Дрейфового транзистора

При воздействии электрического поля на полупроводник средняя скорость движения носителей заряда становится не равной нулю (и Ф 0) в направлении, определяемом направлением напряженности электрического поля Е, она называется дрейфовой скоростью. Движение носителей заряда под воздействием электрического поля называется дрейфом. Плотность электрического тока, проходящего через полупроводник за счет движения электронов,

При воздействии электрического поля на полупроводник средняя скорость движения носителей заряда становится отличной от нуля (и f 0) в направлении, определяемом направлением напряженности электрического поля Е\ она называется дрейфовой скоростью. Движение носителей заряда под воздействием электрического поля называется дрейфом. Плотность электрического тока, проходящего через полупроводник за счет движения электронов,

равноускоренно со средней дрейфовой скоростью, определяемой выражением (9-74):

Предположим теперь, что в объеме Уг имеются подвижные отрицательно заряженные частицы — электроны, объемный заряд которых скомпенсирован равным по величине, но "противоположным по знаку зарядом неподвижных частиц. В целом объем Vt электрически нейтрален. Условие электронейтралыюсти выполняется и для объема F2, но в нем подвижные частицы — дырки несут положительные заряды. При удалении разделительной перегородки возникнет диффузия электронов из объема Vi в объем F2 и дырок в обратном направлении. Это движение будет сопровождаться перераспределением электрических зарядов, и, следовательно, возникнет электрическое поле g. Это поле вызовет дрейфовое движение частиц в направлении, противоположном их диффузионному движению. В условиях равновесия плотности дрейфового и диффузионного потоков должны быть равны (энергия Ферми для всей системы Еф == const). Иначе говоря, время диффузии частиц на длине Zcp должно быть равно времени их дрейфа на этом же пути. В электрическом поле частицы движутся равноускоренно со средней дрейфовой скоростью, определяемой выражением (9-74):

Представление о нулевой толщине канала на участке перекрытия является идеализацией, позволяющей упростить расчет характеристик и параметров транзистора. В действительности толщина канала в нуль не обращается, так как электроны проходят участок AL с конечной дрейфовой скоростью, близкой к скорости насыщения. Плотность тока j = qnvnac~qNKvHac. Толщина канала на участке перекрытия dKKtIcl(qbNKvHac). Например, для /с =5 мА, &=50 мкм, иНас=2-107 см/с, yVK = 1017 см~3 получим dK=« «0,03 мкм, т. е. значение, сравнимое с толщиной канала на участке L'. Около истока, например, толщина проводящей

равноускоренно со средней дрейфовой скоростью, определяемой выражением (9-74):

Предположим теперь, что в объеме Уг имеются подвижные отрицательно заряженные частицы — электроны, объемный заряд которых скомпенсирован равным по величине, но "противоположным по знаку зарядом неподвижных частиц. В целом объем Vt электрически нейтрален. Условие электронейтралыюсти выполняется и для объема F2, но в нем подвижные частицы — дырки несут положительные заряды. При удалении разделительной перегородки возникнет диффузия электронов из объема Vi в объем F2 и дырок в обратном направлении. Это движение будет сопровождаться перераспределением электрических зарядов, и, следовательно, возникнет электрическое поле g. Это поле вызовет дрейфовое движение частиц в направлении, противоположном их диффузионному движению. В условиях равновесия плотности дрейфового и диффузионного потоков должны быть равны (энергия Ферми для всей системы Еф == const). Иначе говоря, время диффузии частиц на длине Zcp должно быть равно времени их дрейфа на этом же пути. В электрическом поле частицы движутся равноускоренно со средней дрейфовой скоростью, определяемой выражением (9-74):

. Теперь рассмотрим, как должны вести себя электроны, объединенные в куперовские пары, при возбуждении в проводнике электрического тока. В отсутствие тока все пары вследствие полной корреляции имеют импульс, равный нулю, так как они образованы электронами, имеющими равные по величине и противоположные по направлению импульсы. Возникновение тока не нарушает корреляции пар: под действием внешнего источника, вызвавшего ток, все они приобретают один и тот же импульс и движутся как единый коллектив в одном и том же направлении с некоторой дрейфовой скоростью уд. При этом поведение таких пар в металле существенно отличается от поведения обычных электронов, совершающих направленное движение. Нормальные электроны испытывают рассеяние на тепловых колебаниях и других дефектах решетки, что приводит к хаотизации их движения и является причиной возникновения электрического сопротивления. Куперовские же пары, пока они не разорваны, рассеиваться на дефектах решетки не могут, так как выход любой из них из строго коррелированного коллектива маловероятен. Пару можно вырвать из конденсата, лишь разрушив ее. Однако при очень низких температурах число фононов, обладающих достаточной для этого энергией, исключительно мало. Поэтому подавляющее большинство образовавшихся куперовских пар сохраняется неразрушенным. Не испытывая рассеяния при своем направленном движении, они обусловливают появление сверхпроводящего тока, текущего через сверхпроводник без сопротивления. Так как связь в куперовских парах относительно слабая, то совершенный конденсат, охватывающий все электроны, способные объединяться в пары, может существовать лишь при абсолютном нуле. С повышением температуры в кристалле появляются фононы, способные разрушать пары и переводить электроны в нормальное состояние. Нормальные электроны, взаимодействуя с парами, нарушают их импульсную упорядоченность и ослабляют корреляционную связь в конденсате, т. е. уменьшают ширину энергетической щели Есв ( 7.14, б). При критической температуре Гвр энергетическая щель сужается до нуля и сверхпроводящее состояние разрушается; все электроны становятся нормальными. Теория БКШ дает следующее выражение для Ткр:

