Transistor trong mach IC

Transistor trong mạch IC

TRANSISTOR TRONG MẠCH IC Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Biên soạn: TS. Lê Tuấn 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội 2 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội 4 Kiến thức cơ sở về transistor lưỡng cực • Cấu trúc: giống như hai diode p-n nối xoay đầu vào nhau • Chế độ điện áp V BE V BC Vùng bão hòa (Saturation) Vùng cắt Cut-off Vùng tích cực thuận (Forward active) Vùng tích cực ngược (Reverse active) transistor n-p-n n n p E B C transistor p-n-p p p n E B C 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội 5 Transistor lưỡng cực ở chế độ tích cực thuận • Giản đồ năng lượng • Các thành phần dòng điện 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội 6 • Ví dụ với transistor lưỡng cực p-n-p trong chế độ điện áp thuận 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội 7 Profile phân bố tạp chất trong transistor lưỡng cực - Emitter cấy ion - Transistor nhiều emitter • Cấu trúc thực tế của transistor lưỡng cực đơn (a) và planar trong mạch IC (b). • Profile phân bố tạp chất trong transistor 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội 8 17 3 17 17 3 ( ) 18.7ln meV for 7 10 7 10 ( ) 0 for 7 10 d g d d g d a N E N N cm E N N cm               Sự co hẹp bề rộng vùng cấm • Đối với bán dẫn pha tạp mạnh, năng lượng hiệu dụng ion hóa tạp chất giảm giá trị Đối với bán dẫn loại n Đối với bán dẫn loại p 2 17 3 17 17 17 3 ( ) 9 ln ln 0.5 meV for 10 10 10 ( ) 0 for 10 aa g a a g a a NN E N N cm E N N cm                              • Nồng độ hiệu dụng hạt tải thuần 0 22 00 exp exp g g g ie c v i E E E n p n N N n kT kT                    04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội 9 2 exp for uniform base doping electron current for a n-p diode n ie BE C aB B qD n qV J N W kT     ; Dòng collector I C 2 22 () 0 ln n n p n p n p pn p p p p ie n p n p ie ie d J qn dx dd qn dx dx n p n p n d kT qD p dx n q n                           ;; 2 2 2 0 0 00 2 (0) (0) exp (0) B B W p p p p p n n ie ie ie x W x pp BE ie p n p n p J dx qD n n n np qV n kT                   ; 0 00 (0) (0) (0) (0)exp (0) pp BE p p p pp qV n n n kT     ; ? 2 0 exp B BE C W p n ie qV q J p kT dx Dn      2 0 exp B E BE C E C W p n ie qA qV I A J p kT dx Dn      [...]... trống sinh ra trong quá trình đánh thủng thác lũ thoát ra qua vùng base  Dòng hiệu dụng base giảm đi  Đối với đánh thủng thác lũ rất mạnh, dòng lỗ trống sinh ra do đánh thủng thác lũ trở nên lớn hơn dòng base bình thường  chiều của dòng base thay đổi ngược lại 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội 24 Cấu trúc transistor lưỡng cực hiện đại Poly Emitter Base Silicide Extrinsic Base Collector Silicide SiGe... Base Shallow Trench Selectively Implanted Collector (SIC) Buried Subcollector Deep Trench 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội 25 Ảnh SEM mặt cắt ngang của transistor lưỡng cực hiện đại C B E STI SiGe base DT 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội 26 SiGe Heterojunction Bipolar Transistor (HBT) eEC Si Emitter SiGe Base Si Collector EV • • Điện trường trong vùng base (30~50 kV/cm) – Thời gian đi qua vùng... ni trong vùng base – Làm tăng IC  tăng hệ số khuếch đại dòng điện  Cho phép pha tạp vùng base cao hơn  giảm RB/ giảm NFmin hay giảm WB 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội 27 375 GHz SiGe HBT 1e+0 400 AE=0.12x2.5um 2 AE=0.12x2.5m 2 1e-2 VCB=0.5V Ic, Ib (A) fT , fmax (GHz) 300 fT 1e-4 1e-6 1e-8 200 nC=1.05 nB=1.08 1e-10 fmax 100 1e-12 