1.
1.7 Расчет статических параметров
Выберем значение статического
коэффициента усиления по току в схеме
с общей эмиттером h21Э из определенного
в задании интервала, тогда интегральный
коэффициент в схеме с общей базой:
Интегральный коэффициент переноса
носителей в базе:
.
Полный эмиттерный ток:
Определим постоянный ток коллектора
(основные носители в коллекторе):
Iк = aтgIэ=0,03 А.
Определяем постоянный полный
базовый ток (неосновные носители):
.
Определяем постоянный (основные носители)
ток эмиттера:
,
Определяем коэффициент поля:
,
где Nбк = Nк и Nбэ = Nб exp(-xэо/lб).
Определим диффузионную длину
неосновных носителей в базе из формулы:
,
где Wб - толщина
квазинейтральной базы, определяется
как: Wб = хк¢ - хэ².
Определим время жизни неосновных
носителей в базе:
1.8 Эффект Хаузера
В режиме высоких плотностей
эмиттерного тока jэ = (100 –3000)
А/см2 возникает
эффект оттеснения эмиттерного тока, который
заключается в появлении неоднородного
распределения плотности эмиттерного
тока по ширине эмиттера.
Найдем поперечное сопротивление
активной базы:
,
где
- подвижность основных носителей
в базе.
Найдем поперечное сопротивление пассивной
базы:
,
где
.
Находим плотность эмиттерного
тока по формуле [1]:
,
где ni – концентрация
собственных носителей в кремнии, ni = 1,9×1010 см-3;
Uкб = Uкб макс./2 –
рабочее напряжение на коллекторном переходе,
Uкб = 40 В;
Uэб = jкэ – 0,15 = 0,9 – 0,15 = 0,75 (В);
- контактная разность
потенциалов в коллекторном р-n-переходе,
;
,
Найдем площадь эмиттера:
где IЭ – полный
эмиттерный ток.
Для маломощных транзисторов
и транзисторов средней мощности Рк макс. < 1 Вт характерна круговая
геометрия
,
1.9 Частотные свойства
Рассчитаем время задержки
при пролете носителей через базу:
St З = rэCэ бар. + (rб +rк)Cк бар + tб + tк ,
где rэCэ бар - постоянная
времени цепи эмиттера;
(rб +rк)Cк бар - постоянная
времени цепи коллектора;
tб - время пролета
квазинейтральной базы;
tк - время пролета
обедненной области коллектора.
Рассчитаем постоянную времени
цепи эмиттера. Найдем барьерную емкость
эмиттерного перехода:
,
где Sэ – площадь
эмиттера;
xdэ – ширина
ОПЗ эмиттерного перехода.
Рассчитаем дифференциальное
сопротивление эмиттера:
.
Найдем постоянную времени
коллекторной цепи. Найдем барьерную емкость
коллекторного перехода:
,
где Sк - площадь
коллектора, Sк = (1,5 – 10)Sэ;
xdк – ширина
ОПЗ коллекторного перехода, вычисленная
по формуле (13).
Полное объемное сопротивление
коллекторного слоя:
.
Сопротивление активной и пассивной
базы (Rб – Rэ = Dd @ 20 мкм), находим по формуле:
,
,
.
Полное сопротивление базы:
rб = rба + rбп=7,456 Ом.
Определим время пролета квазинейтральной
базы неосновными носителями:
где Wб – толщина
квазинейтральной базы.
Найдем время пролета обедненной
области коллектора:
,
где vs - дрейфовая
скорость носителей в кремнии, vs = 107см/с.
Таким образом, время задержки
при пролете носителей через базу:
St З = rэCэ бар. + (rб +rк)Cк бар + tб + tк=1,674·10-10с.
Находим граничную частоту:
1.10 Выбор корпуса
Для кремниевого транзистора максимальная
температура перехода Тмакс =1250С. Тепловое сопротивление переход
– корпус, учитывая размеры эмиттера и
боковое растекание тепла, можно оценить
по формуле:
где l =1,45 Вт/(см×К) – коэффициент теплопроводности для
кремния.
Выбираем корпус с тепловым сопротивлением
Rтк-с, К/Вт. Тогда полное тепловое
сопротивление:
Rтп-с = Rтп-к + Rтк-с.