При выводе формулы (9.28) мы учитывали лишь скорость направленного движения электронов (дрейфовую скорость). Это естественно, так как хаотическое тепловое движение носителей-заряда не может привести к их направленному перемещению в магнитном поле. Кроме того, мы молчаливо допускали, что все носители в проводнике обладают одной и той же дрейфовой скоростью. Такое допущение может быть оправдано для металлов и вырожденных полупроводников, в которых ток переносится электронами, практически обладающими одной и той же энергией (фермиев^ ской), и совершенно не применимо к невырожденным полупроводникам, в которых носители, имеющие различную энергию, могут обладать и различной скоростью дрейфа из-за зависимости их подвижности от скорости теплового движения (точнее, от времени свободного пробега). Например, при рассеянии на заряженных примесях дрейфовая скорость высокоэнергетических носителей (носителей, обладающих высокими скоростями теплового движения) будет больше, чем низкоэнергетических; при рассеянии же на тепловых колебаниях решетки, наоборот, дрейфовая скорость высокоэнергетических электронов будет ниже, чем низкоэнергетических. Более строгая теория, учитывающая это обстоятельство, приводит к следующему выражению для постоянной Холла:

да, движущиеся с некоторой средней дрейфовой скоростью. Носители, дрейфующие быстрее, отклоняются в сторону силы Лоренца, медленно дрейфующие — в противоположную сторону. Какие из этих носителей являются более «горячими», зависит от преобладающего механизма их рассеяния. Например, если преобладает рассеяние на тепловых колебаниях решетки, «горячие электроны» имеют меньшую подвижность по сравнению с «холодными» и поэтому они будут отклоняться к грани С ( 9.4а) пластины и эта грань будет нагреваться; грань D, к которой отклоняются «холодные» электроны, будет охлаждаться. ,

да, в котором уже нельзя различить вновь инжектируемые носители. Вот почему нестационарный ток при выключении инжектирующих импульсов спадает очень медленно. Кроме того, на кривой релаксации отсутствует пик, связанный с переходными процессами. Такой эффект можно рассматривать как обобщенный процесс захвата носителей. В то же время можно очень точно измерить время освобождения носителей из ловушек, так как носители заряда при нестационарном токе можно собрать противоположным по знаку электродом. Средняя скорость дрейфа носителей к "электроду будет определяться в этом случае дрейфовой скоростью максимума гауссовского волнового пакета для свободных электронов. Такое же описание процессов можно применить и для наблюдаемой в аморфных полупроводниках прыжковой проводимости [ 120].

тура сплавного без» дрейфового транзистора

Таким образом, распределение носителей заряда, инжектированных эмиттером в базу бездрейфового транзистора, линейно ( 4.6, б). Этот вывод аналогичен полученному ранее для полупроводникового диода с тонкой базой (см. § 3.5) и, так же как для полупроводникового диода, является лишь предельным случаем. Реальное распределение носителей в базе бездрейфового транзистора отличается от линейного, хотя и незначительно.

Для дрейфового транзистора при постоянном значении напряженности электрического поля в базе (это соответствует экспоненциальному распределению примесей) без учета зависимости Dp от N

Наличие электрического поля в базе дрейфового транзистора способствует движению носителей заряда в сторону коллектора. Кроме того, в этом случае концентрация примесей в базе у коллектора невелика; следовательно, и контактная разность потенциалов в коллекторном переходе меньше, чем в эмиттерном. Поэтому даже при меньших прямых напряжениях на коллекторе, чем на эмиттере, концентрация носителей в базе у коллекторного перехода может оказаться больше, чем у эмиттерного ( 4.7, в).

Для дрейфового транзистора при E = const и Dp = const

Сравнение полученных выражений показывает, что при одинаковых размерах и напряжениях ток эмиттера дрейфового транзистора больше, чем бездрейфового.

Для дрейфового транзистора с постоянным полем в области базы

Таким образом, сопротивление эмиттера у бездрейфового транзистора меньше, чем у дрейфового, примерно вдвое. Это обусловлено тем, что сопротивление эмиттера в бездрейфовых транзисторах отражает не только изменение тока эмиттера при изменении напряжения, но и учитывает влияние модуляции толщины базы. В дрейфовых транзисторах ток эмиттера в значительной степени определяется электрическим полем; следовательно, роль модуляции толщины базы в данном случае меньше.

Для бездрейфового транзистора

о о р Для бездрейфового транзистора

Диффузионная емкость базы дрейфового транзистора получилась довольно большой, что отражает малую обратную связь между цепями коллектора и эмиттера из-за малого влияния модуляции толщины базы.