.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Приборы с инжекционным питанием образованы по меньшей мере четырьмя контактными переходами. Потому число параметров, определяющих их свойства, превышает число параметров, определяющих свойства БПТ. В ограниченный перечень параметров МКТ с электрическим инжекционным питанием можно отнести:

допустимое рабочее напряжение Uраб, В;

коэффициент передачи тока инжектора в базу одного МКТ (αin);

коэффициент передачи тока базы МКТ к одному коллектору (Воn);

коэффициент передачи тока эмиттера в коллектор МКТ (αоn);

инверсный коэффициент передачи тока коллектора МКТ к эмиттеру (αоi);

инверсный коэффициент передачи тока инжекторного транзистора (αii);

остаточное напряжение на открытом МКТ Uceо, В;

напряжение база-эмиттер открытого транзистора Ubeo, В;

ток инжектора МКТ (Ii), А;

ток инжекции в базу МКТ, Iib, A;

ток эмиттера МКТ (Ie) и его составляющие, А;

ток одного коллектора МКТ (Iс1), А;

время переключения, сек.

Допустимое рабочее напряжение МКТ определяется напряжением пробоя перехода эмиттер-база основной структуры БПТ, если МКТ реализуются на основе типовой технологии производства БПТ ИС. Применение специальных технологий производства электронных устройств на МКТ часто предполагает технологическую минимизацию толщины слоя активной зоны базы (под коллектором МЭТ). В этом случае определяющим ограничивающим фактором для оценки допустимого напряжения является напряжение прокола базы. В МКТ угроза прокола базы по применению прибора связана с режимом отсечки МКТ, когда переход коллектор-база находится под обратным смещением, а база и эмиттер закорочены. Напряжение прокола базы Ucbp определяется из условия

 Wb≥ Wcbb (Ucbp) +Webb (Uebo), (2.104)

где Wb, Wcbb (Ucbp), Webb (Uebo) — соответственно технологическая толщина базы под коллектором, толщины слоев пространственного заряда перехода коллектор-база и эмиттер-база в технологическом базовом слое при напряжении прокола Ucbp и нулевом напряжении Uebo (Uebo=0). Для исключения изменения чувствительности при повышении напряжения Ucb необходимо толщину слаболегированного n-слоя эмиттера под базовым слоем устанавливать не менее толщины слоя пространственного заряда перехода эмиттер-база в эмиттере. В первом приближении оценить напряжение прокола можно по формуле

 Fk+Ucbp ≈ [q×Nbср/(2×ε×ε0)]×Wb2, (2.104а)

где Nbср — усредненная концентрация р-примеси в базовом слое;

Fk — контактная разность потенциалов переходов МКТ (≈ 0,7 В).

Коэффициент передачи тока от инжектора к базе одного из N питаемых транзисторов αin (нормальное включение) оценивается по формулам

 αin = 2×Gi×Zi/[N×(1+2×Gi)], (2.105)

где отношение токов инжекции неосновных носителей в эмиттер МКТ из инжектора через боковую и донную поверхности перехода инжектор-эмиттер оценивается по формуле (коэффициент распределения потоков носителей для инжектора)

 Gi = F×Xb×L2e/ (Zi×Wib×Bi×We), (2.105а)

а коэффициент переноса неосновных носителей из инжектора в базу МКТ — по формуле

 Zi = 1/[1 + (W2ibWeр/2× F×Xb×L2e)]. (2.105б)

В формулах (2.105) приняты обозначения:

Xb — технологическая толщина базового слоя (пассивный слой);

Le — диффузионная длина неосновных носителей в слаболегированном слое эмиттера;

Wib — расстояние между боковыми поверхностями областей пространственного заряда инжектора и базы в эмиттерном слое;

We — расстояние от нижней границы пространственного заряда эмиттерного перехода в слаболегированном слое эмиттера до скрытого слоя или n+-подложки;

Weр — толщина слаболегированного слоя эмиттера от поверхности кристалла до скрытого слоя или n+-подложки;

Bi — ширина инжектора (на рис.2.44 ширина в направлении перпендикуляра к полосе инжектора и Bi = 2×Δ +Lcc);

F — безразмерный поправочный коэффициент учета размеров структуры МКТ (в диапазонах отношений 5 ≥ Wib/Xb ≥ 1; 3,5 ≥ We/ Xb ≥ 0 определяется по эмпирическому выражению вида

1< [F≈ (1 + 0,04× Wib/Xb + 0,05× We/ Xb + 0,09×Wib×We/X2b)]<3.

