Германієвий дрейфовий транзистор

Міністерство  освіти і науки України

Вінницький  національний технічний університет

Інститут  автоматики, електроніки та комп’ютерних систем управління 

                                            

                                                                                Факультет ФЕЛТ

                                                              Кафедра електроніки 
 
 

Германієвий дрейфовий транзистор

(n-p-n) 

Курсова робота

з дисципліни “Твердотіла електроніка” 
 
 
 
 

Керівник, асистент           ____________________    Мельничук О.М.

Студент. гр. ЕП-07           ____________________    Богачов Ю.Ю.                                       
 
 
 

2009

     Зміст 

     Технічне  завдання

     Анотація 

     Вступ……………………………………………………………………

     1. Аналіз стану питання………………………………………………..

     2. Фізика роботи………………………………………………………..

          2.1 Принцип дії та основні параметри.............................................

          2.2 Вплив режимів роботи на параметри транзисторів..................

          2.3 Представлення транзистора у  вигляді чотириполюсника........

     3. Методика розрахунку.........................................................................

     4. Технологія виготовлення....................................................................

     Висновки..................................................................................................

     Література................................................................................................

     Додатки.................................................................................................... 
 
 
 
 
 

      АНОТАЦІЯ

 

      В даній курсовій роботі розглянуто принцип роботи n-p-n транзистора; проведено розрахунок електричних параметрів, максимальної робочої частоти, знаходження вихідних характеристик, передаточної характеристики та її крутизну в області насичення  за заданими розмірами; до кожного розрахунку розроблено програму  мовою програмування  Delphi 6.0; проведено тепловий розрахунок транзистора. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВСТУП 

     Бурхливий розвиток напівпровідникової електроніки  почалося наприкінці 50-х років. В даний час без напівпровідникової електроніки немислиме освоєння космосу й океанських глибин, атомна і сонячна енергетика, радіомовлення і зв'язок, комп'ютеризація й автоматизація, дослідження живих організмів.

     Напівпровідникова електроніка вивчається у декількох курсах: фізика напівпровідників, фізика напівпровідникових приладів, мікроелектроніка, технологія напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем. Курс фізики напівпровідникових приладів є власне кажучи фізичною основою мікроелектроніки і поділ між дискретними приладами і мікроелектронікою дуже умовний.

     В перші роки свого розвитку інтегральні  мікросхеми складалися з ізольованих  дискретних елементів, створюваних  в одному кристалі і з'єднувальних металевих смужках по поверхні. Їхній сучасний розвиток характеризується використанням об'ємних зв'язків, при яких елементи мають загальну базу і сигнал передається шляхом переносу носіїв заряду з бази одного елемента в базу іншого. Ланцюг елементів із загальною базою вже не можна представити у виді дискретних приладів, а необхідно розглядати як єдиний напівпровідниковий прилад, що виконує функції цілої схеми з дискретних елементів.

     Біполярний  транзистор - основний напівпровідниковий прилад, що служить для підсилення, генерування, збереження і передачі інформації не тільки в інтегральних схемах, але й в інших пристроях електроніки. Транзистор був винайдений у 1947 р. Теоретичні основи його роботи були опубліковані Шоклі в 1949 р. При наступному розвитку теорії транзисторів розроблялися питання підвищення робочих частот, потужності, поводження транзисторів у режимах перемикання. Одночасно з розвитком теоретичних основ швидко удосконалювалася технологія виробництва транзисторів, що дозволило збільшити потужність, поліпшити частотні властивості, підвищити їхню надійність. Крім того, дослідження в області фізики напівпровідників, теорії і технології транзисторів не тільки сприяли розвитку інших напівпровідникових приладів, але і допомогли створенню новітньої технології інтегральних схем.

     Біполярні транзистори використовуються в  космічних апаратах, обчислювальних машинах, засобах зв'язку в пристроях автоматики, оптоелектроніки й інших галузях.

     Фундамент сучасної радіоелектронної апаратури  складають великі і над великі інтегральні схеми, при цьому основним елементом інтегральних схем є транзистор. Тому вивчення фізичних процесів, які відбуваються в транзисторних структурах дає можливість зрозуміти роботу транзисторів, правильно їх конструювати і застосовувати на практиці [1].

     Темою курсової роботи є дрейфовий германієвий n-p-n транзистор.

     Метою даної курсової роботи є дослідження  фізичних процесів та роботи  дрейфового германієвого n-p-n транзистора, визначення основних теоретичних залежностей, які показують зв'язок головних характеристик приладів з електрофізичними параметрами напівпровідникових матеріалів.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 АНАЛІЗ СТАНУ ПИТАННЯ 

     ТРАНЗИСТОР  — напівпровідниковий прилад, призначений для посилення електричного струму і керування ним. Транзистори випускаються у виді дискретних компонентів в індивідуальних корпусах або у виді активних елементів так званих інтегральних схем, де їхні розміри не перевищують 0,025 мм. У зв'язку з тим що транзистори дуже легко пристосовувати до різних умов застосування, вони майже цілком замінили електронні лампи. На основі транзисторів і їхніх застосувань виросла широка галузь промисловості – напівпровідникова електроніка [2].

