バイポーラ接合トランジスタ (BJT) に関するすべて

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2024-03-21 2597

バイポーラ接合トランジスタの起源

バイポーラ接合トランジスタは、1947 年にベル研究所の研究チームによって発明されました。最初のトランジスタは、ゲルマニウム基板と点接触する鋭い端点を備えた XNUMX 本の金属ワイヤで構成されていました。今日の標準からすると原始的ではありますが、この最初のトランジスタはエレクトロニクス産業全体と人類の生活様式を大きく変えました。

最新のバイポーラ接合トランジスタでは、基板としてゲルマニウムがシリコンに置き換えられ、点接触が 2 つの隣接して結合された pn 接合に置き換えられています。構造は、pnp または npn の形式を取ることができます。

「転送抵抗器」の略称であるトランジスタは、多接合半導体デバイスです。通常、トランジスタは他の回路コンポーネントと統合され、電圧、電流、または信号の電力増幅を実現するために使用されます。

バイポーラトランジスタは、バイポーラ接合トランジスタ (BJT) としても知られ、最も重要な半導体デバイスの 1 つであり、高速回路、アナログ回路、電力増幅などに幅広い用途が見出されます。

PN接合とは何ですか?

p型半導体とn型半導体の間の接触によって形成される接合です。

たとえば、p 型半導体は、ロブスターに見られる巣穴に似た、多数の穴 (電子正孔として知られる) が詰まった四角い粘土のようなものです。 n型半導体も四角い粘土ですが、中にはたくさんのロブスター（自由電子）が詰まっています。この 2 つの粘土を貼り合わせると、ロブスターが巣穴に向かって這っていきます。

最前列の巣穴を最初に見つけるのは、一番前のロブスターです。最前列のロブスターが巣穴に潜り込むと、その後ろのロブスターはさらに登らなければならず、巣穴を見つけるのはさらに困難になります。

最前列の巣穴はすでにほぼ枯渇しているため、半導体業界ではこの領域を空乏領域と呼んでいます。

PN接合には整流と呼ばれる特性があり、電流は一方向にのみ流れます。

それはドアのようなものです。人がドアを一方向に押すのは簡単ですが、反対方向に押して開けようとすると困難になります。もちろん、ドアが壊れるまで強い力で激しくドアを押すこともできます。このプロセスを接合部の破壊と呼んでいます。

PN接合の電流電圧特性を見ると下図のような曲線になります。

PN 接合に順バイアスがかかると、泥の中のロブスターに目隠しをするようなものです。ロブスターは近視になり、最前列の巣穴しか見えなくなります。その結果、ロブスターの全体的な動きが減少し、巣穴に向かって這うロブスターの数も減少し、枯渇領域の幅が減少します。

PN 接合に逆バイアスがかかると、泥の中でロブスターに望遠鏡を与えるようなものです。ロブスターはより遠くまで見えるようになり、より興奮して這うことができるようになり、より多くのロブスターが巣穴を見つけるようになります。その結果、ロブスターの全体的な動きが増加し、半導体の空乏領域の幅が拡大します。

下図の(a)は通常のPN接合の空乏領域の幅、(b)は順バイアス印加後の幅、(c)は逆バイアス印加後の幅を示しています。

バイポーラトランジスタの構造は次のとおりです。

下の図はpnpバイポーラトランジスタの斜視図を示しています。製造プロセスでは、p 型半導体を基板として使用し、熱拡散の原理を利用して p 型基板上に n 型領域を作成します。続いて、このｎ型領域上に熱拡散により高濃度ｐ＋型領域を形成する。最後に、金属を使用して p+、n、およびその下の p 型領域を覆い、オーム接触を形成します。

pnp バイポーラトランジスタは、ドーピング濃度が異なる 3 つの領域で構成され、2 つの pn 接合を形成します。最も濃度の高い p+ 領域はエミッタ (E で示される) と呼ばれます。

