Реферат на тему:
Обозначение биполярных транзисторов на схемах
Простейшая наглядная схема устройства транзистора
Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.
Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.
Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно-транзисторную логику.
Упрощенная схема поперечного разреза биполярного NPN транзистора
Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. Последние транзисторы используются в схемах высокочастотных усилителей. Биполярный транзистор состоит из трех различным образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера E, базы B и коллектора C. В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN (эмиттер − n-полупроводник, база − p-полупроводник, коллектор − n-полупроводник) и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из слаболегированного полупроводника, обладающего большим сопротивлением. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база, поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (невозможно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате абсолютно аналогичный исходному биполярный транзистор).
В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора[1]. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они — неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.
Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт)UЭБ>0;UКБ<0;
Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.
Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).
В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты).
В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмитерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя диод, включенный последовательно с резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих схему элементов, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, неразборчивостью к параметрам транзисторов.
Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:
Усилитель с общей базой.
Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.
Достоинства:
Недостатки схемы с общей базой :
Достоинства:
Недостатки:
Достоинства:
Недостатки:
Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем»
wreferat.baza-referat.ru
Транзисторы используются для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, а также в цифровой технике.
Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer - преобразователь и resistor - сопротивление.
Определение "биполярный" указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда двух типов - электроны и дырки.
Биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р - n перехода. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p - n - р. У транзистора структуры n - p - n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними - область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).
а б
Рис. 1 Схематическое устройство и графическое обозначение на схемах транзисторов структуры p-n-p и n-p-n.
Общую (среднюю) область транзистора называют базой, одну крайнюю область - эмиттером, вторую крайнюю область - коллектором. Это три электрода транзистора.
Существуют сплавной и диффузионно - сплавной способы изготовления транзисторов.
Схематическое устройство и конструкция сплавного транзистора показана на (рис. 2). Прибор собран на металлическом диске диаметром менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен кристаллодержатель, являющийся внутренним выводом базы, а снизу - ее наружный проволочный вывод. Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проволочкам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и служат внешними выводами этих электродов. Цельнометаллический колпак защищает прибор от механических повреждений и влияния света.
Рис. 2 Устройство и конструкция сплавного транзистора
структуры p - n - p.
Коллектором диффузионно - сплавного транзистора служит пластина исходного полупроводника. На поверхность пластины наплавляют очень близко один от другого два маленьких шарика примесных элементов. Во время нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластинку полупроводника. При этом один шарик (на рис. 3 - правый) образует в коллекторе тонкую базовую область, а второй (на рис. 3 - левый) эмиттерную область. В результате в пластине исходного полупроводника получаются два р - n перехода, образующие транзистор структуры р - n - р.
Рис. 3 Устройство и конструкция
диффузионно – сплавного транзистора структуры p - n - p.
Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают четыре режима работы транзистора:
Режим отсечки – оба p-n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток
Режим насыщения – оба p-n перехода открыты
Активный режим – эмиттерный p-n переход (ЭП) открыт, а коллекторный p-n переход (КП) закрыт
Инверсный – эмиттерный p-n переход (ЭП) закрыт, а коллекторный p-n переход (КП) открыт
В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно. Эффективное управление транзистором осуществляется только в активном режиме:
При подключении эмиттера к отрицательному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток Iэ. Так как внешнее напряжение приложено к эмиттерному переходу в прямом направлении, электроны преодолевают переход и попадают в область базы. База выполнена из p-полупроводника, поэтому электроны являются для неё неосновными носителями заряда.
Электроны, попавшие в область базы, частично рекомбинируют с дырками базы. Однако базу обычно выполняют очень тонкой из p-проводника с большим удельным сопротивлением (малым содержанием примеси), поэтому концентрация дырок в базе низкая и лишь немногие электроны, попавшие в базу, рекомбинируют с её дырками, образуя базовый ток Iб. Большинство же электронов вследствие теплового движения (диффузия) и под действием поля коллектора (дрейф) достигают коллектора, образуя составляющую коллекторного тока Iк.
Отношение токов коллектора и эмиттера характеризует коэффициент передачи тока
.
Усилительные свойства транзистора вытекают из его технологического исполнения и принципа действия.
Усилительные свойства транзистора оценивают обычно по величине так называемого статического коэффициента передачи тока. который обозначается h31э (или β). Этот коэффициент показывает, во сколько раз изменение тока коллектора больше вызвавшего его изменения тока базы. У большинства исправных транзисторов величина h31э составляет от 10—12 до 200—300.
Управляющее свойство транзистора заключается в том, что большим током коллектора можно управлять достаточно маленьким током базы. Причем в активном режиме малое изменение тока базы прямо пропорционально большому изменению тока коллектора:
studfiles.net
Биполярные и полевые СВЧ транзисторы
1. Биполярные СВЧ транзисторы
В основе работы полупроводниковых СВЧ БТ и ПТ лежат те же физические процессы, которые определяют работу их на НЧ и ВЧ. Однако ряд факторов ограничивает использование НЧ и ВЧ транзисторов на СВЧ и требует решения ряда конструкторских и технологических задач.
Следует отметить, что частотный диапазон транзистора (БТ) ограничивается временем переноса носителей заряда через пространство активного взаимодействия. Это время для БТ оценивается суммой времен задержки, характеризующих последовательные стадии пролета от эмиттера к коллектору:
эк = 0,5/fт = э + к + с,
где э, к времена, определяющие заряд эмиттерных и коллекторных емкостей; в, с времена задержки в базовом и коллекторном р-n переходе, fт — граничная частота.
Можно показать, что э = RэСэ + э, где Rэ = (Iэ/Uэ)1 сопротивление, Сэ емкость эмиттера, а э = d2э (2D00)1 время рассасывания не основных носителей в эмиттерном слое, dэ глубина залегания эмиттерного перехода, Dэ коэффициент диффузии не основных носителей заряда в эмиттере, 0 — коэффициент усиления по току.
Время задержки сигнала в базовом слое в случае однородного легирования базы, в которой скорость диффузионного пролета Vдиф = (D/n)(dn/dx) 2Dв/dв равно в = d2б (2Dв)1, где dв толщина базы в направлении тока базы, Dв коэффициент диффузии не основных носителей в базе.
При неоднородном легировании базы в ней может образоваться внутреннее поле Евнутр, приводящее к значительному ускорению пролета базы и если Евнутр = const, то
в = d2в{2Dв[1 + (Евнутр/Е0)3/2]}1, где Е0 = 2D/dв.
Время задержки в обедненном слое коллекторного р-n-перехода благодаря сильному полю в нем определяется дрейфом с предельной скоростью Vнас и при оценках принимается равным половине времени пролета c = Lк/2Vнас.
Время заряда обедненной емкости коллектора к = RкСк, где Rк — последовательное сопротивление коллектора. Полным временем задержки определяется граничная частота fт
fт = ½эв, (1)
которая для БТ соответствует частоте, при которой коэффициент усиления по току в режиме КЗ выхода схемы с ОЭ = (Iк/IБ) равен единице. Условие = 1, соответствует уменьшению коэффициента усиления по току в схеме с ОБ () в два раза (т.к. ().
Для БТ можно оценить конструкторско-технологические решения, которые позволяют создать транзистор, работающий в СВЧ диапазоне.
Исходным материалом планарного БТ служит пленка высокоомного Si-n, создаваемая эпитаксиальным наращиванием на Si подложку, на которой формируется вывод коллекторного контакта. Методом ступенчатой фотолитографии в изолирующей пленке создают окна, через которые в несколько стадий вводят легирующие примеси и формируют область базы с проводимостью р-типа, низкоомную приконтактную область базы р+, а в дальнейшем — эмиттерную область с проводимостью n±типа. Металлическая пленка Э, Б и К обеспечивает подачу управляющих и питающих напряжений.
На границе Э-Б создается обедненный подвижными носителями заряда эмиттерный р-n-переход, а на границе Б-К-коллекторный.
В СВЧ транзисторах принимают меры по уменьшению времени переноса заряда через базу, для чего уменьшают размер lб. Современная технология позволяет реализовать б до десятых долей микрона. Наличие сверхтонкой базы является одной из особенностей СВЧ БТ.
Однако при уменьшении толщины базы снижается пробивное напряжение коллектора, а следовательно уменьшается выходная мощность. Следовательно, для СВЧ-транзисторов значение выходной мощности единичного транзистора снижается (компенсация достигается объединением в одном корпусе нескольких структур).
Сокращение времени переноса носителей через базу возможно также и за счет обеспечения преимущественно дрейфового (а не диффузионного) характера переноса. Дрейфовая скорость может существенно превышать скорость диффузионного движения, если создать в базе внутреннее ускоряющее поле. Для этого при изготовлении дрейфового транзистора легирующие примеси в базе распределяются неравномерно.
Например, для базы р-типа обеспечивают превышение концентрации акцепторных примесей у эмиттера по сравнению с концентрацией (акцепторов) у коллектора. Можно показать, что в случае экспоненциального распределения примесей в базе напряженность электрического поля оказывается постоянной по толщине и определяется отношением концентраций примеси на границах базы
Евнутр = тlб-1lnNбэ/Nбк, (2)
где т = kT/q температурный потенциал, lб толщина базы.
Величину m = Евнутрlб/2т называют фактором поля. Он характеризует соотношение между напряжением в базе за счет внутреннего поля и температурным потенциалом и для кремния достигает 10. Так, если при 3000К т = 0,25 мВ и m = 2, то в базе с толщиной 0,3 мкм возникает поле порядком 4 кВ/см.
