Расчет биполярного высокочастотного транзистора

     ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

     ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

     ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

     «ВОРОНЕЖСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

     (ГОУВПО  «ВГТУ»)

     Физико-технический  факультет

     Кафедра полупроводниковой электроники  и наноэлектроники 

     КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ 

     по  дисциплине Твердотельная электроника

     Тема  Расчет биполярного высокочастотного транзистора 

     Расчетно-пояснительная  записка 
 

     Разработал  студент       Д.Б. Никитин 

     Руководитель  к.т.н. доцент      Т.В. Свистова 
 
 
 
 
 

     Защищена ___________________ Оценка _______________________________ 

     2010

     ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

     ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

     ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

     «ВОРОНЕЖСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

     (ГОУВПО  «ВГТУ») 

     Кафедра полупроводниковой электроники  и наноэлектроники

     ЗАДАНИЕ

     на  курсовой проект

по дисциплине Твердотельная электроника

Тема проекта  Расчет биполярного высокочастотного транзистора

Студент группы МТЭ–071 Никитин Данил Борисович 

     Рассчитать  основные параметры и характеристики биполярного высокочастотного транзистора. Исходный материал – кремний(Si). Структура: планарно-эпитаксиальная. Данные для расчета приведены в таблице 1. 

     Таблица 1 – Исходные данные для расчета 

 

     Описать технологическую реализацию структуры  проектируемого биполярного высокочастотного транзистора, выбрать его конструкции и реализовать на чертеже. 

     Сроки выполнения 

     Срок  защиты курсового проекта 

     Руководитель          Т.В. Свистова

     Задание принял студент      Д.Б. Никитин

Замечания руководителя 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание 

Задание             2

Замечания руководителя          3

Введение             5

1 Расчетно-конструкторская  часть         6

     1.1 Выбор исходного материала и  типа структуры транзистора   6

     1.2 Расчет профиля легирующей примеси      8

     1.3 Расчет пробивных напряжений        11

     1.4 Расчет толщины коллекторного  слоя       13

     1.5 Расчет ширины области пространственного  заряда (ОПЗ) 

коллекторного и эмиттерного переходов        13

     1.6 Расчет эффективности эмиттера       14

     1.7 Расчет статических параметров        17

     1.8 Эффект Хаузера          19

     1.9 Частотные свойства          21

     1.10 Выбор корпуса          24

     1.11 Расчет семейства выходных вольтамперных

характеристик транзистора          26

2 Технологическая  часть. Технология изготовления биполярного

высокочастотного  транзистора         29

3 Графическая  часть           35

Заключение            38

Список  литературы           39 
 
 
 
 
 

Введение 

     В настоящее время твердотельная  микроэлектроника все более плотно входит в нашу жизнь. Одним из важных элементов полупроводниковых приборов является биполярный транзистор. Полупроводниковый  биполярный транзистор широко используется при изготовлении усилителей, генераторов, инверторов, микросхем и других приборов микроэлектроники. Биполярные n-p-n транзисторы чаще всего используются в биполярных микросхемах.

     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 n-p-n и p-n-p 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»).

     Выбор геометрических размеров и топологии  транзистора, определение формы  эмиттера, коллектора и базы, определяется требованиями к параметрам. Целью  данного курсового проекта является  расчет топологии, электрических параметров и характеристик проектируемого полупроводникового прибора, выбор  конструкции корпуса. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 Расчетно-конструкторская часть 

     1.1 Выбор исходного материала и  типа структуры транзистора 

     Начинать  разработку транзистора рекомендуется  начинать с выбора исходного материала, то есть самого полупроводника. В данном случае, то есть при разработке биполярного  транзистора, выбираем кремний, исходя из того, что любой полупроводник  при определенной температуре становится собственным. Эта температура является критической и максимально допустимой температурой кристалла прибора  T_max. Чем выше ширина запрещенной зоны полупроводника, тем выше эта температура. Кремний обладает нужными нам параметрами. Ширина запрещенной зоны – 1,11 эВ. Поэтому кремниевые транзисторы могут работать при довольно высоких температурах, имеют достаточно маленькие обратные токи коллектора и эмиттера, и высокие пробивные напряжения. Предельная возможность реализации основных электрических параметров транзистора определяется величиной произведения v_s×Е_пр (v_s – скорость насыщения дрейфа, Е_пр – напряженность пробивного электрического поля).

