Замечания руководителя
Содержание
Задание на курсовую работу 2
Замечания руководителя 4
Введение 6
1 Расчет основных
параметров и характеристик биполярного
транзистора 7
1.1 Выбор исходного материала
и типа структуры транзистора 7
1.2 Расчет профиля легирующей
примеси 9
1.3 Расчет пробивных напряжений 12
1.4 Расчет толщины коллекторного
слоя 14
1.5 Расчет ширины области пространственного
заряда (ОПЗ) коллекторного и эмиттерного
переходов 15
1.6 Расчет эффективности эмиттера 16
1.7 Расчет статических параметров 18
1.8 Эффект Хаузера 20
1.9 Частотные свойства 22
1.10 Выбор корпуса 25
1.11 Расчет семейства выходных
вольт–амперных характеристик транзистора 26
2 Технологическая
реализация проектируемого транзистора 29
Заключение 33
Список литературы 34
ПРИЛОЖЕНИЕ А 35
Введение
Транзистор – полупроводниковый прибор,
предназначенный для усиления электрического
тока и управления им. В связи с тем, что
транзисторы очень легко приспосабливать
к различным условиям применения, они
почти полностью заменили электронные
лампы. На основе транзисторов и их применений
выросла широкая отрасль промышленности
- полупроводниковая электроника.
Основными областями применения
транзисторов являются радиоэлектроника,
цифровая электроника, военная промышленность,
тяжелая промышленность, бытовая техника,
электроэнергетика, связь и т.д.
Транзистор применяется в:
Усилительных схемах. Работает, как правило,
в усилительном режиме. Существуют экспериментальные
разработки полностью цифровых усилителей,
на основе ЦАП, состоящих из мощных транзисторов.
Транзисторы в таких усилителях работают
в ключевом режиме.
Генераторах сигналов. В зависимости
от типа генератора транзистор может использоваться
либо в ключевом (генерация прямоугольных
сигналов), либо в усилительном режиме
(генерация сигналов произвольной формы).
Электронных ключах. Транзисторы работают
в ключевом режиме. Ключевые схемы можно
условно назвать усилителями (регенераторами)
цифровых сигналов.
Иногда электронные ключи применяют
и для управления силой тока в аналоговой
нагрузке. Это делается, когда нагрузка
обладает достаточно большой инерционностью,
а напряжение и сила тока в ней регулируются
не амплитудой, а шириной импульсов. На
подобном принципе основаны бытовые диммеры
для ламп накаливания и нагревательных
приборов, а также импульсные источники
питания.
Транзисторы применяются в качестве
активных (усилительных) элементов в усилительных
и переключательных каскадах.
1 Расчет основных параметров
и характеристик биполярного транзистора
1.1 Выбор исходного материала
и типа структуры транзистора
При разработке биполярного
транзистора в качестве материала выбираем
кремний, исходя из следующих соображений:
любой примесный полупроводник при какой-то
температуре становится собственным.
Этим определяется критическая температура
материала и максимально допустимая температура
кристалла прибора Т макс. С ростом
ширины запрещенной зоны температура
Т макс возрастает.
Для германия Т макс не должна
превышать 100 0С, для кремния
– 150 0С, для арсенида
галлия – 200 0С. Кремний
по сравнению с германием обладает большей
шириной запрещенной зоны – 1,11 эВ. Поэтому
кремниевые транзисторы могут работать
при более высоких температурах, имеют
меньшие обратные токи коллектора и эмиттера,
а также более высокие пробивные напряжения.
На кремниевых монокристаллах относительно
просто можно 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.
Основным методом формирования современных
транзисторных структур является планарная
технология. Одним из преимуществ планарной
технологии является ее 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
0,01 Ом×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 по сравнению
со структурой р – n – р более проста
с точки зрения ее технологической реализации
и обладает лучшими частотными свойствами.
Удельное сопротивление эпитаксиального
слоя выбираем, исходя из заданного значения
Uкб,макс. Удельное
сопротивление эпитаксиального слоя определяет
величину пробивного напряжения коллекторного
р-n перехода Uкбo. Пробивное
напряжение Uкбo должно
быть, по крайней мере, на (20 – 30) % больше
Uкб макс:
Uкбo = (1,2 – 1,3)
Uкб макс=1,2·100=120
В.