В дрейфовых транзисторах время переноса заряда через базу в m раз меньше по сравнению с бездрейфовыми (т.к. дрейфовая скорость равна диффузионной при электрическом поле порядка 1 В/см, то в реальных Евнутр > > 1 В/см, то можно заведомо не принимать во внимание диффузионный перенос носителей). Граничная частота коэффициента переноса тока также увеличивается в m раз, т. е. fтдр = mfтбездрейф.
Уменьшение толщины базы (кроме снижения мощности) ведет еще и к увеличению сопротивления базы в поперечном направлении, что увеличивает постоянную времени заряда Cк р-n-перехода и, следовательно, снижает fт. Для снижения влияния роста Rк под базовым выводом легируют область полупроводника, создавая низкоомный слой р+ - типа. Тем не менее протекание базового тока параллельно плоскости кристалла приводит к возникновению неравномерного падения напряжения на распределенном сопротивлении материала базы. (Протекание тока базы обусловлено вводом и выводом носителей заряда через базу для обеспечения ее электронейтральности). Возникающие из-за тока базы падение напряжения на эмиттерном переходе в центре эмиттера оказывается меньше падения напряжения у края.
Плотность тока эмиттера экспоненциально зависит от напряжения на р-n-переходе.
Рис. 1 Рис. 2
Поэтому, падение напряжения вдоль оси Х в тонкой базе всего в несколько т приведет к различию в значении jэ примерно на порядок (jэx=0 < jэx=l/2). Возникает эффект «оттеснения тока эмиттера» (рис. 1), для устранения которого эмиттер выполняют в виде узких полосок (увеличивают их длину по координате Z для получения нужного тока эмиттера, а для выравнивания напряжения вдоль их располагают в виде большого числа отдельных полосок, до 15 штук, между которыми располагают полоски выводов базы) т. е. формируют гребенчатую структуру (рис. 2).
Конфигурация эмиттера и базы определяют fт, причем для ее увеличения БТ должны иметь максимальный периметр эмиттера при минимальной площади. Первое требование — обеспечивает необходимость равномерного распределения тока эмиттера, второе — уменьшение емкости эмиттера, снижающей уровень инжекции и шунтирующей эмиттерный переход.
В виде гребенчатой структуры реализованы эмиттеры с lэ = 1мкм, fмакс = 40/(lэ + 2t), где l, t — d мкм.
Для создания более мощных БТ используют объединение в одном кристалле до 150 единичных структур с сохранением большого отношения периметр/площадь. В многоэмиттерных структурах реализуют полоски низкоомного р+ слоя в кристалле, а внутри каждой ячейки располагают прямоугольный эмиттер. Вывод эмиттера изолирован от базовой сетки слоем SiO2.
Внешние выводы делают в виде коротких полосок (под МПЛ), что снижает их паразитные параметры С и L. Причем транзисторы выполняют без внешнего металлического корпуса.
В заключении следует указать еще одну величину: fмакс = [h31бfт/(8rбСк)]0,5, fмакс = fгр на которой 20,50/2, которая характеризует предельные частотные возможности БТ. На частотах выше fмакс БТ перестает быть активным элементом, т. е. только поглощает подводимую мощность. Генерация или усиление в этом случае невозможны ни при каких схемных включениях.
Частотные зависимости модулей коэффициентов передачи для схем с ОБ и ОЭ определяются частотами h31э и h31б, на которых коэффициент усиления по мощности уменьшается в 2 раза по сравнению с максимальным, причем h31б > h31э и определяются через снижение коэффициента передачи тока h31i (h31б = Iэ/IкUк=0, h31э = Iк/IбUк=0) до значения 20,5h31б, э/2 (рис. 3).
Рис. 3
Следует помнить, что частоты h31э, б называть граничными нельзя, т.к. низкочастотное значение h31э 0 40, и при частотах выше h31э транзистор вполне может работать, (т.о. для повышения fгр необходимо снижать rб, Ск, что является противоречивым требованием).
Современные транзисторы БТ работают до 15 20 ГГц. Получено: Рмакс непр = 300 Вт на частоте f = 1 ГГц; 20 Вт на 3 ГГц; 1 Вт на 10 ГГц; 0,1 Вт на 14 ГГц, КПД 1 3 ГГц — 50%, 14 15 ГГц — 20%, Кшума = 2,5 3,0 дБ на 2−4 ГГц; 7,0 дБ на частотах более 10 ГГц.
Гетероструктурные БТ
Радикально повысить быстродействие БТ можно, если увеличить легирование базы без изменения эффективности эмиттера, что возможно при использовании в качестве эмиттера-гетеропереход. Пример гетеро-n-р-перехода с широкозонной n-областью приведен на рис. 4.
«Встроенное» поле на переходе оказывается различным для электронов и дырок, оно и препятствует току дырок из р- в n-область. В рассматриваемом случае дырочный ток уменьшается (в exp (-E/kT), где E — дополнительный гетеробарьер для дырок), поэтому эффективность эмиттера э будет близка к 1, даже если уровень легирования р-области (базы) выше, чем n-области (эмиттера)
(3)
Различают плавные и резкие гетеропереходы рис. 4.
Рис. 4
При этом величина E в плавном гетеропереходе (варизонном кристалле) приблизительно равна разности ширин запрещенных зон Eз. При этом в плавном гетеропереходе (использован в качестве эмиттера) увеличение барьера для дырок создано за счет разности ширины запрещенных зон, а в резком оно определяется величиной Ev как показано на рис. 4
В резком гетеропереходе созданном между GaAAs — GaAs барьер может достигать величины более 10 кT, что вполне достаточно для снижения более чем на порядок второго множителя, определяемого эффективность эмиттера Э.
Следует заметить, что повышение эффективности эмиттера в кремниевых БТ имеет место также при использовании поликристаллического кремния в качестве более широкозонного материала для эмиттера.
Перспективным материалом для широкозонного эмиттера является также CrSi. Такие эмиттеры позволяют избежать туннельного эффекта при легировании базы до 1019 см-3 и более, т.о. достигается тонкий слой базы и тонкие обедненные слои, а главное — снижение на порядок величины сопротивления базы.
Гетеропереход широкозонный коллектор-узкозонная база позволяет исключить инжекцию дырок из базы в коллектор благодаря образованию барьера для дырок, поэтому допустимо Nк 1017 см-3 при Nб 1019 см-3. Трехслойная n-р-n-структура с двумя гетеропереходами позволяет реализовать взаимозаменяемость эмиттера и коллектора в ИС и возможность оптимизировать параметры базы и коллектора.
Ожидается, что наибольшим быстродействием будут обладать БТ со структурой GaAGe — GaAs за счет того, что Ge — допускает сильное легирование акцепторными примесями и имеет высокую подвижность дырок, обеспечивая малое сопротивление базы.
Возможные конструкции гетероструктурных БТ (ГСБТ) приведены на рис.
Первая реализация ГСБТ (рис. 5а) представляет двухслойную структуру: широкозонную GaAAs (вдоль поверхности) и под ней — узкозонную GaAs. Эмиттерный гомопереход в широкозонном приповерхностном слое пропускает ничтожно малый ток по сравнению с током через гетеропереход в узкозонную область, где высота барьера на ЕД меньше. Практически транзистор работает в вертикальном направлении при отключенной горизонтальной части.
Эти же идеи использованы для создания обращенного транзистора (узкий коллектор с малым Ск на поверхности) с одновременным сужением активной части эмиттера рис. 5, б.
а б
Рис. 5
Для таких структур с микронным эмиттером и электронной базой при I = 2 мА, Vл = 0,5 В получено Д = 8 nс, fт 29 ГГц, fмакс 19 ГГц, Рд = 1 мВт (время задержки при переключении).
Серьезные технологические трудности пока не позволяют использовать указанные структуры в БИС и СБИС (т.к. физика дефектообразования и ряд других процессов в материалах группы А3В5 существенно отличаются от аналогичных явлений в кремние (хотя отдельные образцы) гетеролазеры, гетерофототранзисторы) с широким эмиттером уже получены с удовлетворительными характеристиками.
Варизонные БТ (ВБТ). Благодаря возрастанию ширины запрещенной зоны от коллектора к эмиттеру в ВБТ n-р-n по всей структуре для неосновных носителей заряда имеется встроенное поле Евстр. Это поле, с одной стороны, ускоряет пролет инжектированных электронов через базу (как в дрейфовых БТ), а с другой — препятствует инжекции дырок из базы в эмиттер (как в плавном гетеропереходе). Эффект уменьшения времени задержки дрейфового пролета (б (Ев) dб/2Евстр = d2бq/2Ед) в варизонной структуре значительно превышает аналогичный эффект в дрейфовом транзисторе (в котором Евстр обусловлено неоднородным легированием базы и по порядку величины его произведение на толщину базы (dб) не превышает нескольких кТ/q).
Рис. 6
Так при Ед = 0,15 эВ, dб = 5105 см получаем Евстр = 5 кВ/см. При этом б при Nб = 1018 см-3 составит приблизительно 5 пс. Энергетическая диаграмма такой структуры приведена на рис. 6.
2. Полевые СВЧ транзисторы
В отличие от БТ, где управление потоком не основных носителей осуществляется заданием тока инжекции из эмиттера, в ПТ осуществляется управлением потоком основных носителей заданием поля (потенциала) на затворе, как это реализовывалось в вакуумных приборах.