中間の不純物濃度が低い狭い n 型領域はベース (B で示されます) と呼ばれ、ベース領域の幅は少数キャリアの拡散長よりもはるかに小さい必要があります。

p 型の濃度が最も低い領域はコレクタと呼ばれます (C で示されます)。各領域内の濃度分布が均一であると仮定すると、pn 接合の概念をトランジスタ内の接合に直接適用できます。

以下の図は、pnp バイポーラトランジスタの回路記号を示し、さまざまな電流成分と電圧極性を示しています。矢印と「+」および「-」記号は、トランジスタの一般的な動作モード (つまり、増幅モード、アクティブモード) における電流の方向と電圧の極性を表します。このモードでは、エミッタ - ベース接合は順バイアス (VEB > 0) になり、コレクタ - ベース接合は逆バイアス (VCB < 0) になります。によると

キルヒホッフの回路法則によれば、この 3 端子デバイスの場合、独立した電流は 2 つだけです。任意の 2 つの電流が既知であれば、3 番目の端子電流を決定できます。

npn バイポーラトランジスタの構造と回路記号は、pnp バイポーラトランジスタの構造と回路記号に相補的です。以下の図は、pnp トランジスタの理想的な構造と回路記号を示しています。

ｐｎｐバイポーラトランジスタの構造において、ｐ型領域をｎ型領域に、ｎ型領域をｐ型領域に置き換えると、ｎｐｎバイポーラトランジスタの構造が得られる。したがって、電流の方向と電圧の極性も逆になります。

pnp トランジスタを理解すると、極性とドーピングの種類を単に交換するだけで npn トランジスタを説明できます。

IV. バイポーラトランジスタ増幅モード

図 (a) は、熱平衡状態にある理想的な pnp バイポーラトランジスタを示しています。このトランジスタの 3 つの端子は相互に接続されているか、すべてグランドに接続されており、影付きの領域は 2 つの pn 接合の空乏領域を表しています。

ダイアグラム(b)は、3 つのドープ領域の不純物濃度を示しています。エミッタ領域はコレクタ領域よりもはるかに高いドーピング濃度を持ち、ベース領域はエミッタより低いがコレクタよりも高い濃度を持っています。

図(c)は空乏領域の電界分布を示しています。

図 (d) は、pn 接合の熱平衡状態を拡張し、それを 2 つの隣接する結合された p+ - n 接合と n - p 接合に適用した、トランジスタのエネルギーバンド図を示しています。

次の図は、前の図で示した増幅モードで動作するトランジスタに対応します。

図(a)は、ベースが入力回路と出力回路の間で共有される、ベース接地構成のアンプとして接続されたトランジスタを示しています。

図 (b) と (c) は、前の図に示した熱平衡状態と比較した、バイアス条件下での電荷密度と電界の分布を示しています。エミッタ・ベース接合における空乏領域の幅は狭くなり、コレクタ・ベース接合における空乏領域の幅は広くなります。

図(d)は、増幅モードで動作するトランジスタのエネルギーバンド図を示しています。エミッタ・ベース接合は順バイアスされ、正孔が p+ エミッタ領域からベース領域に注入され、電子がベース領域からエミッタ領域に注入されます。

理想的なダイオードでは、空乏領域に生成再結合電流は発生しないため、エミッタ領域からベース領域に注入される正孔と、ベース領域からエミッタ領域に注入される電子によってエミッタ電流が構成されます。

一方、コレクタ・ベース接合には逆バイアスがかかり、逆飽和電流が流れます。ベース領域が十分に狭い場合、エミッタ領域からベース領域に注入された正孔は、ベース領域を通って拡散し、コレクタ - ベース空乏領域の端に到達し、最終的にコレクタのバイアスの下でコレクタ領域を通って流れる可能性があります。ベースジャンクション。

この輸送メカニズムにより、電荷キャリアを注入するための「エミッタ」と、隣接する接合から注入されたキャリアを収集するための「コレクタ」という名前が生まれました。

注入された正孔のほとんどがベース領域で電子と再結合せずにコレクタに到達すると、正孔によるコレクタ電流はエミッタ正孔電流とほぼ一致します。

隣接するエミッタ - ベース接合から注入された正孔が逆バイアスされたコレクタ - ベース接合に大きな電流を生成し、トランジスタの増幅効果を引き起こす可能性があることは明らかですが、これはこれら 2 つの接合が十分に近接している場合にのみ発生します。したがって、相互作用pn接合と呼ばれます。