При температуре окружающей среды Т0=25 0С максимальная мощность, рассеиваемая
коллектором:
Выбираем корпус КТ601 АМ, рисунок
Рисунок 3 – Корпус КТ601 АМ
1.11 Расчет семейства выходных вольт–амперных
характеристик транзистора
Рассчитаем семейство выходных вольт–амперных
характеристик проектируемого транзистора
в схеме с общей базой (ОБ) Iк(Uкб) при Iэ = const. Уравнение, позволяющее рассчитать
семейство выходных характеристик в схеме
с общей базой имеет вид:
,
где Iэ – ток эмиттера;
h21б – интегральный коэффициент усиления
по току в схеме с ОБ, рассчитанный по (24);
Iкбо – обратный ток перехода коллектор
– база при Iэ = 0:
,
Где Sк – площадь коллекторного перехода;
Dннб – коэффициент диффузии неосновных
носителей в базе;
Nннб – концентрация неосновных носителей
в базе,
Nннб = ni2/Nб;
Lннб – диффузионная длина неосновных
носителей в базе;
Wб – толщина квазинейтральной базы;
Uкб – напряжение коллектор – база,
задаем в пределах от - 2 до + 2 В.
Предельно допустимый ток коллектора:
,
Семейство выходных ВАХ транзистора
в схеме ОБ приведено на рисунке 4.
Рисунок 4 - Семейство выходных ВАХ транзистора
по схеме с ОБ
Рассчитаем семейство ВАХ проектируемого
транзистора в схеме с общим эмиттером
(ОЭ) Iк(Uкэ) при Iб = const. Семейство выходных ВАХ транзистора
в схеме ОЭ приведены на рисунке 5.
Выражение для семейства выходных ВАХ
в схеме с ОЭ примет вид:
,
где Iкэо – начальный сквозной ток при
Iб = 0 в схеме с общим эмиттером, Iкэо=Iкбо/(1 – h21б)=1,01·10-13 А.;
Uкб(Uкэ) = Uкэ – Uэб, Uэб = 0,75 В.
Рисунок 5 – Семейство выходных
ВАХ транзистора в схеме ОЭ
2. Технологическая реализация
проектируемого транзистора
Подготовка кремниевых подложек.
Выполнение этой операции обусловлено
тем, что молекулы и атомы, расположенные
на поверхности подложек и пластин, имеют
высокую химическую активность, так как
часть их связей ненасыщенна. Поэтому
получить идеальную чистую без посторонних
примесей поверхность практически невозможно
и понятие «чистая поверхность» относительно.
Технологически чистой считается поверхность,
которая имеет концентрацию примесей,
не препятствующую воспроизводимому получению
заданных значений и стабильности параметров
микросхем. Даже в случае не очень высоких
требований к чистоте поверхности концентрации
примесей не должна превышать 10-8 – 10-7 г/см2.
Для очистки поверхности пластин
в настоящее время применяется химическая
обработка кремниевых пластин в горячем
(75 – 80 °С) «универсальном» перекисно-аммиачном
растворе, содержащем Н2О2 и NH4ОН. В процессе
обработки пергидроль разлагается с выделением
атомарного кислорода: Н2О2 = Н2О+О. Атомарный
кислород окисляет, как органические,
так и неорганические загрязнения. Щелочь
NH4ОН ускоряет
реакцию разложения пергидроля, а так
же связывает в хорошо растворимые комплексные
металлы первой и второй групп периодической
таблицы.
Так же в процессе очистки применяется
промывка пластин. Для промывки применяется
особо чистая деионизованная вода.
О качестве промывки судят по
удельному сопротивлению воды на выходе
промывочной камеры. Исходное сопротивление
составляет 10 – 20 Мом×см; сопротивление воды на выходе
тем выше, чем меньше остаточных ионов.
Когда сопротивление воды на выходе сравняется
с сопротивлением на входе промывочной
камеры, промывку прекращают.
Первое окисление проводится
для создания маски из диоксида кремния
на поверхности пластин. Окисление проводится
в сухом кислороде при температуре 1000
– 1350 °С. Процесс окисления продолжается
до тех пор пока толщина окисла на поверхности
пластины не будет достаточной для проведения
первой фотолитографии (примерно 0,9-1,5
мкм.).
Первая фотолитография. Проводится,
для формирования окон в слое
диоксида кремния для создания n- скрытого
слоя.
Процесс фотолитографии состоит
из трех основных этапов:
формирование на поверхности
пластины слоя фоторезиста
передача изображения с шаблона
на фоторезистивный слой
формирование конфигурации
элементов микросхем при помощи этой маски.
Нанесение позитивного фоторезиста
на подложку осуществляется методом
центрифугирования. При этом на центрифугу
устанавливают пластину и закрепляют
ее вакуумным присосом. Затем включают
центрифугу и при достижении определенной
скорости вращения на пластину подается
дозированное количество фоторезиста.
При этом жидкий фоторезист растекается
под действием центробежных сил. Подбирая
число оборотов центрифуги, добиваются
точного установления толщины слоя фоторезиста.