Принято разделять ПТ СВЧ на три группы (рис. 7 а, б, в, соответственно):
ПТ, в которых в качестве затвора используется р-n-переход, или контакт металл-полупроводник (МЕППТ, барьер Шоттки), а пространство между истоком и стоком имеет один тип проводимости;
ПТ с затвором в виде металл-диэлектрик-полупроводник (МДППТ, МОППТ), а тип легирования областей стока и истока противоположен легированию области затвора;
ПТ с гетероструктурными затворами (ГСПТ).
Наиболее широкое применение на СВЧ находят ПТ с барьером Шоттки (рис. 7 а). В них, в высокоомной подложке, выполненной из арсенида галлия, создан эпитаксиальный проводящий канал n-типа. Через невыпрямляющие контакты (n — металл истока и стока) этот канал подсоединен к выводам истока и стока, между которыми расположен затвор (З) на границе которого с n-каналом образован барьер Шоттки.
а б в
Рис. 7
При приложении внешних, питающих напряжений в канале протекает ток, приводящий к падению напряжения на распределенном сопротивлении канала вдоль его длины. Обедненный слой, по этой причине является несимметричным.
Одним из основных параметров ПТ, определяющим частотные свойства, является время пролета носителей заряда в канале tк = lк/Vнас, где lк — длина канала lк = l1 + l2 + l3; Vнас- дрейфовая скорость насыщения носителей заряда в канале.
Следовательно, для получения СВЧ прибора необходимо иметь малую lк и большую Vнас, т.о. формируются основные требования к материалу и геометрическим размерам ПТ.
В качестве материала применяют арсенид галлия, т.к. подвижность в нем в 6 раз выше, чем у кремния (4700 см2/Вс), а предельная скорость насыщения больше в 2 раза, причем достигается она при значительно меньших электрических полях (0,9105м/с и 1,8105м/с). Применяется также и фосфид индия InP, дрейфовая скорость в котором в 1,5 раза выше, чем у арсенида галлия.
Величина lк снижена до 0,5 2,0 мкм, при этом ток прибора, а следовательно — мощность повышается за счет увеличения ширины канала (в) до 2 3 мм и создания многоканальных структур (см. рис. 8), где приведены структуры ПТ гребенчатого типа и структура с двумя выводами затвора.
Для ПТ fт более 4 ГГц реализованы структуры с l3 = 1,5 мкм, l1, l2 = 1,0 и 2,0 мкм, lк =2,6 мм, n = 30 единичных структур соединенных параллельно с Рвых =2,0 Вт. Уменьшение длины канала неблагоприятно сказывается на значение коэффициента отражения от входа, что затрудняет согласование ПТ с входом СВЧ тракта.
Преимущества ПТ заметно проявляются с повышением рабочей частоты. Так на 6 ГГц получена мощность 25 Вт при КПД 50% и коэффициенте шума 3 дБ на 15 ГГц 2 Вт, КПД 20 25%, шум 3 6 дБ, для частоты более 18 ГГц промышленность БТ вообще не выпускает, а ПТ на 18 ГГц дают мощность более 1 Вт, КПД 10 20%, шум 5 8 дБ.
Малошумящие ПТ имеют коэффициент шума 0,7 дБ на 4 ГГц, 1,7 на 12 ГГц, менее 3 дБ на 18 ГГц, причем коэффициент усиления последних равен 5 дБ.
В ближайшее время ожидается получение ПТ с частотами порядка 30 ГГц с выходной мощностью 1 Вт и коэффициентом шума порядка 3 дБ.
«Низкочастотные» ПТ обычно имеют планарную металлизацию вида рис. 8 а г.
транзистор коллектор туннелирование квантовый
Рис. 8
3. Сверхбыстродействующие транзисторы
Баллистические и аналоговые транзисторы
Быстродействие транзисторов определяется временем пролета носителей заряда от эмиттирующего носители электрода (эмиттера, истока) до принимающего электрода (коллектора, стока) (В дальнейшем мы будем говорить только об электронах, хотя все остается справедливым и для дырок). Это время определяется скоростью и расстоянием, предел уменьшения которого накладывается технологическими трудностями. Для увеличения скорости используется электрическое поле либо контактное, либо внешнее, разогревающее электроны, и обычно чистый, беспримесный полупроводник, обеспечивающий электронам возможность свободного безстолкновительного пролета, или, как принято говорить, возможность инерционного, баллистического пролета. Быстродействующие (СВЧ) транзисторы можно условно разделить на пять групп: 1) Баллистические электронные транзисторы (БЭТ) с гетероструктурой и туннельным эмиттером; 2) БЭТ с планарно-легированными барьерами; 3) БЭТ с варизонными барьерами и индуцированной базой; 4) полевые транзисторы с переносом заряда в пространстве; 5) полевые транзисторы, аналогичные по своей структуре вакуумным триодам и поэтому названные аналоговыми транзисторами. Рассмотрим все их последовательно.
1) БЭТ с туннельным эмиттером или туннельный транзистор на горячих электронах (ТТГЭ), как и обычный биполярный транзистор (БТ) имеет эмиттер, базу и коллектор, но, в отличие от БТ, у него все они имеют один и тот же тип проводимости, то есть ТТГЭ униполярный транзистор. За счет этого снижаются емкости эмиттерного и коллекторного переходов (нет диффузионной емкости, связанной с неосновными носителями) и, соответственно, повышается предельная частота. На рис. 9 показана гетероструктура зоны проводимости ТТГЭ.
Рис. 9
Начальная скорость в ТТГЭ определяется потенциалом VЭБ, но при превышении энергии «0,7 в начинается потеря скорости из-за взаимодействия с фононами и примесями. Расчеты показывают, что при толщине базы 50 м, когда ее пролетают баллистически около 60% электронов, время пролета составляет «0,3 псек, однако при этом на величину предельной частоты влияет большая постоянная времени RбС переходного процесса в (БЭТ) (где С — емкость эмиттерного перехода) и приходится уменьшать сопротивление базы Rб путем ее легирование примесями. Это касается не только ТТГЭ, но и всех БЭТ, поэтому их часто называют транзисторами с легированной базой.
2) БЭТ с планарно легированными барьерами — это обычно семислойная структура (рис. 10 в которой эмиттерный и коллекторный барьеры образованы каждый двумя контактами и, причем — слои имеют толщину («25нм) на порядок меньше, чем i-слои эмиттера и коллектора и n-слой базы (на рис. 10 сплошная линия показывает зону структуру в отсутствии внешних полей, а пунктирная линия — при рабочих напряжениях на электродах).
Рис. 10
Горбообразные барьеры эмиттера и коллектора получили название планарно-легированных барьеров, проходя которые в эмиттере электроны получают энергию, позволяющую им баллистически пролетать базу и коллектор. По оценкам предельная частота таких транзисторов может быть более 200 ГГц.
3) БЭТ с варизонными барьерами и индуцированной базой. Варизонный барьер — это барьер использующий полупроводник с переменной по длине концентрацией его компонент, в результате чего ширина запрещенной зоны оказывается изменяющейся вдоль этой длины. Обычно это полупроводник причем х меняется по глубине эмиттера (на рис. 11 зонной структуры такого БЭТ: 0< x<0,3).В результате эмиттерный переход оказывается имеющим такую же форму как и в предыдущем типе БЭТ (рис. 10).
Коллектор может быть сделан с планарно-легированным барьером, а может быть в виде резкого гетероперехода, как показано на рис. 11.
При этом базовая область не легирована и в равновесном состоянии она не проводящая, а при приложении напряжения к коллекторному переходу электрическое поле проникает в область базы и там индуцируется вырожденный электронный газ у стенки гетероперехода. Поэтому такие транзисторы называются транзисторами с индуцированной базой (ТИБ).
Рис. 11
Малая толщина базы и ее высокая проводимость обеспечивает быструю зарядку емкостей эмиттерного и коллекторного переходов и баллистический пролет электронами базы и коллектора, что создает у ТИБ высокое быстродействие (порядка долей пикосекунд) Принцип работы ТИБ такой же как и у транзисторов с металлической базой, которые будут рассмотрены позднее. Необходимо отметить, что работа всех трех типов БЭТ рассматривалась выше весьма схематично. В действительности в поведении БЭТ много особенностей и в настоящее время исследованы и уже нашли применение разновидности таких БЭТ, использующие не только GaAs и AlGaAs, но и GaInAs, InAs, AlSb, GaSb и др, причем часть из них работает при температуре 77К, а целый ряд хорошо функционирует и при 300К.
4) Полевые транзисторы с переносом заряда в пространстве. Эти транзисторы имеют две особенности, каждая из которых может использоваться либо в отдельности, либо обе вместе. Первая особенность — создание отрицательного сопротивления (ОС) в канале и такие полевые транзисторы (ПТ) называют ПТОС. Вторая особенность — инжекция заряда (ИЗ) из основного канала и такие транзисторы — ТИЗ. Канал такого ПТ сделан в виде гетероструктуры с селективным легированием, зонная модель которой в поперечном сечении канала показана на рис. 12. В нелегированных слоях (i-GaAs) подвижность электронов значительно выше, чем в легированных широкозонных n+AlGaAs. При отсутствии внешнего поля в канале все электроны находятся на более нижних уровнях. то есть в слоях i-GaAs, куда они переходят из-за того, что там более низкое положение по энергии, из широкозонного легированного слоя, где они образуются. Это определяет высокую подвижность электронов и быстродействие таких ПТ. При пропускании тока по каналу, то есть параллельно границам слоев, происходит два процесса.
