения поглощения инжектированных электронов базу делают толщиной 0,01—0,02 мкм. При столь малой толщине базы пленочный транзистор обладает потенциально лучшими СВЧ-характеристиками по сравнению с биполярным транзистором. Изготовление пленочных транзисторов сопряжено со значительными технологическими трудностями.

В р-области электроны, перешедшие из л-области, являются неравновесными избыточными неосновными носителями заряда. При постоянном прямом напряжении U концентрация их у границы слоя пространственного заряда поддерживается на постоянном уровне, зависящем от U. Введение избыточных неосновных носителей при прохождении прямого тока через р-п-переход называют инжекцией. По мере удаления от границы пространственного заряда концентрация инжектированных электронов убывает вследствие рекомбинации с дырками - основными

где р — коэффициент переноса электронов через базу, показывающий, какая часть инжектированных электронов достигает коллекторного перехода; у — коэффициент инжекции электронов из эмиттера в базу. •

Вследствие рекомбинации части инжектированных электронов с основными дырками базы плотность электронной составляющей тока эмиттера уменьшается на величину /рек. Поскольку плотность рекомбинационного тока определяется скоростью рекомбинации избыточных электронов во всей базовой области, ее можно выразить как

ся в сильном электрическом поле, высокая напряженность которого обусловлена малой длиной канала и большим напряжением 1/уПрог. Число инжектированных электронов пропорционально току канала, составляющему несколько миллиампер. Так как напряжение на управляющем затворе выше, чем на стоке, в диэлектрике существует вертикальная составляющая вектора напряженности электрического поля, благодаря которой инжектированные в окисел электроны дрейфуют к плавающему затвору и накапливаются на нем. Ток через диэлектрик очень мал (единицы пикоампер), поэтому время программирования одного элемента памяти весьма велико (около 1 мс) и на 4 порядка превышает время считывания.

Особенности многоэмиттерного транзистора как единой структуры состоят в следующем ( 9.5, б). Каждая, пара смежных эмиттеров вместе с разделяющим их р-слоем базы образует так называемый горизонтальный (продольный) транзистор типа прп. Если на одном из эмиттеров действует прямое напряжение, а на другом — обратное, то первый будет инжектировать электроны, а второй собирать те из них, которые прошли без рекомбинации расстояние между эмиттерами. Такой транзисторный эффект является паразитным,- так как в обратносмещенном переходе, который должен быть запертым, будет протекать ток. Чтобы избежать этого явления, расстояние между эмиттерами должно быть не менее 10... 15 мкм. В этом случае рекомбинация инжектированных электронов с дырками базового слоя будет наиболее вероятной и до обратносмещенного перехода свободные электроны практически не дойдут.

«т-», то сопротивление структуры будет, очень велико. Наоборот, при подсоединении «+» источника к левому, а «—» к правому контакту электроны и дырки будут втягиваться в глубь диэлектрической пленки из приконтактных областей, обеспечивая заметнук>= электропроводность. Как и в рассмотренном ранее случае инжек-ции в диэлектрик носителей одного знака (монополярная инжекция}, заряд инжектированных носителей ограничен величиной CV, где С — емкость структуры; V — приложенное к ней смещение. Однако теперь объемные заряды возникают в пленке лишь в результате различия в концентрациях инжектированных электронов и дырок. На сами же эти концентрации ограничений не накладывается. Поэтому величина тока при двойной (биполярной) инжекции значительно больше, чем при тех же разностях потенциалов в условиях монополярной инжекции, и, как показывает расчет, определяется следующим соотношением:

Как видим, концентрация инжектированных дырок зависит только от равновесной плотности дырок в га-области и приложенного напряжения и не зависит от параметров р-области. Аналогично можно получить выражение для концентрации инжектированных электронов на границе р—п-перехода и р-области:

диодом. При приложении внешнего напряжения в прямом направлении из р-области в i-базу инжектируются дырки, а из «-области электроны. Инжектированные дырки, диффундируя через базу, частично ре-комбинируют с электронами, а оставшаяся часть пе-рп реходит в n-область, где рекомбинация завершается быстрее вследствие большей концентрации электронов. Аналогично происходит движение инжектированных электронов и? «-области через базу в р-область.

электронейтральности концентрации инжектированных электронов и дырок равны {n'i—p'i), следовательно,