При центрифугировании толщина и качество
слоя зависят от температуры и влажности
окружающей среды. Центрифугированием
трудно получить равномерные слои толщиной
более 2-х микрон, разброс по толщине составляет
± 10%, в слое фоторезиста имеются механические
напряжения. В центр вращения пластины
возможно всасывание включение из внешней
среды. После нанесения фоторезиста проводится
операция его сушки при температуре 120-180
°С.
После первой операции первой
сушки фоторезиста проводится операция
экспонирования при которой происходит
перенос изображения с фотошаблона на
фоторезистивный слой. Поскольку фоторезист
имеет узкую спектральную область поглощения
(350-400нм) и относительно низкую фоточувствительность,
то применяются источники ультрафиолетового
излучения, ртутно-кварцевые лампы, обеспечивающие
высокие освещенности (до десятков тысяч
люкс). Для согласования спектров поглощения
фоторезиста и источника излучения применяют
светофильтры. Параллельность пучка ультрафиолетового
излучения, необходимая для уменьшения
полутеней, обеспечивается системой конденсоров
из пяти линз. Неравномерность освещения
по полю экспонирования не должна превышать
5 – 10%.
Проявление позитивного фоторезиста
представляет собой простое растворение
необлученных участков в органических
растворителях: толуоле, трихлорэтилене,
диоксане и др. Сушка проявленного слоя
проводится при температуре 120 – 180 °С.
От температуры сушки и характера ее повышения
во время сушки зависит точность передачи
размеров изображений. Резкий нагрев вызывает
оплывание краев, поэтому для точной передачи
малых размеров (0,35 – 1 мкм) размеров следует
применять плавное или ступенчатое повышение
температуры. Примерный режим обработки
фоторезиста: 10 – 15 минут при комнатной
температуре, 20 – 25 минут, в термостате
при 120 °С, затем переключение термостата
на 150 – 160 °С и нагрев до этой температуры.
Травление SiO2 производится
в водном растворе плавиковой кислоты
– HF:Н2О2 (1:10).
Формирование скрытого n- слоя в кремниевой
пластине производится методом ионного
легирования фосфора. При ионном легировании,
разогнанные электрическим полем, обладающие
значительной энергией ионы фосфора, внедряясь
в кристалл полупроводника, занимают в
его решетке положение атомов замещения
и создают n- скрытый
слой.
Формирование n+ скрытого
слоя. Проводится для уменьшения последовательного
сопротивления коллектора n-p-n транзистора.
Для формирования n+ скрытого
слоя проводятся операции окисления, фотолитографии
и диффузия сурьмы из сурьмяно – силикатного
стекла. Для формирования n+ скрытого
слоя проводятся операции окисления, фотолитографии
и ионное легирование бора.
Подготовка пластин к эпитаксиальному
наращиванию. Проводится химическая обработка
поверхности пластин.
Процесс эпитаксиального наращивания
для создания слоя n-типа.
Формирование верхнего p- слоя
осуществляется ионным легированием бора.
Процесс легирования коллектора
n-p-n транзистора ионным легированием фосфора.
Процесс формирования базы
n-p-n транзистора осуществляется ионным
легирование бора.
Процесс формирования «Пятаков
поликремния». Для формирования «Пятаков
поликремния» проводятся операции фотолитографии,
нанесения поликремния и его плазмохимическое
травление.
Процесс легирования базы n-p-n
транзистора осуществляется ионной имплантацией
бора.
Процесс формирования эмиттера
n-p-n транзистора осуществляется ионной
имплантацией мышьяка.
Осаждение Si3N4.
Вскрытие контактных окон к
р+ и n+ областям
транзисторных структур.
Напыление алюминия.
Формирование металлизированной
разводки.
Заключение
В ходе курсового проектирования
был произведен расчет основных электрических
параметров биполярного транзистора.
При разработке биполярного транзистора
в качестве материала выбираем кремний.
Приведены выходные характеристики по
схеме с общей базой и общим эмиттером
рассчитанного ВЧ транзистора. По тепловому
сопротивлению выбран корпус для разрабатываемого
прибора - КТ601 АМ и сделан его чертеж.
Описана технологическая реализация
проектируемого транзистора. Современные
кремниевые биполярные транзисторы изготавливаются
по планарной или мезапланарной технологии.
Эта технология включает в себя эпитаксиальное
наращивание монокристаллических слоев
кремния с заданным удельным сопротивлением,
многократную диффузию легирующих примесей
через «окна» в окисной маске, фотолитографии,
создание омических контактов и др.
Список литературы
1 Кремниевые планарные
транзисторы / В.Г. Колесников, В.И. Никишин,
В.Ф. Сыноров и др.;Под ред. Я.А. Федотова.-М.:
Сов. радио, 1973. –336 с.