بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله با بررســی ســاختار درونی ترانزیســتورهاي BJT و FET اثراتی که بر مدارات الکترونیکی میگذارند را بررســی کرده و مدلی براي جایگزینی ترانزیســـتور HBT براي بهبود رســـانایی خروجی با مقیاس نانو متري ارئه میدهد و میتوان گفت که با جایگزینی این ترانزیستور ها در مدارات با تقویت بسیار بالا نویز بسیار کمتري خواهیم داشت. نتایج شبیه سازي مداري اثرات این ترانزیستور ها بیان شده است. ترانزیستور HBT در دریافت کننده هاي مدار مجتمع نوري استفاده میشود. در این تحقیق آنالیز رفتار نویز در ترانزیستور هاي مسطح ارائه میگردد. در این امر نسبت سیگنال به نویز در خروجی و نویز ها در فرکانس هاي بالا و پایین مورد برر سی قرار میگیرند. در ادامه نسل نوین ترانزیستور ها معرفی میگرددکه با عبارت سه بعدي شناخته می شوند زیرا میتوانند در سه جهت فعالیت کنند،که این مدل از ترانزیستور ها با افزایش کارایی نسبت به نسل قبل خود به انرژي کمتري براي کارایی مشـابه نیاز دارند زیرا در این ترانزیسـتور ها با افزایش القا کاهش نشـت الکترونی در مدار ها را خواهیم داشـت. این روش با اینکه چندان پیچیده به نظر نمی رسد اما عملکرد قابل توجهی دارد.
واژههاي کلیدي:ترانزیستور HBT،بهبود رسانایی،مدار مجتمع نوري،ترانزیستور سه بعدي،ترانزیستور مسطح،نشت الکترونی.
-1 مقدمه
1
از روزي که بشـر موفق به شـناسـایی و اسـتفاده از ذرهي بینهایت کوچک الکترون شـد،افق جدیدي به روي علم فیزیک باز شـد و تحولات خارق العاده اي در اغلب زمینه هاي علمی به وجود آمد. عصر نوین الکترونیک نیمه رساناها با اختراع ترانزیستور دو قطبی در 1948 توسط باردین،براتاین و شاکلی در آزمایشگاههاي تلفن بل آغاز شد. این قطعه به همراه اثر میدانی خود تأثیر شگفتی روي تمام حوزه هاي زندگی نوین گذاشته است. نیمه رسانا ها گروهی از مواد هستند که رسانایی الکتریکی آن ها بین فلزات و عایق ها قرار دارد. ویژگی مهم این مواد این اســت که با تغییر دما،برانگیزش نوري و میزان ناخالصــی به نحو قابل ملاحظه اي تغییر میکند.
این تغییر خواص الکتریکی،مواد نیمه رسانا را انتخاب مناسبی براي تحقیق در زمینهي قطعات الکترونیکی ساخته است. ویژگیهاي الکترونیکی و نوري مواد نیمه ر سانا به شدت تحت تأثیر ناخال صی هایی ا ست که به صورت مقادیر دقیقاً کنترل شده اي به آن ها افزوده میشود.
در 1950 ترانزیستور ها جایگزین لامپ هاي خلاء در بسیاري از سیستم هاي الکترونیک از جمله کامپیوتر شدند. تا آنکه در 1959 اولین مدار مجتمع با موفقیت توســـط Jack.kilby در Texas Instrumen ســـاخته شـــد. قبل از اختراع Ic اســـتفاده از
ترانزیســتور،همراه با دیگر قطعات مجزا مانند خازن ها و مقاومت در طراحی کامپیوتر مرســوم شــده بود. ترانزیســتور هاي اولیه از ژرمانیوم ساخته میشدند،تا اینکه به منظور استفاده از سیلیکان بکارگیري آن متوقف شد. دلیل این بود که کوچک ترین افزایش در دما موجب تولید جریان زیادي در ترانزیسـتور هاي مبتنی بر ژرمانیوم میگردید. از دید سـاختار نیمه هادي،به دلیل کوچکتر بودن شکاف باند ژرمانیوم از سیلیکان،هنگام افزایش هرچند کوچک دما،جریان زیادي از باند ظرفیت به باند هدایت ایجاد میشد. تا اواخر دهه 1960،اســتفاده از Ic هاي مبتنی بر ســیلیکان،در ســیســتم هاي کامپیوتر هاي بزرگ و مینی کامپیوتر ها بســیار رایج بود.
ترانزی ستور ها و Ic ها بر پایه مواد نوع P ساخته می شدند. به دلیل بالا بودن سرعت الکترون ها ن سبت به حفره ها(حدود 2/5
برابر)،مدارات نوع N جاگزین نوع P گردیدند. در اواسـط دهه 1970،ترانزیسـتور هاي NPN و NMOS در هر بخش از صـنعت الکترونیک از جمله ریز پردازنده ها،جایگزین PNP و PMOS شـــدند.از اوایل دهه 1980،CMOS تکنیک حاکم بر طراحی IC
شد.]ب[
ترانزیستور یک قطعه ي سه سر با این ویژگی مهم است که جریان گذرنده از دو سر آن را میتوان با تغییرات اندکی که در جریان یا ولتاژ ســر ســوم ایجاد میکنیم کنترل کرد. این ویژگی مهم به ما این امکان را میدهد که ســیگنال هاي کوچک a-c را تقویت کرده و یا قطعه را از حالت روشن به خاموش و یا بر عکس سوئیچ کنیم. این دو عمل تقویت و سوئیج پایهي تعداد زیادي از عملیات الکترونیکی را تشکیل میدهند.
