Размещено на http://www.allbest.ru/

13

Федеральное агенство по образаванию.

Рязанский Государственный Радиотехнический Университет

РГРТУ

Кафедра ПЭл

Курсовой проект по курсу

«Твердотельная электроника»

Биполярный n-p-n усилительный высокочастотный транзистор

Выполнил:

Гуль А.И.

Проверил:

Геннадьев В.М.

Рязань 2010

ВВЕДЕНИЕ

Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий три или более выводов. По принципу действия транзисторы разделяют на два основных класса: биполярные и полевые (униполярные). В биполярных транзисторах физические процессы определяются движением носителей заряда обоих знаков - основных и неосновных, что отражено в их названии. В полевых (униполярных) транзисторах, используется движение носителей одного знака (основных носителей).

Биполярный транзистор содержит три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости n-p-n (А) или p-n-p (Б), которые называются соответственно эмиттером, базой и коллектором; эти области разделены двумя взаимодействующими между собой p-n-переходами - эмиттерным и коллекторным. Взаимодействие между переходами обеспечивается благодаря тому, что расстояние между ними (толщина базы) много меньше диффузионной длины неосновных носителей в базе. К полупроводниковым областям созданы омические контакты и внешние выводы. Принцип действия транзисторов типа n-p-n и p-n-p одинаков. Для транзисторов типа p-n-p и n-p-n полярность рабочих напряжений и направления токов противоположны.

1. Физические принципы работы транзистора

Простейшая одномерная модель, представлена на рис. 1.1 а. В этой модели p-n- переходы считаются плоскими, а носители движутся только в одном направлении - вдоль оси х, перпендикулярной переходам. Штриховкой показаны обедненные слои p-n-переходов; расстояние между ними дает физическую толщину базы W_b, а расстояние между металлургическими границами - технологическую толщину базы W_b0.

Рисунок 1.1 - Схема энергетических зон транзистора

Энергетическая диаграмма для одномерной модели в состоянии равновесия (при нулевых напряжениях на переходах) показана на рис. 1.1 б. Она является совмещением энергетических диаграмм р-n- переходов. Равновесная система характеризуется единым уровнем Ферми Е_ф. На границе эмиттера и базы образуется энергетический барьер высотой q_0e, а на границе базы с коллектором - барьер высотой q_0e. Небольшое искривление границ энергетических зон в базе (разность энергий на границах базы q 0,1 эВ) обусловлено внутренним электрическим полем в базе, возникающим вследствие неравномерного распределения акцепторов, - их концентрация у границы базы с эмиттерным переходом значительно выше концентрации у границы с коллекторным переходом. Такое распределение примесей характерно для большинства транзисторов.

В активном режиме, являющемся основным для усилительных схем, на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный - обратное. Потенциальный барьер эмиттерного перехода уменьшается на значение прямого напряжения U_eb, что приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу. Основное назначение эмиттера (что и отражено в его названии) -обеспечить максимально возможную при данном прямом токе одностороннюю инжекцию электронов в базу. Для этого концентрация доноров в эмиттере N_ge на границе с переходом должна быть значительно больше концентрации акцепторов в базе: N_ge>> N_аБ.

Электроны, инжектированные в базу, движутся к коллекторному переходу. Это движение является совокупностью диффузии и дрейфа. Диффузионное движение обусловлено повышением вследствие инжекции концентрации электронов в базе около эмиттерного перехода, тогда как около коллекторного перехода она мала из-за экстракции полем этого перехода. Диффузия присуща всем типам транзисторов. Дрейфовое движение вызывается внутренним электрическим полем в базе. Транзисторы с неоднородно легированной базой, в которой существенно дрейфовое движение, называют дрейфовыми. Менее распространены бездрейфовые транзисторы с однородно легированной базой, в которой нет внутреннего электрического поля.

Часть электронов, инжектированных в базу, не доходит до коллекторного перехода вследствие рекомбинации. Однако их число невелико, так как толщина базы мала по сравнению с диффузионной длиной электронов.

Электроны, достигающие коллекторного перехода, втягиваются в него электрическим полем и перебрасываются в коллектор. Таким образом, в активном режиме коллектор собирает (коллектирует) инжектированные в базу электроны, что и отражено в его названии.

В активном режиме токи коллектора и эмиттера почти одинаковы, а их разность равна току базы. Коллекторный ток практически не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку при любом обратном напряжении все электроны, достигающие в базе коллекторного перехода, попадают в его ускоряющее поле и уносятся в коллектор. Поэтому дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (r_k=dU_kb/dI_k), очень велико, что характерно для p-n-переходов, включенных в обратном направлении. В цепь коллектора можно включить нагрузочный резистор с достаточно большим сопротивлением R_н без существенного уменьшения коллекторного тока. В то же время дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (r_e=dU_eb/dI_e). включенного в прямом направлении, очень мало (r_э<<r_к). При увеличении эмиттерного (входного) тока на I_э колекторный ток возрастает приблизительно на то же значение (I_kI_э). Изменение мощности Р_вх=I_эU_эb=I_э²r_e, потребляемой в цепи эмиттера, может быть много меньше изменения мощности Р_вых=I_кU_кb=I_э²R_н, выделяемой в нагрузке. Электрическая схема, содержащая транзистор, источник питания и нагрузочный резистор R_н>r_э, способна усиливать мощность электрического сигнала (Р_вых>Р_вх), причем коэффициент усиления по мощности Р_вых/Р_вхR_н/r_э.

