Запорожец  Издания 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 [ 163 ] 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193

ного объемного заряда будет Qc, который в основном опреде. ляется инжекцией дырок из области базы. Этот заряд, связанный с базовым током, примерно равен Qs (sat) Qc = J в (sat)Tp, где Тр - время жизни дырок в области коллектора, которое обычно составляет от 1 до 10 мкс (сравните с временем пролета носителями области базы 30-100 пс). Таким образом, объемный заряд транзистора, работающего в режиме насыщения, на несколько порядков больше, чем у транзистора, который работает в активном режиме.

Если транзистор должен выйти из режима насыщения, пройти активный режим и попасть в режим отсечки, то через него должен протекать определенный ток в течение периода времени, необходимого, чтобы удалить этот объемный заряд (рис. 7.11). Период времени, в течение которого течет этот ток, называется временем, рассасывания, 4. Уменьшение объемного заряда происходит двумя путями. Один из них - протекание обратного тока базы /в (z,, который непосредственно удаляет заряд из транзистора. Другой путь - рекомбинация неос110вных носителей объемного заряда с основными носителями. Скорость процесса рекомбинации дырок в области коллектора с электронами определяется выражением dQIdt = Qchp. Суммарная скорость уменьшения объемного заряда, следовательно, равна dQldt =-Iв (R) - Qshp, где Ib (R) - обратный ток базы, и мы приняли, что основная часть объемного заряда накоплена в области коллектора.

Если в процессе переключения обратный базовый ток незначителен или вообще равен нулю, то скорость рассасывания заряда приближенно определяется формулой dQJdt w -Qshp, т. е. рассасывание заряда со временем происходит по экспоненциальному закону:

Q,(0 = Q.(0)exp(-/Tp),

где Qs (0) - объемный заряд перед началом переключения. Отсюда время, необходимое для рассасывания объемного заряда, будет около 3 или 4Тр. Это приведет к очень большим временам рассасывания - вплоть до нескольких микросекунд.

Если л(е пропустить значительный обратный базовый ток /в (Ю. то, меняя его величину, можно управлять скоростью рассасывания объемного заряда. В этом случае имеем dQJdt -/в(«)> или Qs (О Qs (0) - lB(R)t. Время рассасывания - это время, необходимое для уменьшения заряда до нуля, поэтому 4

Qs (0) в(«). Поскольку Qs (0) = Qc (0) = /fl (SAT)Tp, формулу для времени рассасывания молено записать в виде is 1/в (sat) « (я) I тр- Таким образом, использование большого обратного тока базы может существенно снизить время рассасывания. В большинстве случаев оно может быть сокращено до 10 не.



Время спада, одна из составляющих времени срабатывания компаратора,-это время, необходимое для изменения падения напряжения на емкости перехода база-эмиттер от напряжения насыщения Ув£(5АТ) до напряжения отсечки Уве(смШ1). Емкость перехода база-эмиттер Сь-е обычно составляет от 10 до 30 пФ, а напряжение, необходимое для перевода транзистора из состояния насыщения в режим отсечки, лежит в пределах от 0,2 до 0,4 В. Время спада определяется формулой

AVbe = AQbe/Сье = /в t.R)tf/Cbe,

откуда

tf = AVsBCbe/lB (R) - {Vbe (sat) - Vbe (cutoH)) Сье в (R). (7.8)

Например, если Vbe (Sat) = 0,75 B, Vbe (cutoff) = 0,55 B, Cbe = 20 пФ, a /в(Л) = 1,0 мА, то время спада равно if = - 0,2 Вх20 пФ/1,0 мА = 4 не, откуда следует, что обратный базовый ток - определяющий фактор и для времени спада.

7.5. Методы повышения быстродействия

Есть несколько способов повышения скорости переключения транзистора из режима насыщения в режим отсечки.

1. Уменьшение времени рассасывания за счет сокращения времени жизни неосновных носителей.

2. Уменьшение времени рассасывания и спада путем увеличения обратного тока базы.

3. Сокращение объемного заряда в областях базы и коллектора за счет использования тонкой и слаболегированной базы.

4. Применение диодов с барьером Шотки, включенных параллельно переходу коллектор-база, для предотвращения прямого смещения перехода коллектор-база.

7.5.1. Сокращение времени жизни неосновных носителей. Первый способ сокращения времени жизни неосновных носителей связан со слабым легированием дополнительной примесью кристалла ИС в процессе производства. Эта примесь уменьшает время Жизни неосновных носителей и, следовательно, приводит к уменьшению объемного заряда, особенно в области коллектора. В качестве такой примеси обычно используют золото, которое является очень эффективным центром рекомбинации в кремнии, способствуя взаимодействию свободных электронов и дырок. Это повышает скорость протекания процесса рекомбинации и сокращает время н(изни неосновных носителей. Кроме золота в качестве примесей могут исг[ользоваться и другие тяжелые металлы, напри-ер медь и железо.



Применение дополнительного легирования кремния золотом (концентрация золота обычно от 10" до 10 см") позволяет сократить время жизни неосновных носителей от 1-10 мкс (в случае отсутствия дополнительного легирования) до менее 10 нс. Это приводит к уменьшению времени рассасывания также до примерно 10 НС.

Основной недостаток процесса легирования золотом заключается в его неизбирательности по отношению к другим элементам, т. е. легированию подвергаются все элементы, расположенные на ИС. Сокращение времени жизни неосновных носителей, вызванное легированием золотом, оказывает благоприятное влияние с точки зрения уменьшения объемного заряда, но наряду с этим имеют место нежелательные побочные эффекты. Сокращение времени жизни неосновных носителей приводит к уменьшению коэффициента передачи по току р транзисторов, поскольку усиливается рекомбинация неосновных носителей при прохождении через узкую область базы. На лрп-транзисторы с тонкой базой и временем пролета неосновных носителей через базу от 30 до 100 пс сокращение времени жизни неосновных носителей до 10 нс не будет оказывать сильного влияния. Объясняется это тем, что время жизни неосновных носителей значительно больше времени пролета, поэтому большинство инжектированных неосновных носителей будет благополучно достигать коллектора, преодолев область базы. Однако в сплавных и планарных рпр-траи-зисторах толщина базы обычно составляет от 4 до 10 мкм, следовательно, и время пролета в них будет больше, чаще всего в пределах от 10 до 50 НС. В результате этого сокращение времени жизни неосновных носителей до 10 нс может привести к очень сильному уменьшению коэффициента передачи по току транзисторов.

Еще одним крупным недостатком легирования золотом является увеличение обратного тока утечки транзисторов и диодов. Одной из основных составляющих тока утечки смещенного в обратном направлении /7/г-перехода является ток, связанный с тепловой генерацией неосновных носителей. Скорость генерации обратно пропорциональна времени жизни неосновных носителей, поэтому уменьшение времени жизни от 10 мкс до 10 нс приведет к увеличению этой составляющей тока утечки в отношении 1000 i 1.

7.5.2. При.иер: компаратор к760. Времена рассасывания и спада можно сильно сократить, увеличив обратный ток базы в момент переключения транзистора из режима насыщения в режим отсечки.

р,А760 (фирма Falrchild) - пример компаратора, в котором применяется этот метод наряду с легированием золотом для уменьшения времени жизни неосновных носителей. Этот компаратор имеет типичное время срабатывания 16 нс при скачке входного



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 [ 163 ] 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193