پیش از آنکه به بررسـی نحوه سـاختار ترانزیسـتور سـه بعدي بپردازیم ابتدا نحوهي کار ترانزیسـتور هاي سـنتی تشـریح میشـود.
ترانزیستور مسطح یک ترانزیستور سنتی به شمار می رود که براي نخستین بار در آغاز عصر ریز تراشه ها اختراع شد و تا امروز یکی از عناصر اصلی مدار هاي الکتریکی را تشکیل میدهد.
-2 مبانی عملکرد ترانزیستور پیوندي دو قطبی((BJT
ترانزیستور دوقطبی در اصل یک قطعهي الکترونیکی سه پایه میباشد که کاربرد هاي فراوانی در تقویت کننده ها،مدارات منطقی
گسسته و ساخت حافظه ها دارد. این نوع ترانزیستور ها شامل سه قطعه نیمه هادي میباشند که به هریک از پایه هاي آن متصل است و در دو نوع PNP و NPN ساخته میشود.
ترانزیستور پیوندي دوقطبی از طریق باربر هاي اقلیت در یک پیوند با گرایش مستقیم استفاده می کند. با توجه به شکل 1 در ترانزیستور هاي دوقطبی نوع NPN،حامل الکترونی که امیتر را ترك میکند باید بر دوسد ولتاژ قبل از رسیدن به کلکتور غلبه کند.
یکی از آن ها پیوند N-P بیس- امیتر و دیگري پیوند P-N بیس کلکتور است. ولتاژ مرز کلکتور – بیس براي غلبه الکترون مشکلتر است زیرا به صورت معکوس تغذیه شده است و اتلاف توان بیشتري را موجب می شود. این مشکل ساختاري در ترانزیستور هاي نوع
PNP نیز وجود دارد.(شکل(2
براي داشتن یک ترانزیستور PNP خوب ترجیح داده میشود تا تقریباً تمام حفره هاي تزریقی توسط امیتر به داخل بیس در کلکتور جمع آوري شود. پس ناحیهي بین N باید باریک بوده و طول عمر حفره ها زیاد باشد. شرط بعدي این است که جریان گذرنده از
2
پیوند امیتر باید تقریباً به طور کامل از حفره هاي تزریق شده به بیس در مقایسه با الکترون هاي عبوري از بیس به امیتر تشکیل شده باشد،این شرط با سبک گرفتن ناخالصی ناحیهي بیس در مقایسه با امیتر حاصل میشود.
شکل((1 ترانزیستور نوعNPN
شکل((2 ترانزیستور نوعPNP
-2-1 محدودیت هاي فرکانسی ترانزیستور ها
بارزترین محدودیت فرکانسی ترانزیستورها وجود ظرفیت پیوندي در محل پیوندهاي امیتر و کلکتور است.مدار معادل ترانزیستور
BJT در فرکانس هاي بالا نشان داده شده است.(شکل(3خازن هاي پیوندي Cje و Cjc را در مدل هاي مداري ترانزیستور منظور میکنیم (شکل.(4اگر مقاومت معادل rb بین اتصال بیس و بخش فعال ناحیهي بیس موجود باشد می توانیم آن را به همراه rc جهت منظور کردن مقاومت سري کلکتور در مدل ضمیمه کنیم.در مدار هاي a-c معمولاً ترانزیستور به یک نقطهي کار حالت ماندگار معین که توسط مقادیر d-c مشخص میشود،گرایش شده و سپس سیگنال a-c به این مقادیر ماندگار اضافه میشود.اگر یک سیگنال a-c کوچک به پیوند p-n امیتر که داراي یک ولتاژ d-c است،اعمال شود میتوانیم نشان دهیم :
با( (1 d‐c ∆ ∆
استفاده از رابطهي بالا میتوان جریان هاي ترانزیستور را بدست آورد.(پیوست الف)
شکل((3 مدار معادل پی ترانزیستور در فرکانس بالا
3
شکل((4 منظور کردن مقاوت هاي بیس و کلکتور و خازن هاي پیوندي
از شکل4 مشخص است که زمان هاي شارژ مختلفی در عملکرد a-c یک ترانزیستور اهمیت دارند؛مهمترین آن ها عبارتند از زمان لازم براي شارژ نواحی تهی امیتر و کلکتور و تأخیر زمانی در تغییر توزیع بار در ناحیهي بیس.تأخیر زمانی هاي دیگري که در یک تحلیل کامل ترانزیستور هاي فرکانس بالا در نظر گرفته میشوند زمان گذر از ناحیهي تهی کلکتور و زمان انباشت بار در ناحیهي کلکتور میباشد.اگر تمام این ها در در یک تأخیر زمانی خلاصه شود میتوان حد فرکانس بالاي قطعه را بدست آورد . ]الف[