Схемы включения транзистора представлены на рис. 1.2. В схеме с общей базой (ОБ) напряжения на эмиттере U_ЭБ и коллекторе U_кв отсчитываются относительно базы-общего электрода для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей.

Эта схема обладает усилением по мощности и напряжению (U_кв>U_эв), но не обеспечивает усиления тока (I_кI_э) и характеризуется малым входным сопротивлением (равным сопротивлению эмиттерного перехода при прямом напряжении).

Наиболее широко применяется схема с общим эмиттером (рис. 1.2 б) (ОЭ), в которой напряжения на базе U_вэ и коллекторе U_кэ отсчитываются относительно эмиттерного электрода, общего для входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепей. Так как I_в = I_э - I_k<<I_k (I_kI_e), то эта схема обеспечивает усиление тока (I_к>>I_b) и напряжения (U_кe>U_эв). Кроме того, ее входное сопротивление много больше входного сопротивления схемы ОБ.

В схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 1.2 в) напряжения на базе U_вк и эмиттере U_эк отсчитываются относительно коллектора - общего электрода для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей. Так как I_в<<I_э то эта схема обеспечивает усиление тока (I_к>>I_b), приблизительно такое же, как и схема ОЭ. В отличие от схем ОБ и ОЭ схема ОК не обеспечивает усиления напряжения. Ее достоинством является большое входное сопротивление, возрастающее при увеличении сопротивления нагрузочного резистора в цепи эмиттера.

Независимо от схемы включения транзистор может работать в одном из четырех режимов, отличающихся полярностью напряжений на р-n- переходах. В активном режиме, кратко рассмотренном выше, напряжение на эмиттерном переходе прямое, а на коллекторном - обратное. В режиме насыщения оба перехода включены в прямом направлении, а в режиме отсечки - в обратном. В инверсном режиме напряжение на коллекторном переходе прямое, а на эмиттерном- обратное.

РАСЧЕТ ПРИБОРА

Проведём расчёт в среде MathCad кремниевого биполярного n-p-n транзистора.

Он имеет следующие параметры:

Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером 20 -90 при = 10 В, = 1 мА, Т = 298 К;

Модуль коэффициента передачи тока при f = 100 МГц U_кэ = 10 В, I_к = 1 мА не менее 2,5;

Ёмкость коллекторного перехода не более 7 пФ при = 10 В;

Обратный ток коллектора при = 10 В и Т = 298 К не более 1 мкА;

Входное сопротивление при U_кэ = 10 В, I_к = 1 мА не менее 40 Ом.

Предельные эксплуатационные данные:

Постоянное напряжение коллектор-база при R_бэ = 10 кОм не менее 25 В; Постоянное напряжение база-эмиттер 6 В;

Постоянный ток коллектора 100 мА;

Постоянная рассеиваемая мощность 150 мВт;

Температура перехода 393 К;

Температура окружающей среды от 213 до 373 К.

Введем константы:

- постоянная Больцмана, Дж/К;

- диэлектрическая постоянная вакуума, Ф/см;

- диэлектрическая проницаемость кремния;

- заряд электрона, Кл;

- собственная концентрация носителей в кремнии при 300 К, ;

- температура кристалла, К;

- тепловой потенциал, В;

- ширина запрещенной зоны при температуре Tn, эВ;

2. Выбор концентрации примеси в эпитаксиальном слое коллектора

Концентрация доноров (фосфора) в эпитаксиальном высокоомном коллекторном слое рассчитывается по величине напряжения пробоя коллекторного перехода. Напряжение пробоя Ubr выбирается большим величины Ukbmax из соотношения Ubr = 2.4Ukbmax Коэффициент запаса 2.4 учитывает уменьшение напряжения пробоя в области боковой диффузии, на поверхности перехода коллектор-база и наличия дефектов в донной и боковых частях коллекторного перехода.

Напряжение пробоя:

Концентрация примеси:

см-3

Зададим концентрацию примеси в эпитаксиальном слое коллектора

см-3.

Концентрацию примеси в подложке Npodl выбираем из условия обеспечения невыпрямляющего контакта.

см-3.

Расчет профиля легирования

Задаем режим диффузии:

приближённый расчет глубины залегания базы:

Зададим начальное приближение y

- глубина залегания базы в cм.

Рассчитаем коэффициент диффузии атомов фосфора в эмиттере.