     На  монокристаллах кремния относительно просто создать слой диоксида кремния, который обладает маскирующими свойствами, при диффузии легирующих примесей в  кремний. Это привело при производстве кремниевых транзисторов и других приборов к широкому использованию высокопроизводительных и точных методов планарной технологии.

     Планарная технология является одним из основных методов формирования современных  транзисторных структур. Преимущество планарной технологии – универсальность, позволяющая на одном и том  же оборудовании организовать производство различных по параметрам транзисторов путем изменения набора фотошаблонов и режимов диффузии примесей. При  использовании планарной технологии можно создавать транзисторы  с хорошими частотными свойствами. Места выхода р-n переходов планарного транзистора на поверхность кристалла полупроводника оказываются под слоем диоксида кремния, который является хорошим диэлектриком. Он служит защитой поверхности кремния от внешних воздействий, повышая стабильность параметров и надежность транзисторов.

     Эпитаксиальная  технология позволяет уменьшить  толщину слаболегированного коллекторного  слоя до нескольких микрометров и  тем самым уменьшить объемное сопротивление этого слоя. Поэтому  на пластину сильнолегированного кремния  с удельным сопротивлением порядка 0,01Ом×см наращивают слаболегированный эпитаксиальный слой толщиной  до 10 мкм с удельным сопротивлением имеющим величину порядка (1 - 10) Ом×см, в котором создаются р-n переходы. Коллекторный переход, расположенный в высокоомном эпитаксиальном слое, имеет небольшую барьерную емкость и высокое пробивное напряжение.

     Структура  n-р-n  наиболее проста с точки зрения ее технологической реализации и обладает хорошими частотными свойствами [1, 2].

     Удельное  сопротивление выбираем, исходя из заданного значения U_кб,max. Удельное сопротивление эпитаксиального слоя определяет величину пробивного напряжения коллекторного p-n перехода U_кбо. Пробивное напряжение U_кбо должно быть, по крайней мере, на (20-30) % больше U_кб,max: 

     .     (1) 

     Полагаем  запас на пробой сферической части  р-n – перехода 

     .       (2) 

     Так как различные методы повышения  пробивного напряжения в местах закругления  коллекторного перехода обычно не дают получить значения U_кбo£ U_{проб.пл} [1].

     По  значению U_пр=250В находим концентрацию примеси в высокоомном коллекторном слое N_к=1,510¹⁵ см^-3 по графику зависимости N(U_пр) [2, 3]. Зная концентрацию примесей в высокоомном слое, найдем удельное сопротивление этого слоя: 

     ,  (3) 

     где q – заряд электрона;

     m_онк – подвижность основных носителей заряда в коллекторе. 

     Далее выбираем марку кремния [4, 5]. Марка эпитаксиальной структуры кремния должна имеет следующий вид 

, 

     где 13КЭФ – 4,81 – кремний электронный, легированный фосфором, удельное сопротивление 4,81 , толщина слоя 8 мкм; 200КЭС – 0,01 – кремний электронный, легированный сурьмой, удельное сопротивление 0,01 , толщина подложки 200 мкм; 100 - диаметр подложки, мм. 

     1.2 Расчет профиля легирующей примеси 

     Режимы  диффузии эмиттерной и базовой примеси подбираются экспериментально.

     Закон распределения примесей  может  быть описан приближенным выражением: 

                                   (4) 

     где N_э – концентрация примеси в эмиттере;

     N_б – концентрация примеси в базе;

     N_К – концентрация примеси в коллекторе;

     х – глубина залегания слоя;

     l_Э, l_Б - характеристическая длина в распределении доноров или акцепторов в эмиттере и базе соответственно.

     Для планарных транзисторов область  базы создается диффузией примеси  с концентрацией меньшей предельной растворимости примеси в кремнии, а область эмиттера создается  диффузией примеси с концентрацией, приближающейся к пределу растворимости  примеси в кремнии. Легирующей примесью для n - области служит фосфор, предел растворимости фосфора в кремнии N_sР = 10²¹ см^-3, легирующей примесью для р – области служит бор, предел растворимости бора в кремнии N_sВ = 3×10²⁰ см^-3 [1].