Во-вторых электроны, набирая энергию от поля, поднимаются вверх по энергетической оси и попадают в высоколегированные слои n+AlGaAs (волнистые стрелки на рис. 12), где их подвижность еще больше уменьшается. В итоге выходная вольт-амперная характеристика такого ПТ (iси = f (Uси)) получает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ПТОС). Величина iси может, как и в обычном ПТ, регулироваться напряжением на затворе.
Рис. 12
Однако если в таком ПТОС сделать проводящую подложку из n-GaAs и подсоединить к ней четвертый электрод, то из i-GaAs разогретые электроны через варизонный слой i-AlxGa1-x As будут инжектироваться в эту подложку-анод и весь прибор станет аналогом обычного вакуумного тетрода, в котором роль катода играет канал i-GaAs, роль первой сетки играет затвор, а роль второй сетки-сток. Структура такого ПТ и его поперечная зонная диаграмма показана на рис. 13.
Рис. 13
Видно, что второй слой AlGaAs сделан варизонным с тем, чтобы обеспечить хорошую инжекцию электронов в n-слой GaAs и к четвертому электроду с потенциалом VA. Ток этого электрода зависит от VA при вариации Uис так же как в вакуумном триоде, а ток icи дает зависимость от Uси с участком ОС лишь при больших VA. В ряде конструкций затвор вообще отсутствует, а электрод подложки помещается справа, параллельно стоку.
5) Аналоговые транзисторы. Эти транзисторы являются разновидностью ПТ вертикального исполнения с затвором в виде сетки (решетки). Хотя идея создания таких транзисторов была предложена полвека тому назад, преодолеть, и то лишь частично, технологические трудности удалось только в последние годы. Условно аналоговые транзисторы можно разделить на три группы, каждая из которых имеет много разновидностей.
а) Транзистор со статической индукцией (СИТ). Это транзистор с затвором в виде сетки из p-n-переходов, типичная структура которого показана на рис. 14. Так как электроны движутся в нелегированном i-слое, они имеют высокую подвижность, что и определяет быстродействие СИТ. Конструкция СИТ напоминает конструкцию обычного вакуумного триода и поэтому СИТ имеет характеристики, похожие на аналогичные характеристики триода. В ряде конструкций вместо сетки используются более расширенные области р+ полупроводника возле затвора и вместо i-слоя -n-слой. В других исток и затвор располагаются практически в одной плоскости, а в фототранзисторах (ФСИТ) исток при этом выполнен прозрачным для света. В туннельных СИТ (СИТТ) в истоке стоит обратносмещенный р±n+ (туннельный) переход, дающий высокую плотность тока.
Рис. 14
б) Транзистор с проницаемой базой (ТПБ) является аналогом СИТ, у которого сетка выполнена из тончайших полосок металла (тантал, молибден, вольфрам шириной 0,1−0,5 мкм), а вместо i-слоев используется легированный полупроводник с концентрацией примесей 1016−1017 см-3 толщиной «0,3 мкм истокового слоя и «2мкм стокового. Расчеты показывают. что максимальная частота ТПБ растет с уменьшением ширины полосок сетки, достигая 600 ГГц при ширине 0,1 мкм, причем это уменьшение должно сопровождаться ростом концентрации примесей. Управление током исток-сток осуществляется напряжением на барьере Шоттки между металлом затвора и полупроводником. Характеристики ТПБ подобны характеристикам СИТ.
в) Транзисторы с металлической базой. Эти транзисторы можно представить как ПТ с вертикальной структурой, в котором затвор (база) прозрачна для электронов. Предельно малые длины пролета делают такие транзисторы сверхбыстродействующими. Практически был реализован МОМОМ транзистор, где между металлическими эмиттером, коллектором и базой (толщина ее «10 нм) помещены тонкие («1,5 нм) слои окисла.
Структура МОМОМ и ее зонная диаграмма показаны на рис. 15, из которого видно, что электроны эмиттера туннелируют через тонкий окисел и с большой энергией пролетают базу и окисел коллектора.
Рис. 15
К числу транзисторов с металлической базой относятся также структуры типа полупроводник-металл- полупроводник (ПМП), из которых удалось удачно реализовать структуру типа Si-CoSi2-Si, где CoSi2 тонкая пленка (20 нм), обладающая металлическими свойствами. Так как постоянные решеток Si и CoSi2 близки, структура представляет собой единый монокристалл — монолит. Эмиттер вблизи базы имеет нелегированный слой (200 нм), а коллекторный слой (800 нм), наоборот, сильнолегирован. При этом потенциальный барьер вблизи эмиттера выше, чем вблизи коллектора и эмитируемые электроны проходят базу и переход коллектора баллистически. Максимальные частоты таких транзисторов по прогнозам превышают 1 ТГц.
4. Приборы на квантово-размерных эффектах
Основой квантовой механики явились экспериментальные факты, согласно которым поток элементарных частиц (например, электронов) проявлял типично волновые свойства, такие как интерференция и дифракция. Это позволило рассматривать поток частиц с импульсами р как некоторую плоскую волну, длина которой (называемая длиной волны де-Бройля), как показало подробное исследование этого вопроса, связана с р соотношением:
, (4)
где h = 6,626?10−34 Дж? с постоянная Планка. (Проще всего убедиться в справедливости соотношения (4) приравнивая энергию в квантовом и в корускулярном представлениях). Волновая функция микрочастицы имеет тот физический смысл, что — есть вероятность обнаружить частицу в объеме dV, то есть — плотность вероятностного распределения частицы в данной единице объема пространства. Распределение в пространстве волновой функции должно удовлетворять волновому уравнению, которое по аналогии с известным из курса «Теория поля» для напряженности электрического поля электромагнитной волны Е волновым уравнением будет иметь вид
, (5)
где к волновой вектор, а импульс р связан с массой частицы m и ее кинетической энергией, (где W полная энергия частицы, V (x, y, z)-потенциальная энергия) очевидным соотношением, А = р2/2m. Уравнение (5) записанное в виде:
(6)
называется уравнением Шредингера. Если частица имеет полную энергию W, то найденная из решения (3) с заданными граничными условиями функция должна еще иметь обычный временной множитель
.
Рассмотрим решение уравнения (6) для случая. когда электрон с энергией W встречает на своем пути потенциальный порог (такой порог можно сделать например с помощью плоского конденсатора из сеток, между которыми создано тормозящее электроны поле и которые очень близко расположены одна к другой). В дальнейшем мы будем рассматривать случай, когда W зависит только от одной координаты х, то есть будем рассматривать «одномерные частицы» (рис. 16, а), когда. При этом решение уравнения (6) будет в случае V0 > W для области х < 0 иметь вид суммы двух волн (падающей и отраженной)
, (7)
а для х>0 в виде только падающей слева направо и затухающей волны
. (8)
а б
Рис. 16
Из условия равенства функций при х = 0 (условие отсутствия разрыва функции) и условия равенства их производных (условие отсутствия излома суммарной функции) нетрудно получить, что
(9)
Из (9) следует. что коэффициент отражения волны, то есть волна-частица полностью отражается от потенциального порога при W < V0, что совпадает с обычными классическими представлениями, причем при х<0 падающие и отраженные волны образуют стоячую волну (рис. 16, б).
Но, в отличие от классических представлений здесь, согласно (8), при х > 0, то есть имеет место частичное проникновение электрона за порог.
Аналогичным образом можно на основе решения уравнения (6) рассмотреть с волновых позиций поведение потока электронов. падающих на потенциальный барьер (рис. 17) или находящихся в потенциальной яме (рис. 18).
Рис. 17 Рис. 18
Рассмотрение первого случая показывает. что при этом падающая слева направо волна отразится от барьера не полностью и что имеется определенная вероятность найти электроны за потенциальным барьером, то есть в области III, причем уже из (8) легко определить. что если в этой области, то эта вероятность пропорциональна величине
, (10)
где d- ширина барьера. Этот чисто квантовый эффект проникновения частиц сквозь потенциальный барьер при энергии частиц W меньшей высоты V0 барьера называется туннельным эффектом. Он часто проявляет себя в различных процессах электроники и ядерной физики и находит большое применение в электронике СВЧ.
Решение уравнения (6) для случая потенциальной ямы показывает, что частица в яме может иметь лишь строго определенный набор энергий W=Wn, при которых яма шириной, а оказывается резонатором для волновой функции. Этот эффект квантования энергии в потенциальной яме определенных размеров а, близких к величине дБ, называется размерным квантовым эффектом.
В случае бесконечно глубокой потенциальной ямы (рис. 19) шириной, а решение (7) уравнения (6) с нулевыми граничными условиями выражается в виде синусоид и показывает, что разрешенные уровни энергии W=Wn в такой яме определяются выражением:
(11)
Вид функций при разных n дан пунктиром на рис. 19 и характеризует эффект квантования энергетических уровней. Если яма будет конечной глубины, то разрешенных уровней в ней будет либо один-два, либо всего лишь несколько штук. Следует отметить, что решение уравнения (6) для случая потенциальной ямы, образованной для электронов положительным зарядом (ядром атома) дает серию энергетических уровней Wn, переходы между которыми соответствуют квантам излучения или поглощения, расчетная величина энергии которых хорошо совпадает с многочисленными опытами, что в свое время и явилось торжеством и признанием квантовой физики.