Полагаем запас на пробой сферической
части р-n–перехода Uпр=2 Uкбo=2·120=240 В,
так как различные методы повышения пробивного
напряжения в местах закругления коллекторного
перехода обычно не дают получить значения
Uкбo£Uпроб. пл.
По значению Uпр = 240 В находим
концентрацию примеси в высокоомном коллекторном
слое Nк=1,5·1015см-3 по графикам
зависимости N(Uпр).
Определив концентрацию примесей в высокоомном
слое, находим удельное сопротивление
этого слоя по формуле:
Ом·см,
где q – заряд электрона, q = 1,6×10-19 Кл;
mонк – подвижность основных носителей
заряда в коллекторе,
см2/(В×с), определяется по графикам
зависимости m(N).
Затем выбираем марку эпитаксиальной
структуры кремния, например:
25
,
где 25 мм – диаметр подложки;
числитель дроби относится к эпитаксиальному
слою: 8 мкм– толщина эпитаксиального
слоя, К – кремний, Э – электронного типа,
Ф – легированный фосфором, 0,5 Ом××см – удельное сопротивление
эпитаксиального слоя; знаменатель дроби
относится к подложке: 200 мкм – толщина
подложки, К – кремний, Э – электронного
типа, С – легированный сурьмой; 0,01 Ом×см – удельное сопротивление
подложки.
1.2 Расчет профиля легирующей
примеси
Режимы диффузии эмиттерной и базовой
примеси подбираются экспериментально,
таким образом, чтобы ширина технологической
базы Wбо была равна примерно (1 – 2) мкм,
а поперечное сопротивление активной
базы R sa имело значения (5 - 10) кОм/.
Закон распределения примесей может
быть описан приближенным выражением:
,
где NЭ – концентрация примеси в эмиттере;
NБ – концентрация примеси в базе;
NК – концентрация примеси в коллекторе;
х – глубина залегания слоя;
lЭ, lБ - 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 NsР = 1021 см-3, легирующей
примесью для р – области служит бор, предел
растворимости бора в кремнии NsВ = 3×1020 см-3.
Чтобы существовала трехслойная структура
транзистора необходимо соблюдение условия:
характеристическая длина в распределении
примеси в эмиттере lЭ, должна быть менее характеристической
длины в распределении примеси в базе lБ. Обычно в планарных транзисторах lЭ = (1/3 - 1/6)lБ, а характеристическая длина в распределении
примеси в базе определяется следующим
образом:
,
где Wбо – ширина технологической базы,
имеет величину примерно (1÷2) мкм;
- обычно в планарных транзисторах
принимает значения в пределах
102÷103.
lЭ = 1/4·lБ=8,05·10-6
NЭ=1021 см-3; NБ=100·NК=100·1,5·1015=1,5·1017 см-3.
Исходя из выбранных условий,
строим профиль распределения легирующей
примеси рисунок 1.
Рисунок 1 – Профиль распределения
легирующих примесей
Из профиля распределения примеси определяем:
1) глубину залегания эмиттерного
р-n перехода, хэо=9,67·10-5см;
2) глубину залегания коллекторного
р-n - перехода хко=1,48·10-4см.
Определяем толщину технологической
базы Wбo:
Wбo = хко - хэо =1,48·10-4 -9,67·10-5 =0,51 мкм.
Определяем величину ускоряющего поля
в базе и эмиттере:
, [В/см],
, [В/см],
где jт - термический потенциал Больцмана, jт = 0,026 В.
1.3 Расчет пробивных напряжений
Для кремниевых транзисторов
характерны две разновидности электрического
пробоя – лавинный и туннельный, причем
туннельный пробой имеет место в узких
(
0,1 мкм) эмиттерных переходах, а лавинный
– в широких (>1мкм) коллекторных переходах
Лавинный пробой коллекторного р-n перехода
планарного транзистора имеет свою специфику,
которая обусловлена искривлением фронта
диффузии, возникающим при создании локальной
базовой области. Центральная часть р-n
перехода, полученного методом локальной
диффузии, (рисунок 2) имеет плоскую геометрию
(участок 1), боковые части – цилиндрическую
(участок 2), а углы – сферическую (участок
3).
