2004.11.18 OKM

バイポーラトランジスタ

ホモ接合トランジスタ（Si，プレーナ型）

ヘテロ接合トランジスタ（III-V族，メサ型）

emitter

base

collector

high-resistive substrate

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ベース接地（コモンベース）

n p nエミッタ ベース コレクタ

順 逆

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Bi-Trのバイアス極性の組合せ

BC 接合

EB 接合順 逆

飽　和(オン状態)

正常活性(増幅)

しゃ断(オフ状態)

順

逆逆接続活性(使わない)

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トランジスタの増幅

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nn 0

V = 0 （熱平衡）

qVD

バランス

I-V 特性はボルツマン分布を反映

キャリア密度のエネルギー分布

V > 0 （順バイアス）

nn 0 exp −qVD

kT

nn 0 exp −q VD − V( )

kT

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npnトランジスタでは電子の流れが重要

電子の流れ

正孔の流れ

一部の電子はｐ型ベース中で正孔と

再結合して消滅

ベース電流

エミッタ電

流

コレクタ電流

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Bi-Trの効率を下げる２つの要素

エミッタ(n) ベース(p) コレクタ(n)

②

①

この流れが本質

① 正孔の注入 ② ベースでの再結合・消滅

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電子電流の効率を上げる

再結合

① エミッタ注入効率 ② ベース輸送効率

エミッタ中の電子 >> ベース中の正孔 ベースの薄層化

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ヘテロ接合

＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋＋

＋

－

－－

－ － － －－

＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋＋

＋

－－ － － － －－

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電流増幅率とベース抵抗

ベース接地電流増幅率

エミッタ注入効率（ホモ接合の場合）

ベース輸送効率

WBを薄く、NBを小さくする とrBが大きくなってし

HBTは、NBが大きくてもγEが低下しない。

TEαγα ≅0

1

1−

⋅⋅+=

nB

pE

pE

B

E

BE D

DLW

NNγ

2

2

21

nB

BT L

W−=α

emitterbase

collector

high-resistive substrate

（課題）HBTにおけるヘテロ接合の役割（メリット）について整理せよ。

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HBT

emitter

base

collector

high-resistive substrate

Heterojunction Bipolar Transistor

IC

VCE

IB

IB=0

Cm IkTqg =

current gain

B

nB

B

nBFE tW

Lh τ=≅ 2

22

transconductance

offsetTH VV ≅

threshold voltage

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理想ダイオード特性はどのようにして導かれたか

１．接合領域を３つに分ける

– n 型中性領域、空乏層、p 型中性領域

２．中性領域の抵抗は 0Ωと仮定

３．低注入水準

４．空乏層中でのキャリア再結合は無い

５．電圧印加時にもボルツマンの関係が成立

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接合電圧と電流のまとめ

00xx’

n型中性領域 p型中性領域空乏層

np(x)pn(x)

np0pn0 V = 0

np0 exp(qV/kT)

pn0 exp(qV/kT)

電圧のボルツマン因子だけ上昇

V > 0

傾きに比例した電流

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解析のための設定

x ' = 0 x = 0 x = WBx '' = 0

x x ''x

ベース

中性領域

エミッタ

中性領域

コレクタ

中性領域

VBE:順

VCE

VCE−VBE:逆

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少数キャリア分布

ベース中性領域

x = 0

n B0

n B ( x )

エミッタ中性領域

p E0

p C0

nB0 exp q V BE

k T

pE0 exp q V BE

k T

エミッタ空乏層

順バイアス 逆バイアス

x '= 0

p E ( x ' ) p C ( x '' )

コレクタ中性領域

x ''= 0

≅ 0

コレクタ空乏層

x = W B

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ベース中性領域に注目すると

ベース中性領域

コレクタ空乏層

x = 0 x = W B

n B ( x )

n B0

エミッタ空乏層

エミッタ電流 I E は この傾きに比例

コレクタ電流 I C は この傾きに比例

ベース電流 I B は 両者の傾きの差

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連続式が解ける形になる

直流特性

一般解

∂n p

∂t= Dn

∂ 2np

∂x2 −n p − n p0

τ n

0 = Dn∂ 2np

'

∂x2 −n p

'

τ n

np' = n p − n p0

np' (x) = A ⋅ exp −

xLn

+ B ⋅ exp

xLn

Ln = Dn ⋅ τ n

∂np

∂ t = np µn

∂Ex

∂ x + µnEx

∂np

∂ x + Dn

∂2np

∂ x 2 − np'

τn

過剰少数キャリア：

拡散長：

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境界条件を与えて解くと

ベース中性領域

x = 0 x = W B

n B ( x )

n B0

電子注入 nB0 eqVBE/kT − 1

sinh WB−xLnB

sinh WBLnB

+ nB0 1 − sinh x

LnB

sinh WBLnB

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ベース領域が薄くなると

ベース中性領域

n B0

n B ( x )

電子注入

W B0

ベース中性領域

エミッタ空乏層

コレクタ空乏層

n B ( x )

ベース領域が薄くなる

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キャリア分布を直線で近似する

ベース中性領域

x = 0 x = W B

n B0

n B ( x )

nB(0) = nB0 exp q V BE

k T

傾き nB0exp q VBE

k TWB

に比例した拡散電流が流れる。

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ベース電流をどう求めるか？

Ec

Ev

ベース電流として補充

U = n ' B (x)τ nB

エミッタから注入ベース中性領域

x = 0 x = W B

n B0

n B ( x )

nB(0) = nB0 exp q V BE

k T

電子注入

n ' B (x)

過剰キャリア