Рис. 19
Из рис. 19 видно, что размер, а ямы должен быть по порядку величины близок к дБ, которая для комнатной температуры у электронов в полупроводниках имеет порядок 10−8 м «10 нм. Современная технология полупроводников позволяет создавать, используя полупроводники с разной шириной запрещенной зоны, слоистые структуры с такой толщиной слоев, то есть позволяет создавать квантовые ямы и барьеры.
Если рассмотреть структуру с периодически повторяющимися барьерами и ямами. называемую сверхрешеткой, то мы получим аналог обычного кристалла, в котором потенциальные ямы атомов соединены вместе, что приводит к расплыванию отдельных разрешенных энергетических уровней электронов в атоме в зоны разрешенных значений энергии, между которыми расположены зоны запрещенных значений энергии. Но в отличие от кристалла, в котором атомы расположены достаточно близко и поэтому разрешенные зоны получаются достаточно широкими. в сверхрешетке расстояние между соседними ямами обычно бывает большим и разрешенные зоны на один-два порядка уже чем в кристалле. Поэтому их называют минизонами (рис. 20).
Основной структурным элементом СВЧ приборов на размерных квантовых эффектах является двойной потенциальный барьер с квантовой ямой посередине, получивший название резонансного туннельного диода (РТД).
Рис. 20
Рассмотрим структуру зоны проводимости такого диода (рис. 21, а) образованного двумя барьерами широкозонного полупроводника (обычно AlGaAs) и расположенной между ними потенциальной ямой (обычно GaAs), причем по бокам от барьеров пусть имеется высоколегированный (вырожденный) донорный полупроводник (обычно n+ GaAs), у которого уровень Ферми WF лежит ниже первого (нижнего) резонансного уровня W1 потенциальной ямы, а дно зоны проводимости находится на уровне W0.
а б
Рис. 21
При приложении к такой структуре разности потенциалов U (плюс справа) дно зон проводимости и все уровни двухбарьерной структуры искрив-ляются и опускаются справа вниз (рис. 21, б), причем когда уровень WF слева расположится против уровня W1 ямы появится возможность у электронов левого n+ полупроводника туннелировать на резонансный уровень W1 ямы, а оттуда через правый барьер в правый n+ - полупроводник. При этом через РТД потечет ток, который будет расти с ростом U, а затем уменьшаться практически до тех пор пока на уровне W1 ямы не окажется дно зоны проводимости W0 левого n+ - полупроводника. После этого, так как слева уже нет электронов энергия которых удовлетворяла бы условию резонансного туннелирования через яму, ток должен существенно уменьшиться. Но тут начинает проявлять себя эффект обычного туннелирования через два потенцильных барьера (рис. 18) и. кроме того, практически всегда при этом приближается или даже наступает условие W2 = WF резонанса для второго резонансного уровня ямы и ток вновь начинает возрастать с ростом напряжения. Вольтамперная характеристика РТД при этом имеет вид показанный на рис. 22.
Рис. 22
Этот вид может существенно изменяться в зависимости от ширины барьеров, ямы и от других конструктивных особенностей РТД. Так в реальных РТД между барьерами и n+ - полупроводниками обычно помещаются тонкие нелегированные слои-спайсеры, толщина которых влияет на ход вольтамперной характеристики (ВАХ) РТД. На рис. 23, а показана типичная структура РТД, а на рис. 23, б дана зависимость отношения максимального тока ее ВАХ к минимальному от толщины в спайсеров. включения и использования, в частности, «паразитных» элементов самого РТД.
а б
Рис. 23
На рис. 24 показана простейшая эквивалентная схема автогенератора СВЧ на РТД, причем между точками, а и б дана эквивалентная схема самого РТД, где (G) отрицательная проводимость, появляющаяся на падающем участке ВАХ, Cg емкость шунтирующая (-G) и определяемая участком между n±GaAs, rs и Ls сопротивление и индуктивность подводящих участков (n+) РТД (Cg, rs и Ls «паразитные» элементы РТД, Rн и Lн параметры нагрузки).
Составляя уравнения Кирхгофа для схемы рис. 24:
Рис. 24
Инерционность процесса туннелирования, то есть время туннелирования, принято оценивать с помощью известного из курса физики соотношения неопределенностей, согласно которому это время связано с шириной линии резонанса туннелирования (как бы «толщиной» каждого их уровней W1, W2 и т. д.) соотношением:, где h- постоянная Планка. Такая оценка показывает, что верхняя частотная граница РТД Гц=1 Тгц. Однако в действительности инерционность устройств на основе РТД определяется инерционностью элементов схем его
(12)
, (13)
дифференцируя по времени t первое уравнение (12) и поделив все члены его на L можно получить уравнение для переменного тока i малой амплитуды:
. (14)
Из (14) видно, что в случае в системе будут существовать автоколебания с частотой
, (15)
которая при вариации L будет при иметь максимум, равный
, (16)
откуда следует, что максимальная частота генерации автогенератора на РТД равна, то есть определяется произведением. По ряду оценок эта частота в настоящее время достигла 200 Ггц. Двухбарьерная структура РТД нашла применения в качестве составной части обычных биполярных и полевых транзисторов (БТ и ПТ) и транзисторов на горячих электронах. Эта структура помещается либо в эмиттер, либо в базу БТ, или либо в затвор, либо в исток ПТ. Это создает в выходных характеристиках БТ и ПТ соответствующие участки с уменьшением тока при росте напряжения, что существенно расширяет функциональные возможности БТ и ПТ.
Весьма интересны и перспективны структуры содержащие последовательное соединение нескольких РТД, в частности, сверхрешетки. Такие структуры имеют ВАХ, содержащую несколько падающих участков тока вдоль оси напряжений и могут найти широкое применение как в качестве умножителей частоты в большое число раз, так и для построения ряда логических элементов. Такие структуры также включаются в состав БТ и ПТ с целью расширения функциональных возможностей последних.
Литература
1. Полупроводниковые приборы В. В. Пасынков, Л. К. Чиркин. -М.: Высш. шк. 1987. -427с.
2. Батушев В. А. Электронные приборы: Уч. Для высш. Шк. -М: Высш. шк. 1980. -383с.
3. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники.: Уч. Пособие для вузов. -М.: Сов. Радио 1980. -424с.
4. Игнатов А. Н. Полевые транзисторы и их применение. -М.: Радио и связь, 1984. -276с.
5. Бочаров Л. Н. Полевые транзисторы. — М.: Радио и связь, 1984, -80с.
6. Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы: Справочник/А.Б. Гитцевич, А. А. Зайцев, В. В. Мокряков и др.; Под общ. ред.Н. Н. Горюнова. -2-е изд., перераб. М: Энергоатомиздат, 1984.
7. Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник/ В. А. Аронов, А. В. Баюков, А. А. Зайцев и др.; Под общ. ред. Н. Н. Горюнова. М: Энергоатомиздат, 1982.
8. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник/А.Б. Гитцевич, А. А. Зайцев, В. В. Мокряков и др.; Под ред.А. В. Голомедова. М: Радио и связь, 1989.
9. Тиристоры: Справочник/ О. П. Григорьев, В. Я. Замятин, Б. В. Кондратьев, С. Л. Пожидаев. М: Радио и связь, 1990. (Массовая радиобиблиотека)
10. Булычев А. Л. и др. Электронные приборы. — М.: Лайт Лтд., 2000. — 416 с.
11. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Уч. пособие для вузов/ Ю. Л. Бобровский, С. А. Корнилов, И. А. Кратиров и др.; Под ред. Проф. Н. Д. Федорова. — М.: Радио и связь, 1998. -560с.
12. Прянишников В. А. Электроника: Курс лекций. — 2-е изд. испр. и доп. — СПб.: КОРОНА принт, 2000. — 416 с.
13. Быстров Ю А., Гамкрелидзе С. А., Иссерлин Е. Б., Черепанов В. П. Электронные приборы и устройства на их основе: Справочная книга.- М.: ИП РадиоСофт, 2002 — 656с.
14. Малышев В. А., Червяков Г. Г., Ганзий Д. Д. Нелинейные микроволновые полупроводниковые устройства. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2001. 354с.
1 Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учеб. пособие для вузов/ Ю. Л. Бобровский, С. А. Корнилов, И. А. Кратиров и др., Под ред. проф.Н. Д. Федорова. М.: Радио и связь, 1998. -560с.
16. Носов Ю. Р., Шилин В. А. Основы физики приборов с зарядовой связью. — М.: Наука, 1986. -240с.
17. Речицкий В. И. Акусто-электронные радиокомпонентыю Схемы, топология, конструкции. -М.: Радио и связь, 1987. -246с.
18. Дворников А. А., Огурцов В. И., Уткин Г. М. Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах. -М.: Радио и связь, 1983. -216с.