Коэффициент передачи тока базы МКТ к одному коллектору (Воn) оценивается по формуле (нормальное включение)

 Bоn ≈ Sc×Nb×ξ×Db×L2e/[Se×Ne×De×We×Wbo× (1+Ge)], (2.106)

где отношение токов инжекции неосновных носителей в эмиттер МКТ из базы через боковую и донную поверхности эмиттерно-базового перехода (коэффициент распределения носителей, инжектированных из базы в эмиттер)

 Ge = F×Xb×L2e/(Lb×Wib×We×Zi) (2.106 а)

и коэффициент влияния тормозящего поля в базе (ξ) вследствие неравномерного легирования базы

 ξ = (Wbo/Lpb)/ [exp(Wbo/Lpb)–1]. (2.106 б)

В формулах (2.106) приняты обозначения:

Nb, Ne — концентрации неосновных носителей в базе и эмиттере соответственно на границе областей пространственного заряда перехода эмиттер-база;

Db, De — коэффициенты диффузии неосновных носителей в базе и эмиттере соответственно;

Lpb — диффузионная длина атомов примеси в базе;

Wbo — нейтральная ширина базового слоя под коллектором (слой активной базы);

Lb — длина базы МКТ.

Коэффициент передачи тока эмиттера в один коллектор МКТ αоn определяется по формуле (нормальное включение)

 αоn = Bon/[(∑Bonj)+1] (1<j<ν), (2.107)

где ν — число коллекторов МКТ с коэффициентами передачи тока базы Bonj.

Коэффициент передачи тока от одного коллектора МКТ к эмиттеру αоi (инверсное включение) может быть оценен по формулам (2.31) — (2.36) и пренебрежимо мало отличается от единицы.

 Коэффициент передачи инжекторного транзистора (αii) в инверсном включении оценивается по формуле

 αii =Zi×Ge/[ν×Bon×(Ge+1)]. (2.108)

Остаточное напряжение на открытом МКТ (Uceо) определяется по формуле

Uceo=(m×Ft){Ln[1/(αоn)]+Ln[Ibk+(1–αoi)×Ic]/[Ibk–Ic/Bn]},

где Ic — ток одного коллектора МКТ;

Ibk = (Ib + Ii) — эквивалентный ток базы МКТ;

Ib,Ii — внешний ток базы и ток инжекции в базу со стороны инжектора и (ν–1) коллекторов;

Вn = Ic/Ibk — эффективный коэффициент передачи тока базы по одному коллектору с учетом влияния инжектора и смежных коллекторов МКТ определяется через значения αоn, αоi, α in, αii по формуле

Вn = αоn/[1–ν×αоn +(ν–1)×(1–αоi)×αоn–α in×αii]. (2.109)

В типовых режимах применения значение остаточного напряжения не превышает (3–4)×(m×Ft) и соответствует напряжению U0 (лог. 0).

Напряжение между базой и эмиттером открытого транзистора Ubeo определяется по выражению вида

 Ubeo = (m×Ft)×Ln{[Ibk+(1–αoi)×Ic]/Io +1}, (2.110)

где Io — эффективный ток насыщения, определяется по формуле

 Io=Ico×[1–(ν–1)×αоi×αоn–α in×αii], (2.111)

где, в свою очередь, Ico есть ток насыщения p-n-перехода одного коллектора МКТ с базой. В формулах (2.109), (2.111) выражения в квадратных скобках должны быть положительными, не превышая единицу.

Напряжение Ubeo соответствует напряжению уровня лог. 1 (U1) цифровых узлов в соединениях коллекторов МКТ с базами нагружающих транзисторов.