逆に、これら2つのpn接合が離れすぎると、入射するすべての正孔はベース領域で電子と再結合し、コレクタ領域に到達しないため、トランジスタの増幅効果は得られません。この場合、pnp構造は単に2つの背中合わせに接続されたpnダイオードとして機能します。

電流利得: 以下の図は、増幅モードで動作する理想的な PNP トランジスタのさまざまな電流成分を示しています。空乏領域に生成再結合電流がないと仮定すると、エミッタ領域から注入された正孔が支配的な電流成分IEpを構成します。

入射正孔のほとんどはコレクタ電極に到達し、ICp を形成します。

ベースには IBB、IEn、ICn の 3 つの電流があります。

IBB は、ベースによって供給され、入射正孔と再結合する電子の流れを表します (つまり、IBB = IEp - ICp)。ＩＥｎは、ベース領域からエミッタ領域に注入される電子の電流を表す。これは、エミッタの高濃度ドーピングまたはヘテロ接合の使用によって低減できる望ましくない電流成分である。 ICn は、熱の影響によりコレクタ接合付近で発生し、コレクタ領域からベース領域に流れる電子電流を表します。

動作モード: エミッタ - ベース接合およびコレクタ - ベース接合のバイアス電圧に応じて、バイポーラトランジスタには 4 つの動作モードがあります。

以下の図は、PNP トランジスタの 4 つの動作モードと、それらの VEB および VCB との関係を示しています。各動作モードにおける少数キャリアの分布も図に示されています。

たとえば、増幅モードでは、エミッタとベースの接合は順方向にバイアスされ、コレクタとベースの接合は逆方向にバイアスされます。

飽和モードでは、トランジスタの両方の接合が順バイアスされ、両方の接合の空乏領域に少数キャリアが存在します。

飽和モードでは、電圧が小さいと出力電流が大きくなり、トランジスタが短絡と同様の導通状態になる可能性があります。

カットオフモードでは、トランジスタの両方の接合が逆バイアスになり、pn(0) = pn(W) = 0 の境界条件が生じます。カットオフモードのトランジスタは、オープン (またはオフ) 位置にあるスイッチと見なすことができます。。

反転モードでは、エミッタ-ベース接合は逆バイアスされ、コレクタ-ベース接合は順バイアスされます。このモードでは、コレクタ電極がエミッタとして機能し、その逆も同様です。ただし、ベース領域と比較してコレクタ領域のドーピング濃度が低いため、反転モードでの電流利得は通常、増幅モードよりも小さくなり、その結果「発光効率」が低くなります。

スイッチング過渡プロセス: デジタル回路では、トランジスタは主にスイッチとして機能します。小さなベース電流を使用することにより、コレクタ電流を非常に短時間で素早くオフからオン (またはその逆) に変化させることができます。オフ状態では高電圧と低電流が発生し、オン状態では低電圧と高電流が発生します。

ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（HBT）

ヘテロ接合バイポーラトランジスタ (HBT) とは、一方または両方の接合が異なる半導体材料で作られているトランジスタを指します。

HBT の主な利点は高い発光効率であり、バイポーラトランジスタと同様に使用されます。ただし、HBT は高速であり、より高い周波数で動作できます。これらの特性により、HBT はオプトエレクトロニクス、マイクロ波、デジタルアプリケーションで広く使用されています。マイクロ波用途では、HBT はソリッドステートのマイクロ波およびミリ波の電力増幅器、発振器、ミキサーの製造に一般的に使用されます。

基本的な HBT 構造: ほとんどの HBT テクノロジーは、AlxGa1-xAs/GaAs 材料系で開発されています。基本的な npn HBT 構造は、n 型エミッタ領域のバンドギャップの広い AlxGa1-xAs 層、p 型ベース領域のバンドギャップの狭い GaAs 層、低濃度ドープと高濃度ドープの n 型コレクタおよびサブコレクタ領域で構成されます。それぞれGaAs。