- предэкспоненциальный коэффициент диффузии для фосфора;

- энергия активации фосфора, эВ;

коэффициент диффузии фосфора, ;

Распределение концентрации атомов фосфора, имеет вид:

Приближённо определим глубину залегания эмиттерного перехода.

Зададим начальное приближение z,

- глубина залегания эмиттерного перехода в cм.

Правильность расчёта проконтролируем по графику распределения примесей в транзисторной структуре, рис. 1.

Рис. 1. Распределение примесей в транзисторной структуре

Распределение суммарной концентрации примесей в транзисторной структуре изображено на рис. 2.



Уточним координату металлургической границы эмиттерного перехода.

В качестве начального приближения возьмём ранее определённое значение координаты эмиттерного перехода.

- концентрация, по которой контролируется достаточность уточнения координаты.

Уточненим координату металлургической границы коллекторного перехода.

В качестве начального приближения возьмём ранее определённое значение координаты коллекторного перехода.

- концентрация, по которой контролируется достаточность уточнения координаты.

3. Расчет удельных сопротивлений базового и эмиттерного слоёв

транзистор эпитаксиальный коллектор сопротивление

Значения , , , задаем для бора:

,

см-3.

Определим подвижность основных носителей заряда в базе

Рассчитаем удельное сопротивление базового слоя

Ом/квадрат

Рассчитаем удельное сопротивление эмиттерного слоя. Значения констант , , , задаем для фосфора:

 ,

,

см-3.

Определим подвижность основных носителей заряда в эмиттере

Рассчитаем удельное сопротивление эмиттерного слоя

Ом/квадрат

Рассчитаем удельное сопротивление слоя активной базы

Ом/квадрат

4. Приближённый расчёт cтатического коэффициента передачи тока базы

Вначале рассчитаем числа Гуммеля для эмиттера и базы. Число Гуммеля характеризует уровень легирования структуры и определяет количество атомов примеси на квадратном сантиметре слоя.

- число Гуммеля в эмиттере

- число Гуммеля в базе

Рассчитаем средние значения подвижностей, коэффициентов диффузии для базы и эмиттера:

- средняя концентрация примеси в эмиттере, ;



- средняя концентрация примеси в активной базе,

- средняя подвижность электронов в базе,

-средняя подвижность дырок в эмиттере,

Коэффициент диффузии электронов в базе

Коэффициент диффузии дырок в эмиттере



Определим коэффициент инжекции

Полученный коэффициент инжекции служит для грубой оценки коэффициента передачи тока базы. Найдём коэффициент переноса , статический коэффициент передачи тока эмиттера , а затем статический коэффициент передачи тока базы . Обозначим среднее время жизни электронов в базе , время пролёта базы .

Полученный результат является завышенным, так как реальные значения коэффициента передачи тока базы лежат в пределах 10 - 100. Такой результат обусловлен тем, что не учитываются эффекты высокого уровня легирования, вытеснения тока к краю эмиттера, эффекты квазинасыщения и Кирка.

5. Расчет толщин активной части базы, ширины высокоомной области коллектора и эпитаксиального слоя

Металлургическая толщина базы определяется разницей между глубинами залегания коллекторного xmk и эмиттерного перехода xme.

cм

Определим толщину эпитаксиального слоя Ln0

В эпитаксиальном слое должны последовательно разместиться высокоомный коллекторный слой Lk, база Wb0, эмиттер. Необходимо также предусмотреть запас толщины слоя на окисление для трёх фотолитографий. Слой диоксида кремния для маски при диффузии или имплантации или в качестве защитного покрытия должен иметь толщину 0.5 - 1 мкм. Толщина слоя кремния, перешедшего в окисел составляет 0.44 от слоя окисла. Примем толщину окисла для одной маски равной 0.8 мкм. Тогда для создания масок для трёх фотолитографий необходим запас толщины эпитаксиального слоя L равный 1 мкм. Толщину эпитаксиального слоя Lk для коллекторной высокоомной области определим, исходя из условия отсутствия прокола при максимальном коллекторном напряжении.

 cм

- запас на окисление под три фотолитографии.

cм

Предварительная проверка на соответствие ширины базы граничной частоте

Найдём максимальное значение ширины базы , которое ещё обеспечивает заданную граничную частоту. Определенная по расчету профиля ширина базы должна быть меньше предельной

Поскольку меньше , то ширина базы подходит по частоте.

6. Расчёт функции , определяющей границы коллекторной ОПЗ и значение удельной ёмкости коллекторного перехода в зависимости от приложенного напряжения

В качестве примера ниже приводится значение функции, рассчитанное для максимального напряжения на коллекторном переходе.