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Vbe (V) 12 0 0.1 1 10 Ib=3uA step 100 10 Ic. .. nối qua điện trở tới emitter Đánh thủng transistor 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội 20 Thế đánh thủng C-E BVCEO VCE   1     1/ n  1 04/01/2014 + + - 1/ n VCE V CE + BVCE  BVCER BVCES - BVCBO Ion hóa do va chạm RS  IBA IBF đối với BVCEO đối với BVCER đối với BVCES - RB n Đại học Bách khoa Hà Nội p ICA n 21 Hệ số đánh thủng thác lũ M (Avalanche Multiplication Factor) Emitter chung Base chung... đường ngoại suy của IC  Giá trị VA càng nhỏ thì hiệu ứng Early càng mạnh VA  VCE  I C   IC   VCE   1 1 Q pB  I C  VA ; I C   ; VCE  CdBC  2 qDnB (WB )nieB (WB ) WB N B ( x) ; 2 0 DnB ( x)nieB ( x) dx CdBC 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội 15 Dòng collector ở mức tiêm hạt dẫn cao • Ở mức tiêm hạt dẫn cao vào vùng base mật độ dòng JC giảm đi – Nồng độ lỗ trống tăng trong vùng base... electron Đại học Bách khoa Hà Nội 18 Dòng dò base • Dòng base gây ra bởi các quá trình phát sinh – tái hợp (G – R) – Dòng G-R do các tâm sai hỏng khối trong Si được bỏ qua – Dòng G-R gây ra bởi các bẫy trên mặt phân cách của chuyển tiếp là đáng kể – Nếu trong số bẫy bề mặt còn gồm có các tâm ở vùng chuyển tiếp E-B, dòng base tỷ lệ theo IB ~ exp(qVBE/2kT) • Dòng base gây ra bởi các quá trình tunnel –... I IC 0  C    ( I E ) I E I B  I C 1  0 Đại học Bách khoa Hà Nội 12 Các đặc trưng một chiều • Đồ thị giá trị các số Gummel • Đặc trưng I-V 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội VBE (V) 13 Các điện trở nối tiếp vùng emitter và base rb  rbx  rbi rc  rc1  rc 2  rc 3 • Sự thay đổi hiệu điện thế đặt vào chuyển tiếp emitter – base VBE do điện trở nối tiếp (VBE ảnh hưởng lớn tới đặc tuyến ra IC. .. 0   J n (WB  WdBC )   J n (0)  J p (0)  0 1  0 J n (0) J n (WB ) J n (WB  WdBC ) J n (WB )   J n (0)  J p (0)  J n (0)  T M  : emitter injection efficiency T : base transport factor M : avalanche multiplication factor 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội 22 Quan hệ giữa BVCEO và BVCBO For reverse-biased diode, M (V )  1 1  V / BV  m For reverse-biased B-C diode M (VCB )... tiếp vùng emitter và base rb  rbx  rbi rc  rc1  rc 2  rc 3 • Sự thay đổi hiệu điện thế đặt vào chuyển tiếp emitter – base VBE do điện trở nối tiếp (VBE ảnh hưởng lớn tới đặc tuyến ra IC – VCB của transistor) VBE   I E re  I B rb ; I C re  I B re  rb  ' VBE  VBE  VBE Các biểu thức có chứa VBE đều phải thay bằng V’BE: - Đối với dòng base, thay đổi thừa số - Đối với dòng base, thay đổi... 0.1 1 10 Ib=3uA step 100 10 Ic (mA) • • Tần số cắt dòng fT=375GHz (fT: tần số khi hệ số khuếch đại dòng điện bằng 1) Tần số cắt công suất fmax=210GHz (fmax: tần số khi hệ số khuếch đại công suất bằng 1) Ic (mA) 8 6 4 2 0 0 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội 0.5 1 Vce (V) 1.5 2 28 So sánh với các linh kiện RF khác 600 fT (GHz) 500 400 III-V HEMT 300 III-V HBT 200 SiGe HBT 100 0 1985 Si CMOS 1990 1995 . • Ví dụ với transistor lưỡng cực p-n-p trong chế độ điện áp thuận 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội 7 Profile phân bố tạp chất trong transistor lưỡng cực - Emitter cấy ion - Transistor nhiều. Transistor nhiều emitter • Cấu trúc thực tế của transistor lưỡng cực đơn (a) và planar trong mạch IC (b). • Profile phân bố tạp chất trong transistor 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội. TRANSISTOR TRONG MẠCH IC Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Biên soạn: TS. Lê Tuấn 04/01/2014 Đại học Bách khoa Hà Nội 2 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC 04/01/2014