Показать Свернутьvpu7.lg.ua
Дисциплина «Физические основы микроэлектроники» 2 Тема работы: «Расчёт биполярного и полевого транзисторов» 3 Срок сдачи студентом законченной работы: 8 апреля 2010 года 4 Перечень вопросов, подлежащих разработке 4.1 Исходные данные: 1) Биполярный кремниевый p-n-pтранзистор формируется последовательной двойной базовой диффузией фосфора и эмиттерной диффузией бора в кремниевую подложку p-типа. Концентрация исходной примеси Nисх=5·1016 см-3, Поверхностная концентрация примеси фосфора Nод=3·1018 см-3, Поверхностная концентрация примеси бора Nоа=5·1021 см-3, Глубина залегания эмиттерного p-nперехода Xэ=0,5 мкм, Глубина залегания коллекторного p-nперехода Xк=3,5 мкм, Схема включения: с общей базой. 2) Кремниевый МДП-транзистор обеднённого типа со встроенным n-каналом после формирования структуры должен иметь следующие параметры: Концентрация акцепторной примеси в пластине Nа=5·1015 см-3, Плотность поверхностных состояний Nпов=3·1011 см-2, Толщина подзатворного диэлектрика d=0,08 мкм, Длина канала l=6 мкм, ширина канала b=60 мкм. 4.2 Содержание пояснительной записки: 1) Аннотация, 2) Оглавление, 3) Анализ технического задания, 4) ВВЕДЕНИЕ, 5) Описание технологии изготовления транзистора, 6) Расчётная часть, 7) Основные особенности использования транзисторных структур в интегральных схемах, 8) Заключение, 9) Список литературы.
ВВЕДЕНИЕ. 6 1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ.. 9 2 РАСЧЕТ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА.. 13 3 РАСЧЁТ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА.. 37 4 ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ.. 47 5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 51 6 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 52
ВВЕДЕНИЕ
Биполярным транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления мощности и генерирования колебаний и имеющий три или более выводов.
Термин «биполярный» призван подчеркнуть роль обоих типов носителей заряда в работе этого класса транзисторов: инжекция неосновных носителей через базу сопровождается компенсацией их заряда основными носителями.
Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора.
Переход, который образуется на границе эмиттер-база, называется эмиттерным, а на границе база-коллектор – коллекторным. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы p‑n‑р и n‑р‑n.
Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора: режим отсечки, режим насыщения, активный режим.
Биполярный транзистор представляет собой два взаимодейстыующих p-nперехода. Каждый переход можно включать либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого выделяют три режима работы транзистора:
1. Режим отсечки – оба p‑n перехода закрыты, при всём этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток;
2. Режим насыщения – оба p‑n перехода открыты;
3. Активный режим – один из p‑n переходов открыт, а другой закрыт.
В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы.
Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе – обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности – инверсным.
Определим основные области биполярного транзистора и их назначение.
Область транзистора, расположенная между переходами, называется базой. Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из них изготовляют так, чтобы из нее наиболее эффективно происходила инжекция в базу, а другую – так, чтобы соответствующий переход наилучшим образом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы.
Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером, а соответствующий переход – эмиттерным.
Область, основным назначением которой является экстракция носителей из базы, называют коллектором, а переход – коллекторным.
Часть базы, находящуюся между эмиттером и коллектором, через которую проходят носители заряда в активном режиме работы транзистора, называют активной частью. Часть базы расположенную между эмиттером и выводами базы, называют пассивной, а ту часть, которая лежит за выводом базы, – периферической.
По характеру движения носителей тока в базе различают диффузионные и дрейфовые биполярные транзисторы.
Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может присутствовать или отсутствовать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым, если же поле в базе отсутствует – бездрейфовым.
Биполярный транзистор, расчёт которого приведён в этой работе, является дрейфовым, так как выбранная технология изготовления подразумевает неоднородность базы.
Также в этой работе нужно рассчитать полевой транзистор.
В 1960 г. были изготовлены полевые транзисторы с изолированным затвором, в основе которых лежала структура металл–диоксид кремния–полупроводник, используемая для исследования поверхностных свойств кремния.
Полевым транзистором с изолированным затвором называют полупроводниковый прибор, имеющий один или несколько затворов, электрически изолированных от проводящего канала.Изоляция затвора от проводящего канала осуществляется с помощью пленки диэлектрика, поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют
MДП-транзисторами. Чаще всего в качестве диэлектрика применяют диоксид кремния, такие транзисторы называют МОП-транзисторами. МДП-транзисторы делятся на два вида: с встроенными и с индуцированными каналами. Встроенные и индуцированные каналы могут быть как n, так и р-типов электропроводности:
Уменьшение тока на выходе МДП-транзистора со встроенным каналом обеспечивается подачей на управляющий электрод—затвор—напряжения U3с полярностью, соответствующей знаку носителей заряда в канале: для р-канала U3>0, для n-канала U3<0. Напряжение затвора U3указанной полярности вызывает обеднение канала носителями заряда, сопротивление канала увеличивается, и выходной ток уменьшается. Если изменить полярность напряжения на затворе (например, для МДП-транзистора со встроенным р-каналом подать UЗ<0), то произойдет обогащение канала дырками и соответственно увеличение выходного тока.
В МДП-транзисторе с индуцированным каналом при напряжении на затворе, равном нулю, канал отсутствует. Только при приложении к затвору так называемого порогового напряжения образуется (индуцируется) канал. При этом полярность напряжения на затворе должна совпадать со знаком основных носителей в объеме полупроводника-подложки: на поверхности полупроводника индуцируется заряд противоположного знака, т. е. тип проводимости приповерхностного слоя полупроводника инвертируется и образуется проводящий канал.
Таким образом, МДП-транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обеднения канала носителями заряда, так и в режиме обогащения. МДП-транзисторы с индуцированным каналом работают только в режиме обогащения [4, c. 289].
1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
В ходе работы необходимо рассчитать два типа транзисторов. В задании на курсовое проектирование приведены только основные величины, которых недостаточно для полного расчета параметров биполярного и полевого МДП-транзистора. Таким образом, в расчетной части будут указаны дополнительные величины и их значения, необходимые для проведения расчёта.
В главе «ВВЕДЕНИЕ» должны быть приведены общие сведения по транзисторам, физические принципы работы, схемы включения, режимы работы, условные обозначения в электрических схемах.
Из задания следует, что биполярный транзистор изготавливается по диффузионной технологии. Таким образом, он имеет внутреннее поле в базе, то есть носители передвигаются там не только за счет процесса диффузии, но также за счет электрического поля, обусловленного изменением концентрации носителей в базе. Такие транзисторы называются дрейфовыми.
Для расчета статических параметров биполярного транзистора необходимо будет выбрать математическую модель полупроводникового прибора согласно необходимой точности. Расчет транзистора будет включать в себя расчет статических и динамических параметров. Динамические параметры вычисляются по обычным формулам с учетом особенностей транзистора.
Полевой транзистор, заданный для расчета - это МДП-транзистор со встроенным каналом, то есть канал существует при отсутствии напряжения на затворе.
Курсовой проект также содержит сведения о применении транзисторных структур в интегральных микросхемах.
Характеристики полупроводниковых приборов в значительной степени зависят от качества исходных полупроводниковых материалов. Особую проблему при изготовлении полупроводников представляет их очистка. Превращение полупроводника в металл происходит при относительном содержании примеси (0.01-0.001%), что характерно, например, для эмиттерных слоев диодов и транзисторов. Для сохранения характерных полупроводниковых свойств содержание примеси, как правило, должно лежать в пределах 0.0001%. При этом и эта исключительно малая цифра характерна лишь для полезной примеси. Содержание посторонних, а особенно вредных примесей должно быть еще на 2-3 порядка меньше.
Идеальным случаем была бы возможность получения абсолютно чистого собственного полупроводника, в который потом можно было бы добавлять необходимое количество полезной примеси. Практически получение настоящего собственного полупроводника невозможно, но методы современной металлургии позволяют получить исходные материалы с указанной выше степенью чистоты.
Германий и кремний, полученные путем химической обработки их двуокисей, с точки зрения полупроводниковой техники считаются очень загрязненными, почти металлами. Методы специальной очистки их основаны на том, что растворимость большинства примесей гораздо больше в жидкой фазе, чем в твердой. Поэтому, если постепенно охлаждать расплавленный германий или кремний, то в затвердевшей части будет меньше примесей, чем в оставшейся жидкой части. Отрезая от затвердевшего слитка ту часть, которая затвердела, и повторяя операцию, можно получить очень чистый материал. Реализацией описанного принципа являются такие распространенные методы очитки, как зонная плавка, и выращивание кристалла из расплава. При зонной плавке исходный слиток помещают в челночный тигель (из кварца или графита), относительно которого медленно перемещается группа из пяти-шести катушек, служащих для индукционного нагрева и расплавления тех участков слитка, которые находятся в данный момент под катушками. Иногда степень оттеснения примесей за одну протяжку оказывается все же недостаточной, тогда, отрезав примесную часть слитка, операцию повторяют.
Метод выращивания кристалла состоит в том, что в тигель с расплавленным полупроводником опускают (до соприкосновения с расплавом) монокристаллическую затравку из того же материала, а затем медленно поднимают ее вместе с постепенно нарастающим на ней новым монокристаллом. Для перемешивания расплава стержень с затравкой медленно вращают или заставляют слегка вибрировать. Метод выращивания обычно применяют после предварительной зонной травки.
Все виды очистки полупроводников проводят в атмосфере инертных газов или водорода, которые также должны быть достаточно чистыми. Массивные кристаллические слитки полупроводников, полученные в результате очистки, диаметром до 40-80 мм и длиной до 50-75 см разрезают на множество тонких пластин, на основе которых затем изготавливают отдельные приборы или интегральные схемы. Во время резки слиток прочно закрепляют на неподвижном основании, причем очень важно обеспечить точное расположение слитка относительно режущих полотен или дисков с тем, чтобы пластины имели необходимую кристаллографическую ориентацию. Контроль ориентации осуществляется рентгеновским методом. Как правило, пластины нарезаются в плоскости (111) и (100).