Функция fk(Uz) рассчитывается в виде вектора. Нулевой элемент вектора показывает в процентах разницу между заданным и рассчитанным напряжением на переходе. Первый элемент - сколько раз задавалась левая граница ОПЗ (число итераций). Второй - размер части коллекторной ОПЗ, расположенной в базе, в сантиметрах. Третий - размер части коллекторной ОПЗ в высокоомном коллекторном слое в сантиметрах. Четвёртый - удельную ёмкость коллекторного перехода в Ф/см2. Пятый - координату левой границы ОПЗ в см. Шестой - правой. Седьмой - рассчитанное значение напряжения.

Переименуем соответствующие элементы вектора:

- удельная ёмкость коллекторного перехода в Ф/см2;

- координата начала коллекторной ОПЗ в базе в см;

- координата конца ОПЗ в коллекторе в см.

Теперь для вычисления удельной ёмкости коллекторного перехода Ckb(Uz) вместо Uz следует подставить конкретное значение напряжения на коллекторном переходе с учётом контактной разности потенциалов, например, максимальное

Ф/см2.

7. Расчёт функции , определяющей границы ОПЗ и значение удельной ёмкости эмиттерного перехода в зависимости от приложенного напряжения

Эта функция рассчитывается аналогично предыдущей.

- удельная ёмкость эмиттернного перехода в Ф/;

- координата начала ОПЗ в эмиттере в см;

- координата начала электронейтральной базы в см (координата конца эмиттерной ОПЗ);

- ширина эмиттерной части ОПЗ эмиттере в см.



8. Проверка базы на прокол

При увеличении напряжения смещения коллекторного перехода уменьшается ширина базы из-за увеличения ширины коллекторной ОПЗ. Смыкание коллекторной ОПЗ с эмиттерной ОПЗ называют проколом базы. При проколе резко (экспоненциально) увеличивается ток эмиттера при незначительном увеличении коллекторного напряжения, что может привести к разрушению прибора. Транзистор должен быть сконструирован так, чтобы исключить прокол при максимально допустимых обратных напряжениях на коллекторном и эмитерном переходах. Если расширение коллекторного ОПЗ в область базы при максимальном коллекторном напряжении меньше ширины базы, то прокола не будет. Самый неблагоприятный случай соответствует режиму отсечки, когда на коллекторный переход подано обратное напряжение , а на эмиттерный переход максимальное обратное напряжение Ueobr, обычно не превышающее 5 В.

Рассчитаем границу коллекторной ОПЗ в базе ak для максимального напряжения коллектор-база.

Рассчитаем границу эмиттерной ОПЗ в базе be для максимального обратного напряжения эмиттер-база.



Поскольку больше , то прокола нет.

9. Выбор топологии кристалла

Определение топологии кристалла означает выбор формы и размеров областей эмиттера, базы, коллектора, металлизации базы и эмиттера.

Вначале необходимо определить площади эмиттера Se и коллектора Sk. Площадь коллектора должна быть такой, чтобы ёмкость коллекторного перехода не превышала заданную. Максимальная площадь коллекторного перехода определяется путём деления заданной ёмкости коллектора на удельную ёмкость коллекторного перехода при заданном напряжении на коллекторном переходе. В нашем случае используется мезаструктура. Поэтому коллекторный переход не имеет боковой поверхности. Ёмкость коллекторного перехода задана для напряжении 10 В между коллектором и эмиттером. Рассчитаем площадь коллекторного перехода, положив падение напряжения между базой и эмиттером равным 0.5 В.

см2

Для дискретных транзисторов площадь донной части эмиттера выбирается в 3 - 5 раз меньшей площади коллектора. Выберем площадь эмиттера Se в 5 раз меньше площади коллектора.

см2

Выбранная площадь донной части эмиттера должна обеспечивать плотность тока в эмиттере не более 3000 А/см2 [Федотов]. Проверим это условие

А/см2

Плотность тока эмиттера удовлетворяет этому условию.

Теперь необходимо определить форму эмиттера.

Для транзисторов с токами большими 50 мА предпочтительно использовать полосковую геометрию (гребенчатую или многоэмиттерную) Расчёт базируется на утверждении, что в реальных условиях предельные токи транзистора обеспечиваются при высоком уровне инжекции в базе. Для такого случая рассчитывается ширина полоски эмиттера Le, при которой падение напряжения на активной базе Uба от базового тока равна 0.5 в условиях высокого уровня инжекции. Задаётся статический коэффициент передачи тока базы ?при максимальном токе, равный минимальному в задании. При этом будет протекать максимальный ток базы. Он будет вызывать наибольший эффект оттеснения.

Максимальная ширина полоски эмиттера Le1, при которой эффект оттеснения тока эмиттера можно ещё не учитывать определяется по соотношению

cм

Падение напряжения в металлизации пальца гребенчатой конструкции (на длине эмиттерной полоски) не должно превышать долей . При большой длине эмиттера Ze1 возможна неравномерная инжекция и вдоль этого направления. Выберем отношение длины полоски к её ширине равной 15. Рассчитаем падение напряжения на длине металлизации полоски, полагая, что она выполнена из алюминия толщиной hm, равной 3 мкм. Примем, что полоска металлизации отстоит на 5 мкм от краёв эмиттерной полоски с каждой стороны. Тогда её ширина Lem1 будет на 5 мкм меньше, чем эмиттерной полоски. Длина полоски металлизации будет равна длине эмиттерной полоски.

cм

Определим требуемое число полосок, путём деления площади эмиттера на площадь эмиттерной полоски.