オーミックコンタクトを形成するには、エミッタコンタクトとアルミニウムガリウムヒ素層の間に高濃度にドープされたn型ガリウムヒ素層が追加されます。エミッタ領域とベース領域のバンドギャップ幅が大きく異なるため、エミッタ共通電流利得が大幅に増加します。対照的に、ホモ接合バイポーラトランジスタにはそのようなバンドギャップ幅の差がないため、エミッタ領域とベース領域の間のドーピング濃度比を大幅に増加する必要があります。この基本的な違いにより、ホモ接合バイポーラトランジスタとヘテロ接合バイポーラトランジスタが区別されます。

先進的な HBT: 近年、InP シリーズの材料 (InP/InGaAs または AlInAs/InGaAs など) が体系的に研究されており、InP ベースのヘテロ構造には多くの利点があります。 InP/InGaAs 構造は表面再結合が極めて低く、InGaAs の電子移動度は GaAs よりもはるかに高いため、優れた高周波性能が得られます。

以下のグラフは、典型的なリン化インジウムベースの HBT の特性曲線を示しており、カットオフ周波数は最大 254 GHz に達します。さらに、InP は、強電界下で GaAs よりも高いドリフト速度を示し、また、より高い降伏電圧を示します。

別のタイプのヘテロ接合は、HBT アプリケーションにいくつかの魅力的な機能を提供する Si/SiGe 材料システムです。 AlGaAs/GaAs HBT と同様に、Si/SiGe HBT もバンドギャップ幅の違いにより高濃度にドープできる利点があり、結果として高速性能が得られます。

シリコン界面トラップの密度が低いため、表面再結合電流が減少し、コレクタ電流が低い場合でも高い電流利得が確保されます。さらに、標準的なシリコン処理技術との互換性も非常に魅力的な特徴です。

(a) の図は典型的な Si/SiGe HBT 構造を示し、(b) は Si/SiGe HBT のコレクタ電流とシリコンホモ接合バイポーラトランジスタのコレクタ電流を比較しています。これは、Si/SiGe HBT がより高い電流利得を示すことを示しています。ガリウムヒ素およびインジウムリンベースの HBT と比較すると、Si/SiGe

HBT はシリコンのキャリア移動度が低いため、カットオフ周波数が低くなります。

セクション VI: サイリスタデバイスおよび関連パワーデバイス

サイリスタデバイスは、高電圧と大電流を制御できる重要な電源コンポーネントであり、デバイスが閉状態または遮断状態から開状態または導通状態に、またはその逆に遷移できるようにします。それらの動作はバイポーラトランジスタと密接に関連しており、電子と正孔の両方の伝導が関与します。

ただし、スイッチングのメカニズムと構造はバイポーラトランジスタとは異なり、幅広い電流および電圧制御機能を提供します。定格電流の範囲は数ミリアンペアから 5000A 以上、定格電圧は 10,000V を超えます。

基本特性：下図はサイリスタ素子の断面を示しています。この素子は、直列接続された1つのpn接合（J2、J3、JXNUMX）からなるXNUMX層pnpn構造で構成されています。最外層のp層は接触電極に接続され、アノードと呼ばれます。反対側のn層はカソードと呼ばれます。この構造は、追加の電極がない場合、XNUMX端子素子として機能し、pnpnダイオードと呼ばれます。

ゲートと呼ばれる別の電極が内側の p2 層に接続されている場合、結果として得られる XNUMX 端子デバイスは半導体制御整流器 (SCR) またはサイリスタと呼ばれます。

(b) の図は、サイリスタデバイスの典型的なドーピングプロファイルを示しています。まず、出発材料 (n 層) として高抵抗の n 型シリコンウェーハを使用し、続いて p1 層と p2 層を同時に形成する拡散ステップを行います。最後に、合金化または拡散を使用して、シリコンウェーハの片面に n2 層を作成します。

図 (c) は、熱平衡状態にあるサイリスタデバイスのエネルギーバンド図を示しています。各接合には空乏層があり、内蔵ポテンシャルはドーピング濃度によって決まります。