Поверхность пластин после резки весьма неровная: размеры царапин, выступов и ямок иногда намного превышают размеры будущих структурных элементов. Поэтому перед началом основных технологических операций пластины многократно шлифуют, а затем полируют. Цель шлифовки помимо удаления механических дефектов состоит в том, чтобы обеспечить необходимую толщину пластины (200-300 мкм), недостижимую при резке, и параллельность плоскостей.
По окончании шлифовки на поверхности все же остается механически нарушенный слой толщиной в несколько микрон и выше, под которым расположен еще более тонкий. Так называемый физически нарушенный слой. Последний характерен наличием незримых искажений кристаллической решетки и механических напряжений, возникающих в процессе шлифовки.
Цель полировки состоит в удалении обоих нарушенных слоев и снижении неровностей поверхности до уровня, свойственного оптическим системам и составляющего сотни, а иногда десятки ангстрем. Чаще всего используется химическая полировка (травление). Обязательными компонентами таких реактивов является окислитель (обычно азотная кислота) и растворитель образующегося окисла (обычно плавиковая кислота). Кроме этих компонентов в состав правителей входят ускорители и замедлители реакции. Выступы и трещины на поверхности стравливаются быстрее, чем основной материал, и в целом поверхность выравнивается.
Помимо травления важнейшим химическим процессом в полупроводниковой технологии является очистка поверхности от загрязнений органическими веществами, особенно жирами. Такую очистку проводят неоднократно, в частности перед каждым травлением, поскольку скорость травления резко уменьшается в местах загрязнений. Очистку и обезжиривание проводят в органических растворителях при повышенной температуре. Травление, очистка и многие другие процессы сопровождаются отмывкой пластин в деионизированной воде. Степень деионизации оценивается по удельному сопротивлению воды, которое должно лежать в пределах 10-20 МОм×см и выше (удельной сопротивление дистиллированной воды не превышает 1-2 МОм×см).
Существует несколько технологий создания p-nпереходов, но мы рассмотрим только диффузионную технологию, так как по этой технологии должен быть выполнен рассчитываемый транзистор.
Диффузия - это процесс, с помощью которого на поверхности или внутри пластины полупроводника получают p- или n- области путем введения акцепторных или донорных примесей. Проникновение примесей внутрь пластины проводника происходит за счет диффузии атомов примеси. Источником примеси диффузанта может быть либо жидкость, либо газ (пар). В первом случае поверхность пластины контактирует со расплавом, содержащем в качестве компонента необходимую примесь, во втором случае - с парами примеси или с потоком инертного газа-носителя, содержащего пары примеси. Второй метод имеет большее распространение.
На рисунке 2.1 показан метод открытой трубы для получения диффузионных слоев. Вдоль трубы с небольшой скоростью непрерывно проходит поток нейтрального газа-носителя, например аргона.
Рисунок 1.1 – Схема двухзонной диффузионной печи
В 1-ой температурной зоне к этому потоку примешиваются пары диффузанта, полученные сублимацией из твердого источника. Попадая во 2-ую высокотемпературную зону, где расположены пластины полупроводника, молекулы диффузанта (например - фосфора) адсорбируются и диффундируют в пластины на определенную глубину, а другие составляющие диффузанта
(в нашем примере - хлор) уносятся газом носителем из зоны. Нагрев источника диффузанта и пластин осуществляется локальным высокочастотным полем с помощью внешних катушек.
Диффузия примесей имеет под собой ту же теоретическую базу, что и диффузия подвижных носителей заряда. Существенное отличие состоит, конечно, в отсутствие рекомбинации, а с количественной стороны в несравненно меньших коэффициентах диффузии, а значит, и скоростях движения.
Так как атомы примеси диффундируют из области высокой концентрации со скоростью, определяемой коэффициентом диффузии, то наибольшая концентрация примесей наблюдается у поверхности полупроводника. С увеличением расстояния от поверхности вглубь полупроводника концентрация примесей монотонно убывает.
Диффузию можно проводить и однократно, и многократно (двойная, тройная диффузия). Например, в исходную пластину кремния p-типа во время первой диффузии внедряется донорная примесь (фосфор) и получается n-слой. Во время второй диффузии, внедряется в полученный слой (на меньшую глубину) акцепторная примесь (бор) и тем самым обеспечивается трехслойная структура транзистора.
Атомы примеси с меньшим коэффициентом диффузии образуют вблизи поверхности полупроводника область с противоположным типом электропроводимости. Качество процесса диффузионного получения переходов во многом зависит от точности поддержания требуемой температуры. Например, при температуре 1000-1200 ºС изменение ее на несколько градусов может в два раза изменить коэффициент диффузии.
2. РАСЧЕТ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА Биполярный дрейфовый транзистор p-n-pтипа будем изготавливать по диффузионной технологии. Диффузию можно проводить и однократно, и многократно. Проведём двойную диффузию, причём в первый раз осуществим диффузию донорной примеси, а во второй раз – акцепторной, но на меньшую глубину для формирования структуры p-n-p. Атомы примеси диффундируют из области высокой концентрации со скоростью, определяемой коэффициентом диффузии, и наибольшая концентрация примесей наблюдается у поверхности полупроводника. В начальный момент времени будем считать концентрацию вводимой примеси равной нулю; полагаем также, что глубина диффузии невелика по сравнению с толщиной пластины. Будем использовать так называемый ограниченный источник примеси. В этом случае полное количество атомов примеси остаётся постоянным в процессе диффузии. Сначала происходит «загонка» атомов примеси на небольшую глубину; затем внешний источник отключается и начинается «разгонка».
***** Например, модель Гуммеля-Пуна основана на интегральных соотношениях для зарядов и связывает внешние электрические характеристики с зарядом в базе транзистора. Это очень точная модель, объясняющая многие физические эффекты, но для ее описания требуется много параметров: так, для работы в широком диапазоне необходимо 25 параметров. Последовательное упрощение модели Гуммеля-Пуна в конце концов приводит к простейшей модели Эберса-Молла [7, c. 165].
*****
При использовании этой схемы замещения принимаются следующие допущения [5, с. 186]:
1) Площадь поперечного сечения постоянна в любом сечении прибора,
2) Концентрация носителей заряда зависит только от координаты Х,
3) Концентрация примеси постоянна в каждой области, и поэтому p-nпереходы считаются резкими,
4) Низкий уровень инжекции,
5) Ни на внешней поверхности ПП, ни на внутренних областях процессы рекомбинации не происходят,
6) Толщина активной области базы постоянна.
Исходя из данной схемы замещения, работу транзистора можно описать так
[1, c. 181]:
Если эмиттерный переход открыт и через него протекает ток то в цепи коллектора будет протекать несколько меньший ток, поскольку часть инжектированных носителей заряда рекомбинирует. В этом случае αN=αFпредставляет собой коэффициент передачи эмиттерного тока. При инверсном включении транзистора αI=αR– коэффициент передачи коллекторного тока.