Однако мы выбираем конструкцию с двумя полосками,следовательно нужно площадь эмиттера уменьшается в 2раза.Далльнейший расчет будет производится по следующей формуле:

Рассчитаем падение напряжения на полоске металлизации эмиттера, полагая удельное сопротивление алюминия Al равным 1.7 x 10-6 Ом см .

Примем, что ток линейно распределён по длине полоски, а максимальный ток эмиттера равен максимальному току коллектора

Рассчитаем падение напряжения на длине полоски металлизации и отношение этого напряжения к тепловому потенциалу

Полученное отношение менее 0.3, следовательно, неравномерность инжекции по длине полоски будет приемлемой.

10. Расчет граничной частоты

Для расчёта граничной частоты необходимо знать барьерные ёмкости переходов и сопротивления базы, эмиттера и коллектора.Ёмкость коллекторного перехода известна. Расчитаем барьерную ёмкость эмиттерного перехода. Для этого необходимо определить площадь боковой поверхности эмиттера

Рассчитаем барьерную ёмкость эмиттерного перехода для заданного прямого напряжения эмиттер-база U, равному 0 В.

Рассчитаем сопротивление активной базы с учётом того, что имеет место низкий уровень инжекции. При высоком уровне инжекции сопротивление активной базы уменьшается (модуляция сопротивления базы). В этом случае оно может быть рассчитано:



Рассчитаем сопротивление пассивной базы

Рассчитаем сопротивление базовых контактов. Типичное значение контактного сопротивления c алюминий-сильнолегированный p-кремний 10-4 - 10-5 Ом см2

Общее сопротивление базы равно

Выбираем одну полосу этим мы сохраняем площадь эмиттера

Рассчитаем время пролёта коллекторного перехода. Напряжение на коллекторном переходе примем таким, каким оно было при определении емкости коллекторного перехода



Время пролета коллекторного перехода.

Надо проверить на достижение предельной скорости , которая не может в кремнии быть больше см/с

Заметим, что скорость дрейфа превышает предельную. Поэтому для определения времени пролёта следует исходить из того, что скорость движения носителя равна предельной. Для определения времени пролёта следует разделить ширину ОПЗ на предельную скорость.



При расчёте времени пролёта электрона в базе необходимо учесть неравномерное распределение примеси, которое приводит к появлению электрического поля в базе. Для его учёта используется понятие фактора поля в базе . Для расчета времени пролета определим фактор поля в базе .

Фактор поля вводится для оценки силы влияния ускоряющего поля в базе на движение неосновных носителей. Он показывает во сколько раз разность потенциалов в базе, возникшая за счет встроенного поля, больше теплового потенциала . Для определения фактора поля из графика распределения суммарной концентрации примеси в базе найдём максимальную концентрацию .

Фактор поля

Рассчитаем предельную частоту для схемы с общей базой без учёта внешней нагрузки.

Задаем ширину полосок из расчитанного диапазона

Рассчитаем площадь донной части эмиттера



Рассчитанная площадь должна соответствовать плотности тока эмиттера не более 3000 .

Зададим ширину металлизации базы равной половине ширины эмиттера, а ширину зазора между металлизациями базы и эмиттера равной ширине эмиттерной металлизации. Допустим, что топологическая норма равна 1мкм и, что ширина эмиттерной металлизации меньше ширины эмитера на 2 мкм.

Время пролета базы

- длина эмиттерной полоски, К - используемое на практике соотношение между длиной и шириной эмиттерной полоски, вскрытие транзисторов показало, что это соотношение лежит в пределах 8 - 20, - зазор между краями металлизации эмиттера и базы, - ширина металлизации базы. Отношение находится в пределах от 1 до 3-х. Отношение находится в пределах 1 - 3. Отношение площадей дна коллектора и эмиттера составляет 2 - 5.

Расчитаем площадь дна базы



Граничная частота (частота на которой малосигнальный коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером равен 1) примерно равна предельной частоте в схеме с общей базой. Поскольку полученная частота больше заданной 100 МГц, то коррекцию параметров структуры не проводим. В противном случае следовало бы принять меры по уменьшению барьерных емкостей .

11. Расчет напряжения насыщения

Рассчитаем напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения при заданном токе коллектора 150 мА [6]. Для этого вычислим значение инверсного коэффициента передачи тока эмиттера как отношение площадей эмиттера и коллектора.

Рассчитаем напряжение насыщения по формуле для глубокого насыщения, когда ток базы намного больше тока базы в активном режиме, необходимого для получения того же тока коллектора.

Значение не превышает заданную величину.