Рисунок 2 – Структура планарного
р-n перехода
Отклонение формы р-n перехода
от плоской части увеличивает напряженность
электрического поля в нем при том же приложенном
напряжении, что способствует снижению
пробивного напряжения. Поэтому расчет
напряжения пробоя проводят по формулам
для р-n перехода цилиндрической и сферической
геометрии, считая, что коллекторный р-n
переход резкий:
U*проб. = Uпроб.пл. {[(m
+ g0+ 1)g0m]1/(m+1) - g0},
где Uпроб. пл. - напряжение
пробоя плоской части р-n перехода;
m = 1 – для цилиндрического перехода,
m = 2 – для сферического перехода;
g0 = rj / xd макс, где
rj – радиус
кривизны р-n перехода, примерно равный
глубине залегания коллекторного перехода
xко; хd макс – ширина
обедненного слоя при пробое.
Ширина обедненного слоя при
пробое вычисляется по следующей формуле:
,
где e - относительная
диэлектрическая постоянная кремния, e = 12;
eо – диэлектрическая
проницаемость вакуума, eо = 8,85×10-12 Ф/м.
Напряжение плоской части р-n
перехода определяем по формуле:
,
где Eg – ширина
запрещенной зоны кремния, Eg = 1,11 эВ.
Вычисляем напряжение
пробоя сферического, цилиндрического
и сравниваем с ними Uкбo.
U*проб.цил = Uпроб.пл. {[(m + g0+ 1)g0m]1/(m+1) - g0}=103,77 В,
U*проб.сф = Uпроб.пл. {[(m + g0+ 1)g0m]1/(m+1) - g0}=65,134 В.
Так как U*проб. цил. < Uкбo < Uпроб. пл., то выбираем круговую геометрию
эмиттера с охранным кольцом.
1.4 Расчет толщины коллекторного
слоя
Толщину высокоомного коллекторного
слоя lкo полагаем
равной ширине коллекторного р-n перехода
хdк при напряжении
Uкб = Uкб макс плюс
небольшой запас Dlкo= 5 - 7 мкм на
толщину эмиттерного слоя хэо и базового
cлоя Wбo:
Величину ширины коллекторного
перехода хdк(Uкб макс) находим
по формуле для ступенчатого резкого асимметричного
р-n перехода:
=9,41 мкм,
lкo=хdк(Uкб макс) + Dlкo=14,41 мкм.
Величину lкo, округляем
в сторону больших значений. Тогда lкo=15 мкм.
1.5 Расчет ширины области пространственного
заряда (ОПЗ) коллекторного и эмиттерного
переходов
Область пространственного
заряда коллекторного р-n перехода:
,
где Uкб = Uкб макс/2=50
– рабочее напряжение на коллекторном
переходе.
Протяженность коллекторного
р-n перехода в области базы хк¢:
,
.
Величина (х¢¢э - хэо) представляет
собой полуширину эмиттерного р-n перехода,
поскольку при прямых смещениях его можно
считать линейным и плавным. Тогда:
,
где grad [Nб(x)-Nэ(x)]|Х=Хэо = Nб(хэо)[(1/lэ)-(1/lБ)];
Nб(хэо) =Nбsexp(-хэо/lБ);
jкэ – контактная разность потенциалов
в р-n переходе, для реальных приборов изменяется
в пределах (0,8 - 0,9) В. Полагают, что jкэ - Uбэ= (0,15 – 0,2)
В.
1.6 Расчет эффективности эмиттера
Эффективность эмиттера определяется
по формуле:
.
где Dннэ, Dннб – коэффициент
диффузии неосновных носителей в эмиттере
и базе соответственно;
Gб, Gэ – числа Гуммеля
базы и эмиттера;
niэ – плотность
собственных носителей в эмиттере.
,
.
Рассчитаем зависимость m(х) по следующей формуле:
,
где m1 = 65 см2/В×с для электронов, m1 = 48 см2/В×с для дырок;
m2 = 1265 см2/В×с для электронов, m1 = 447 см2/В×с для дырок;
N0 = 8,5×1016 см-3 для электронов,
N0 = 6,3×1016 см-3 для дырок;
N(х) – суммарное распределение
примеси;
А = 0,72 для электронов, А = 0,76
для дырок.
,
.
Числа Гуммеля вычисляются
по следующим формулам:
,
.
При высокой концентрации примеси
в эмиттере начинает сказываться эффект
сужения запрещенной зоны. При комнатной
температуре сужение зоны описывается
формулой:
,
где
- средняя концентрация примесей в
эмиттере.
,
где k = 8,62×10-5 эВ/К – постоянная
Больцмана.