*****
Интегральная микросхема (ИМС) – это конструктивно законченное изделие электронной техники, выполняющее определенную функцию преобразования информации и содержащее совокупность электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (ЭРЭ), изготовленных в едином технологическом цикле. По способу изготовления различают полупроводниковые ИМС, пленочные ИМС и МС, выполненные по совмещенной технологии. В полупроводниковых ИМС все ЭРЭ и часть межсоединений сформированы в приповерхностном слое полупроводниковой (обычно кремниевой подложки). Отдельные элементы транзисторы, диоды, пассивные элементы в полупроводниковых ИМС изолируются друг от друга двумя основными способами: 1) обратно смещенным p-nпереходом; 2) диэлектрической изоляцией между ним. Проводящие межэлементные соединения получают при помощи инверсии приповерхностных слоев полупроводника, а также за счет нанесения проводящих пленок на поверхностных слоях МС. Степень интеграции составляет 100000 элементов в одном кубическом сантиметре. Гибридные ИМС (ГИС) – это микросхемы, в которых все пассивные элементы выполняются по тонкопленочной (толстопленочной) технологии: проводники, сопротивления, емкости и другие пассивные элементы выполняются на поверхности высококачественной подложки (стекло, керамика, полупроводник). Активные элементы устанавливаются сверху, как отдельные элементы в бескорпусном исполнении. В ГИС пассивные элементы имеют высококачественные параметры, так как используются хорошие диэлектрики, проводящие полосы. Степень интегрирования 150 элементов в одном кубическом сантиметре. В ИМС, выполненных по совмещенной технологии, все активные элементы выполнены по полупроводниковой технологии в объеме кристалла полупроводника, а пассивные – на поверхности по пленочной технологии. В качестве активных элементов ИМС используют обычно различные транзисторные структуры, сформированные в кристалле кремния методами планарной технологии. Биполярный транзистор является основным активным элементом в современных интегральных микросхемах. Структура биполярного транзистора в ИМС отличается от структуры дискретного транзистора изоляцией от подложки. Другая особенность связана с тем, что вывод от коллекторной области интегрального транзистора осуществляется на верхней поверхности кристалла. Поэтому уменьшения объемного сопротивления области коллектора перед эпитаксиальным наращиванием производится обычно подлегирование подложки в тех местах, где будут сформированы транзисторные структуры, то есть создается скрытый n+-слой. При этом даже при наличии скрытого n+-слоя сопротивление коллекторной области интегрального транзистора оказывается больше аналогичного сопротивления дискретного транзистора, так как скрытый n+-слой отделен от коллекторного электрода высокоомным слоем коллекторной области. Это приводит к некоторому ухудшению частотных свойств интегрального транзистора в связи с увеличением постоянной времени цепи коллектора (времени перезарядки барьерной емкости коллектора). Поэтому граничные частоты биполярных транзисторов в интегральных микросхемах обычно не превышает 500 МГц. При этом необходимо также учесть, выходная ёмкость интегрального транзистора состоит не только из барьерной ёмкости коллекторного перехода, но и из барьерной ёмкости изолирующего перехода между областью коллектора интегрального транзистора и остальной частью кристалла. Кроме того, в связи с увеличенным сопротивлением коллекторной области интегральный транзистор имеет повышенное значение напряжения между коллектором и эмиттером в режиме насыщения. Интегральный транзистор отличается от аналогичного дискретного транзистора, изготовленного по той же планарной технологии, значительно меньшими размерами. Объясняется это тем, что в дискретном планарном транзисторе должны быть контактные площадки для подсоединения проволочных выводов эмиттера, базы и коллектора. Размер контактных площадок должен быть не менее 100·100 мкм. В ИМС нужны только для подсоединения выводов от всей схемы. Отдельные же элементы ИМС соединены между собой межэлементными соединениями в виде тонких и узких (нескольких микрометров) металлических полос. Основу биполярных ИМС составляют транзисторы n-p-nтипа, что вызвано удобствами формирования именно n-p-nструктур и несколько лучшими параметрами интегральных n-p-nтранзисторов по сравнению с параметрами интегральных транзисторов p-n-p-типа. Основным приемлемым вариантом интегрального транзистора p-n-p-типа является горизонтальный (боковой) транзистор. Для его формирования не надо вводить дополнительных технологических операций, так как p-область его эмиттера и коллектора получаются одновременно при создании p-области базы транзистора n-p-n-типа. При этом горизонтальный p-n-p-транзистор оказывается бездрейфовым из-за однородного легирования его базовой области – эпитаксиального слоя. Толщина активной части базы горизонтального транзистора получается относительно большой. Все это приводит к посредственным частотным свойствам горизонтального транзистора: его граничная частота не превышает нескольких десятков мегагерц. У горизонтального транзистора должны быть одинаковыми пробивные напряжения эмиттерного и коллекторного переходов. Близкими должны быть и коэффициенты передачи тока эмиттера при нормальном и инверсном включении такого транзистора, так как область эмиттера и коллектора одинаковы по свойствам. Горизонтальная структура позволяет легко осуществить многоколлекторный транзистор. Для этого достаточно кольцевую область коллектора разделить на несколько частей и предусмотреть отдельные выводы от каждой части – от каждого коллектора. Коэффициент передачи тока для каждого коллектора будет, конечно, в соответствующее число раз меньше, чем для единого коллектора, но все коллекторы будут действовать синхронно, а нагрузки во всех коллекторных цепях будут электрически разделены. Многоколлекторный транзистор оказывается удобным для некоторых цифровых интегральных микросхем. Полевые транзисторы с управляющим p-nпереходом и МОП-транзисторы изготовляют по технологии монолитных ИМС или по технологии “кремний на сапфире” (КПС). Особенности технологии изготовления полевого транзистора определяются в основном видом и концентрацией вводимых примесей. Различают p-МОП-, n-МОП- и k-МОП-технологии. Компоненты, выполненные по p-МОП-технологии (с каналом типа p), имеют малое быстродействие, пороговое напряжение, дешевы, просты в изготовлении, имеют большой выход годных изделий. Технология n-МОП более сложна, позволяет изготовлять транзисторы с меньшим пороговым напряжением, каналом типа n, большим быстродействием и плотностью элементов. В технологии комплиментарных приборов k-МОП используются комбинации процессов,используемых в n-МОП и p-МОП-технологиях. Поэтому производство более дорогостоящее, а плотность элементов на кристалле малая. При этом при небольших напряжениях быстродействие приборов, выполненных по этой технологии выше, чем у приборов выполненных по n-МОП технологии. Кроме того, такие ИМС потребляют очень малую мощность и могут работать при значительных изменениях напряжения питания. МОП-транзисторы ИМС выполняются или с технологически встроенным, или с индуцированным каналом. При изготовлении МОП-транзисторов количество ответственных операций, влияющих на процесс выхода годных микросхем, значительно меньше, чем при изготовлении биполярных транзисторов. Роль диэлектрика между затвором и каналом выполняет диоксид кремния SiO2, что хорошо согласуется с основными технологическими процессами. В отличие от своего дискретного аналога полевые транзисторы с управляющим p-nпереходом значительно реже применяются в ИМС, чем МОП-транзисторы. Чтобы не усложнять технологию изготовления интегральной микросхемы, целесообразно для создания резисторов использовать одну из областей транзисторной структуры. Эмиттерная область содержит наибольшую концентрацию примесей и обладает наименьшим удельным сопротивлением слоя. Поэтому эмиттерная область пригодна для формирования диффузионных резисторов только с малым сопротивлением (около 10 Ом). Из-за большой концентрации примесей температурные коэффициенты сопротивления таких резисторов будут малы. Коллекторная область транзисторной структуры содержит наименьшую концентрацию примесей. Поэтому коллекторная область пригодна для формирования диффузионных резисторов с большим сопротивлением, но из-за малой концентрации примесей температурные коэффициенты сопротивления таких резисторов велики. Таким образом, для формирования диффузионных резисторов обычно используют базовую область транзисторной структуры. Без существенного увеличения площади, занимаемой диффузионным резистором, в базовой области могут быть созданы резисторы с сопротивлением до 50 кОм. В то же время такие диффузионные резисторы имеют приемлемые температурные зависимости сопротивления; во всяком случае. В качестве конденсаторов ИМС часто используют барьерную область p-nперехода, смещенного в обратном направлении. Такой пассивный элемент ИМС удобно формировать одновременно с формированием транзисторных структур или использовать непосредственно p-nпереходы транзисторных структур. Барьерная емкость p-nперехода может быть использована как для создания конденсатора постоянной емкости, так и для конденсатора переменной емкости, которой можно управлять путем изменения постоянного смещения на переходе. Диапазон номинальных значений емкости диффузионных конденсаторов, которые могут быть сформированы на отведенных для них площадях монокристалла полупроводника, определяется концентрацией примесей в прилегающих к переходу областях. Диффузионные конденсаторы, использующие эмиттерную емкость транзисторной структуры, имеют большую удельную емкость по сравнению с конденсаторами на коллекторном переходе. Удельную емкость и пробивное напряжение диффузионных конденсаторов надо рассматривать совместно. Взаимосвязь между этими параметрами оказывается неблагоприятной для диффузионных конденсаторов. В качестве диэлектрика МДП конденсатора используют слой диоксида кремния, которым покрыт кристалл полупроводника. Одной обкладкой конденсатора является слой металла (обычно алюминия), нанесенный на поверхность слоя диоксида кремния одновременно с созданием межэлементных соединений и контактных площадок; другой обкладкой – сильно легированная область полупроводника, которая формируется одновременно с формированием эмиттерных областей транзисторных структур интегральных микросхем. Таким образом, процесс изготовления МДП-конденсаторов также не требует проведения дополнительных операций для их формирования. В островке, предназначенном для МДП-конденсатора, не формируют базовую область транзисторной структуры, то есть не проводят диффузию примесей для создания базовой области. Поэтому под МДП-конденсатором есть только один p-n- переход между коллекторной областью транзисторной структуры и подложкой, который необходим для изоляции МДП-конденсатора от других элементов, расположенных на одной с ним полупроводниковой пластине.
5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, после выполнения задания на курсовой проект были более детально изучены общие сведения по транзисторам, физические принципы работы, схемы включения, режимы работы, а также технология производства, возможности использования транзисторных структур в интегральных микросхемах и другие особенности полупроводниковых приборов. По разработанной методике были рассчитаны биполярный и полевой транзисторы. Для построения ВАХ биполярного транзистора использовалась модель Эберса-Молла, так как в расчётах не требовалось особой точности. Были посчитаны предельные и граничные частоты транзисторов. На основе этих результатов можно сделать вывод, что транзисторы получились достаточно высокочастотными.
6 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – М.: Энергия, 1977.- 672с. 2. Трутко А. Ф. Методы расчёта транзисторов. – М.: Энергия, 1971. 3. Королев В.Л., Карпов Л.Д. Конструирование полупроводниковых интегральных схем. – Красноярск, 1992. 118с. 4. Тугов Н. М. Полупроводниковые приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1990. 5. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника. – М.: Высшая школа, 1991. 6. Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники. – М.: Советское радио, 1971. 7. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Пер. с англ. – 2-е перераб. и доп. Изд. –М.: Мир, 1984. -456с. 8. Березин А. С., Мочалкина О. Р. Технология и конструирование интегральных микросхем.- М.: Радио и связь, 1983. 9. Скрипников Ю.Ф. Радиаторы для полупроводниковых приборов. 1973. 10. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. – С-П, 2002.
Полное содержание работы - с рисунками, графиками, формулами и расчётам можно скачать в архивом с нашего сайта бесплатно.
referatwork.ru