Расчет напряжения насыщения эмиттер-база

Напряжение насыщения эмиттер-база рассчитываем при заданных токе базы 15 мА и токе коллектора 150 мА. Какой брать ток эмиттера

Рассчитаем характеристический ток коллектора, пределяющий границу перехода от низкого к высокому уровню инжекции электронов в базу. Примем значение коэффициента , равное 2



При больших токах, когда в базе достигается высокий уровень инжекции, проводимость базы увеличивается (модуляции проводимости базы) и сопротивление активной базы уменьшается. Получаем модулированное сопротивление активной базы.

Расчёт статического коэффициента передачи тока базы с учётом эффектов высокого уровня легирования и особенностей профиля легирования

Расчет времен жизни и диффузионных длин в эмиттере и уменьшения ширины запрещенной зоны в эмиттере

Для обеспечения высокого коэффициента инжекции , а следовательно, и статического коэффициента передачи тока эмиттер легируют сильнее чем базу. Высокий уровень легирования в змитере приводит к сужению ширины запрещенной зоны, что приводит к изменению времен жизни, диффузионных длин носителей тока и собственной концентрации носителей. Поскольку эмиттер легирован неоднородно сужение ширины запрещённой зоны также неравномерно по толщине эмиттера. Неравномерное легирование эмиттера и неоднородное по толщине эмиттера сужение запрещённой зоны вызывают появление электрических полей в области эмиттераи . Эти поля и изменение электрофизических характеристик эмиттера влияют на движение носителей в эмиттере, а следовательно, и на коэффициент инжекции.

Рассчитаем времена жизни и диффузионные длины носителей в эмиттере.

Будем считать, что напряжение на эмиттерном переходе равно 0 В.

Определим градиент концентрации примеси на эмиттерной границе ОПЗ. В начале рассчитаем координату границы ОПЗ в эмиттере .

Рассчитаем зависимость градиента концентрации суммарной примеси в эмиттере от координаты.

Рассчитаем напряженность эл. поля в эмиттере, вызванная градиентом концетрации примеси в эмиттере. М.б. надо усреднить на диффузионной длине

Определим напрженность поля, вызванную изменением ширины запрещенной зоны , используя эмпирические константы и .

Результирующее поле

Определим подвижности основных и неосновных носителей заряда в зависимости от координаты.

Определим подвижность дырок на участке, отстоящем на две ширины ОПЗ в эмиттере. В дальнейшем необходимо усреднить подвижность на участке равном эффективной диффузионной длине (величина эффективной диффузионной длины заранее не известна).

Рассчитаем средний коэффициент диффузии дырок в эмиттере на границе ОПЗ.

По известным значениям подвижностей электронов и дырок рассчитаем времена жизни в исходном материале, т.е. в подложке.

Рассчитаем время жизни дырок в эмиттере.

Необходимо учесть, что при проведении технологических операций время жизни уменьшается на один-два порядка. Зададим это уменьшение величиной а. Дополнительно время жизни снижается при легировании (за счет роста концентраций центров рекомбинации и увеличения вероятности Оже рекомбинации). Зависимость времени жизни от концентрации учитывается следующей эмпирической формулой.



Рассчитаем диффузионную длину.



Рассчитаем фактор электрического поля в эмиттере.

12. Эффект Кирка

Сущность эффекта Кирка заключается в том, что при большой плотности тока происходит компенсация заряда ионизированных примесей в части коллекторного перехода примыкающего к базе. В результате эта часть становится электрически нейтральной. При этом происходит расширение базы в сторону коллектора. Это ведёт к снижению времени пролёта и коэффициента переноса неосновных носителей. Для борьбы с этим эффектом необходимо увеличивать площадь коллекторного перехода (снижать плотность тока в коллекторном переходе).

При сильном увеличении плотности тока база достигает границы n-коллектора и при дальнейшем увеличении проникает в область коллектора. В пределе ширина базы может достигнуть границы подложки. Построим зависимость предельного тока от напряжения .

Зависимость расстояния проникновения ОПЗ коллекторного перехода от

Построим зависимость ширины базы от инжектированного тока. Поскольку формула для ширины базы не умещается на странице и не печатается, то разобьем её на две функции.



Функция имеет смысл, когда

Обычно транзисторы работают при высоком уровне инжекции в базе. При этом время жизни носителей изменяется, рассчитаем среднее время жизни электронов в базе [6].



Эффективная диффузионная длина дырок в эмиттере определяется для учёта электрического поля за счёт высокого уровня легирования.