  Амплитуда выходного сигнала ΔU цифровых узлов с МКТ не превышает значения

ΔU = Ubeo – Uceo.

Ток инжектора Ii в базу инжекторного транзистора (эмиттер МКТ) через параметры структуры и топологии инжектора и МКТ определяется по формуле

Ii = A1× {[(F×q×Bb×Xb×De×Ne)/(WibZi)]+Sdi×q×Ne×We/τe}, (2.112)

где τe — время жизни неосновных носителей в эмиттере;

Sdi — площадь донной поверхности инжектора.

Ток инжекции в базу МКТ (Iib) от инжектора определяется с учетом потерь по соотношению

 Iib ≈ (A1× α in× Ii). (2.113)

Ток инжекции в базу неосновных носителей из эмиттера МКТ (Ieb) определяется по выражению

  Ieb = A× [Sea×ξ×q×Db×Nb/Wbo+Sep×Nb×Lpb/τb], (2.114)

при условии соответствия скорости поверхностной рекомбинации Vs неравенству

Vs<< LpbNpbo/τbNp(Xb–Webb)

(Sea, Sep — соответственно донная площадь эмиттера под коллекторами и вне перекрытия коллекторами).

Ток инжекции в эмиттер неосновных носителей из базы МКТ (Ibe) определяется по выражению

Ibe ≈ A×[(Bb×Lb×q×We×Ne/τe)+F×q×Bb×Xb×De×NeZi/Wib], (2.115)

при условии соответствия скорости поверхностной рекомбинации Vse на участке базы (Wib) инжекторного транзистора (слой высокоомного эмиттера) неравенству

Vsе<< We/(2×τe),

и эффективной скорости поверхностной рекомбинации Vsе+ на границе высоколегированного слоя с высокоомным слоем эмиттера неравенству

 [Vsе+ ≈ Npe×Le+/(Npe+×τe+)] << We/(τe). (2.114a)

В формуле (2.114а) апострофом «+» отмечены параметры высоколегированного слоя, а индекс «р» идентифицирует индексируемый параметр примесных атомов. Выполнение приведенных неравенств обеспечивается совершенствованием технологии формирования высоколегированных слоев с пониженными значениями отношения Le+/τe+.

Полный ток эмиттера определяется как сумма токов Ibe и Ieb.

Ток одного коллектора МКТ Ic1 определяется либо через значения Bon и ток Iib, либо через полный ток эмиттера и коэффициент передачи его в коллектор αоn.

В выражениях (2.112) — (2.114) коэффициенты А и А1 определяют зависимость токов инжектирующего и эмиттерно-базового p-n-переходов от напряжений (Uie, Ueb)

A = exp[Ueb/(m×Ft) –1],

A1 = exp[Uie/(m×Ft) –1].

Значения А1 и А связаны между собой по принципу работы МКТ. Так, при прямом смещении перехода инжектор-эмиттер в базу МКТ (при разомкнутой внешней цепи база-эмиттер) втекающим током Iib создается прямое смещение на переходе эмиттер-база Ueb. В результате этого в базу МКТ из эмиттера инжектируются неосновные носители, образующие ток Ieb, а из базы в эмиттер инжектируются носители, образующие ток Ibe. С коэффициентом передачи αоn суммарный эмиттерный ток передается в коллектор, образуя коллекторный ток

Ic = αоn×(Ieb+Ibe).

Если сочетание параметров структуры и топологии МКТ и инжектора позволит обеспечить для выходной цепи

Ic>Iib,

то при втекающем токе Iib МКТ транзистор войдет в режим насыщения и напряжение на коллекторе будет равно Uceo.

Очевидно, что для построения цифровых электронных узлов необходимо обеспечить возможность расширения числа нагрузок на МКТ. Следовательно, во входной цепи тока Iib должно быть достаточно для перевода в режим насыщения не менее ν ≥ 2 коллекторов МКТ, т.е. должно выполняться условие

(Iib/ν)Bon > Ic> Iib,

из которого следует Воn ≥ ν.

Время переключения МКТ определяется процессами накопления неосновных носителей заряда в отдельных областях конструкции МКТ и зарядом барьерных емкостей переключаемых p-n-переходов.

Коэффициенты передачи тока αоn, αoi, αin, αii являются функциями времени и в первом приближении представляются обобщенным выражением вида

 α(t) ≈ α×(1–e –t/τ), (2.116)

в котором перечисленным индексированным коэффициентам передачи тока соответствуют индексированные постоянные времени τon, τoi, τin, τii. Постоянные времени τon, τoi, τin, τii определяются по следующим оценочным формулам [9]:

τon ≈ Se×Ne×Wbo×We/(Sc×Nb×ξ×Db) >10×τoi, (2.117)

τin ≈ [Wep×L2ib/(2×F×Xb×De)]×[1+Bi×We/(Wep×Lib)],

τii ≈ [Wep×L2ib/(2×F×Xb×De)][1+2×Lb×We/(Wep×Lib)],

анализируя которые, не представляет сложности выработать рекомендации по снижению постоянных времени.

Наряду с постоянными времени τon, τoi, τin, τii для коэффициентов αоn, αоi, αin, αii широко применяется постоянная времени τbon для коэффициента Вon (одного из основных режимов управления переключающим МКТ во включении в схеме с общим эмиттером в активной области)

  τbon ≈ τe/(1+Ge) = τon×(1+ν×Bon) = τon/(1–ν×αоn). (2.118)

Постоянная времени рассасывания избыточных носителей при выключении МКТ оценивается по выражению

τр ≈ (τon + τo)/(1– αоn×αoi).

Соотношение (2.118) определяет зависимость τbon и Bon от τe. Учитывая формулы (2.110), (2.117), можно формулу (2.118) преобразовать к виду

 Bon = τbon× Sc×Nb×ξ×Db/ Se×Ne×Wbo×We (2.118а)

и применять полученный результат для оценки τbon по принятому значению Bon.

На длительность процесса переключения МКТ оказывают влияние не только параметры диффузионных и дрейфовых процессов, но и процессы перезаряда барьерных емкостей переключаемых переходов. Такими переходами являются эмиттерно-базовый и коллекторно-базовый. Вследствие изменения напряжения барьерные емкости, являясь функциями напряжения, изменяются. Для оценки вносимой задержки и искажения фронтов переключения в первом приближении целесообразно емкости принять неизменными, определяя их при усредненном напряжении на переходах Ucp ≈ (U0+U1)/2 по формулам

Сeb = ε×ε0×Se/Web(Ucp),

Ccb = ε×ε0×Sc/Wcb(Ucp).

Через постоянные времени τbon, τр, емкости Сeb Ccb и токи управления определяются задержки и фронты переключения тока в транзисторах МК-структур. Так, для схемы включения МКТ с общим эмиттером по постоянным времени τi без форсирования выключения внешним вытекающим током базы время рассасывания tp определяется по формуле

  tp = τp×Ln[αin×Iи/(Ic/Bon)], (2.119)

длительность фронта нарастания tн определяется по формуле

 tн = τbon×Ln[(Bon×αin×Iи–0,1×Ic)/(Bon×αin×Iи–0,9×Ic)],  (2.120)

длительность фронта спада tc определяется по формуле

 tc = τbon×Ln[(0,9×Ic)/(0,1×Ic)].  (2.121)

Время заряда t+ и разряда t– барьерных емкостей можно оценить при известных значениях емкостей и перепада напряжений по соотношениям вида

  t+= Ci×(U1–U0)/(αin×Iи), (2.122)

 t–= Ci×(U1–U0)/(Ic–αin×Iи). (2.122а)

В отличие от составляющих tp, tн, tc составляющие t+, t– определяются не отношением токов, а абсолютными значениями тока заряда и разряда емкостей переходов эмиттер-база и коллектор-база. Учитывая способ суммирования составляющих длительности (см.формулу (2.85)), следует отметить повышение веса составляющих t+, t– при уменьшении токов прибора.


На главную