Рассчитаем эффективную концентрацию собственных носителей с учетом уменьшения ширины запрещенной зоны

Усредним эффективную концентрацию на диффузионной длине

Определим дырочную составляющую тока насыщения эмиттерного прехода при низком уровне инжекции

Рассчитаем заряд ионов примесей в базе

При высоком уровне инжекции

Определим постоянную накопления заряда в базе

Рассчитаем характеристический ток

Определим электронную составляющую тока насыщения эмиттерного прехода при низком уровне инжекции

Напряжение на эмиттере

Контактная разность потенциалов на эмиттерном переходе



Определим статический коэффициент передачи тока базы. Первый член выражения для коэффициента передачи обусловлен рекомбинационными потерями электронов в объеме базы, второй - деффектом инжекции эмиттера, третий - наличием рекомбинации носителей заряда в ОПЗ эмиттера.



Спад коэффициента передачи в области малых токов обусловлен рекомбинацией носителей заряда в ОПЗ эмиттера, а в области больших токов - уменьшением коэффициента инжекции.

Выходные характеристики строим, исходя из графического решения



Для построения выходных вольт-амперных необходимо использовать одну из моделей транзистора (Эберса-Молла, Гумеля-Пуна и др.) в которую надо подставить найденные коэффициенты передачи тока базы прямой и инверсный. Для приближённой оценки вида выходной в.а.х. можно положить напряжение насыщения постоянным.

Краткая технология изготовления кристалла транзистора.

Технология полупроводникового производства базируется в настоящее время на таких сложных прецизионных процессах обработки, как фото- и электронолитография, оксидирование, ионноплазменное распыление, ионная имплантация, диффузия, термокомпрессия и др. К материалам, используемым в производстве приборов и микросхем, предъявляют высокие требования по чистоте и совершенству структуры. Для осуществления большинства технологических операций используют уникальное по характеристикам оборудование: оптико-механическое, термическое, ионно-лучевое. Процессы осуществляются в специальных обеспыленных помещениях с заданными влажностью и температурой.

Технологический маршрут--это последовательность технологических операций обработки полупроводниковых пластин, применяемых для изготовления данного типа ПП или ИМС . Документом, содержащим описание маршрута, является маршрутная карта. Она позволяет судить о перемещении изготовляемого прибора по всем операциям, указывает оборудование, материалы, трудовые нормативы и средства контроля. Проведение каждой технологической операции регламентируется операционной картой, содержащей описание операции с указанием технологических режимов изготовления структуры или прибора и технологической оснастки. Технологические процессы изготовления различных ПП и ИМС многообразны. Можно выделить ряд общих технологических операций и примерно одинаковую их последовательность. Типовым маршрутом изготовления планарного ПП или ИМС определяется последовательность из ряда основных операций.

Основные технологические операции при изготовлении планарно-эпитаксиального транзистора

1. Подготовка пластин. Исходные полупроводниковые пластины--эпитаксиальные структуры, например n-n⁺-типа, или монокристаллические подложки с электропроводностью п- или р-типа, полученные в качестве полуфабриката с завода-изготовителя, подвергают очистке, промывке, травлению с целью удаления с поверхности пластин загрязнений и частиц пыли. Слой с электропроводностью n-типа в эпитаксиальной n-n⁺-структуре составит в будущих транзисторах коллекторную область (рис. 6, а).

2. Создание топологического рисунка. Чтобы в эпитаксиальной структуре сформировать области с электропроводностью р-типа, необходимо обеспечить проведение локальной диффузии через окна - отверстия в защитной маске. Размеры этих окон задают с помощью процесса фотолитографии. Маской, препятствующей диффузии, служит пленка диоксида кремния. Выращивание ее является необходимой стадией планарного процесса. Пленка диоксида кремния SiO₂ толщиной 0,3-1,0 мкм надежно предохраняет структуру от воздействия многих внешних факторов и диффузии примесей. На пленку наносят слой фоторезиста -- фотоэмульсии, экспонируют его ультрафиолетовым светом через фотошаблон, содержащий множество идентичных изображений баз транзисторов с заданной конфигурацией и размерами. Засвеченные участки фоторезиста проявляются и обнажившуюся пленку SiO₂ удаляют. Окно, вскрытое для базовой диффузии, показано на рис. 6, б.

3. Получение р-п-перехода база--коллектор. Для прецизионной дозировки количества вводимой в кристалл примеси--атомов бора при создании области р-базы--используют процесс ионной имплантации, заключающийся во внедрении ускоренных ионов в поверхность кристалла. Слой фоторезиста служит защитной маской, так как ионы, внедренные в фоторезист, не достигают поверхности диоксида. Чтобы сформировать базовую область и р-n переход коллектор -- база на требуемой глубине, используют последующую диффузионную разгонку внедренных атомов бора. Ее проводят в окислительной среде при высоких температурах. В результате формируется область базы с глубиной 2-3 мкм и на поверхности базовой области наращивается пленка SiО₂ толщиной 0,3-0,5 мкм (рис. 6, в).

4. Получение р-п-перехода эмиттер -- база. Вначале формируют топологический рисунок эмиттерных областей, используя процесс фотолитографии по пленке SiO₂ над базовой областью. Одновременно вскрывают окна, задающие конфигурацию коллекторных контактов. Фоторезист удаляют и ведут диффузию фосфора с высокой концентрацией на малую глубину (до 1-1,5 мкм) .

5. Контактная металлизация. Для присоединения к областям эмиттера, базы и коллектора электрических выводов необходимо металлизировать поверхности контактов. Предварительно проводят фотолитографическую обработку структуры для удаления пленки диоксида с нужных участков. Затем с помощью термического испарения в вакууме на всю поверхность пластины напыляют слой металла (например, алюминия) толщиной около 1 мкм, по которому проводят еще один процесс фотолитографии для удаления лишнего металла между областями контактов. При изготовлении ИМС аналогичным образом создают пассивные тонкопленочные элементы--резисторы, конденсаторы, а также осуществляют коммутацию транзисторов.

6. Сборка и герметизация. Пластина содержит от нескольких сотен до десятков тысяч отдельных транзисторов. Ее разрезают на отдельные структуры, называемые на данном этапе кристаллами. Кристалл напаивают на кристаллодержатель, осуществляют разводку -- подсоединение электрических выводов к контактам базы, эмиттера и коллектора, и герметизируют, помещая в металлический корпус или заливая пластмассой.

7. Испытания приборов. Для оценки параметров и надежности приборов до их поступления в отдел технического контроля производят электрические, климатические и механические испытания. Они важны для правильной информации о качестве и надежности приборов. Помимо этого каждая технологическая операция сопровождается контролем качества обработки, например измерением глубины диффузии, толщины эпитаксиального слоя, удельного или поверхностного сопротивления. После того как в структуре созданы р-n переходы, производят контроль электрических параметров -- напряжения пробоя, тока утечки, емкости. В технологическом маршруте предусмотрены специальные контрольные карты.

Рассмотренная последовательность операций характерна для изготовления планарно-эпитаксиального транзистора. В основе классификации приборов лежит технологической метод создания активных областей структуры. По этому признаку различают сплавные, диффузионные, эпитаксиальные, имплантационные дискретные ПП, а также их модификации, например сплавно-диффузионные и др. Большинство современных приборов изготовляют на эпитаксиальных структурах. Активные области формируют с помощью ионной имплантации и диффузии. МОП-транзисторы изготовляют на монокристаллических подложках без эпитаксиального слоя методами планарной технологии. Непланарные диффузионные и эпитаксиальные переходы используют при изготовлении силовых Диодов и транзисторов.

Заключение

При разработке, изготовлении и эксплуатации полупроводниковых приборов следует принимать во внимание их специфические особенности. Высокая надёжность радиоэлектронной аппаратуры может быть обеспечена только при учёте таких факторов, как разброс параметров транзистора, его температурная нестабильность и зависимость параметров транзистора в процессе эксплуатации.

Транзисторы сохраняют свои параметры в установленных пределах в условиях эксплуатации и хранения, характерных для различных видов и классов аппаратуры. Условие эксплуатации аппаратуры могут изменяться в широких пределах. Эти условия характеризуются внешними механическими и климатическими воздействиями.

Общие требования справедливы для всех транзисторов, предназначенных для использования в аппаратуре определённого класса, содержатся в общих технических условиях. Нормы на значения электрических параметров и специфические требования, относящиеся к конкретному типу транзистора, содержатся в частных технических условиях.

Чтобы обеспечить долголетнюю и безотказную работу радиоэлектронную аппаратуры, но и обеспечить соответствующие условия её эксплуатации и хранения.

Список литературы

1. Кремниевые планарные транзисторы. Под ред. Я.А. Федотова, М., Сов. Радио, 1973.

2. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Под ред. В.А. Лабунцова. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1990.

3. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под ред. Н. Д. Фёдорова, 1998.

4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 1. 2 изд. М.: Мир, 1984.

5. А.С. Березин, О.Р. Мочалкина Технология и конструирование интегральный микросхем - М.: Радио и связь,1983.

6. Кобцева Ю.Н. Физика полупроводниковых приборов: Методические указания к практическим занятиям. Рязань: РГРТА, 1994.

7. Базылев В.К. Твёрдотельная электроника: Методические указания к лабораторным работам.Рязань: РГРТА, 2002.

8. Блихер А Физика силовых биполярных и полевых транзисторов: Пер. с англ./ Под ред. И.В. Грехова - Л.: Энергоатомиздат,1986.

9. А.П. Андреев, В.А. Миронов, Л.К. Чиркин. Расчет биполярных транзисторов и тиристоров. Л.: Энергия,1990

10. М.Г. Крутякова и др. Полупроводниковые приборы и основы их проектирования. 1983

11. Н.Н. Горюнов. Конструирование корпусов и тепловые свойства полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1972

12. Э.А. Матсон, Д.В. Крыжановский, В.И. Петкевич. Конструкции и расчет микросхем и микроэлементов ЭВА. - Минск: Высшая школа,1979.

13. А.Ф. Трутко. Методы расчета транзисторов. 1971.

Размещено на Allbest.ru