     Одне  з перших промислових застосувань  транзистор знайшов на телефонних комутаційних станціях. Сьогодні транзистори і багатотранзисторні інтегральні схеми використовуються в радіоприймачах, телевізорах, магнітофонах, дитячих іграшках, кишенькових калькуляторах, системах пожежної й охоронної сигналізації, ігрових телеприставках і регуляторах усіх видів – від регуляторів світла до регуляторів потужності на локомотивах і у важкій промисловості. В даний час «транзисторизовані» системи вприскування палива і запалювання, системи регулювання і керування, фотоапарати і цифрові годинники. Найбільші зміни транзистор зробив, мабуть, у системах обробки даних і системах зв'язку – від телефонних підстанцій до великих ЕОМ і центральних АТС. Космічні польоти були б практично неможливі без транзисторів. В області оборони і військової справи без транзисторів не можуть обходитися комп'ютери, системи передачі цифрової даних, системи керування і наведення, радіолокаційні системи, системи зв'язку і різноманітне інше устаткування. У сучасних системах наземного і повітряного спостереження, у ракетних військах – усюди застосовуються напівпровідникові компоненти. Перелік видів застосування транзисторів майже нескінченний і продовжує збільшуватися.

     У 1954 було зроблено не набагато більше 1 млн. транзисторів. Зараз цю цифру  неможливо навіть вказати. Спочатку транзистори коштували дуже дорого, зараз ціни набагато менші.

     В наш час існують потужні транзистори  розміром як сірникова коробка, що можуть працювати при напругах до тисячі вольт при струмах десятки  ампер і на противагу таким  пристроям існують великі гібридні інтегральні схеми в яких сотні тисяч біполярних транзисторів можуть міститися на одній підкладці площею 1 см².

     Будуть  і далі удосконалюватися й усе  ширше застосовуватися такі методи, як іонна імплантація. Розшириться  застосування інтерметалічних з'єднань. Транзистори в інтегральних схемах зменшаться в розмірах, стануть більш швидкодіючими, будуть споживати менше потужності. Розвиток транзисторної техніки піде по двох напрямках: будуть нарощуватися робоча потужність і робоча напруга дискретних транзисторів. В області низьких рівнів потужності все більшу роль будуть грати інтегральні схеми. Ціни на них будуть і далі знижуватися. Буде усе більше розширюватися коло застосування інтегральних схем у логічних пристроях, системах контролю і керування, системах обробки інформації для всіх аспектів життя людини і суспільства. У 1960 минулому вперше створені інтегральні схеми усього лише з декількома біполярними транзисторами на мікрокристал. У 1976 ступінь інтеграції перевищила чверть мільйона. ДО 1980 цей показник досяг майже мільйона, а в 2000 наблизився до 10 млн.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 ФІЗИКА РОБОТИ 

2.1 Принцип дії та  основні параметри 

     Біполярні транзистори працюють на основі використання носіїв обох знаків — електронів і  дірок, внаслідок чого вони й одержали таку назву. Транзистор р-n-р-типу (мал. 2.1,a) складається з двох р-п-перехідів із загальною базою. Один р-n-перехід включається в прямому напрямку і інжектує у базу дірки, він називається емітером, другий називається колектором, тому що він включається в зворотному напрямку і збирає інжектовані емітером дірки.

     При відключеному емітері струм колектора I_КБ0 = І_нас — зворотному струму n-p- перехіду. Якщо емітер включити в прямому напрямку, то інжектовані їм дірки проходять через базу і збільшують струм колекторного переходу. Частина дірок рекомбінує в об’ємі бази і на її поверхні. Для зменшення цих втрат ширина бази W повинна бути багато менша дифузійної довжини дірок L_р. 

 

Рис. 1. Структура  n-p-n транзистора  

     

 

     Енергетична структура n-p-n транзыстора 

     Емітерний n-p- перехід з базою за таких умов не відрізняється від n-p- переходу з тонкою базою при s_К=¥, тому що електричне поле колекторного n-p- переходу швидко переносить дірки в колектор і р_б(x=W)=0. Відповідно вольтамперна характеристика описується формулою

     

і розподіл концентрації інжектованих носіїв у базі можна вважати практично лінійним.

     Структура на мал.1 являє собою підсилювач, зміна струму у вхідному ланцюзі якого (емітері) приводить до зміни струму у вихідному ланцюзі (колекторі). Очевидно, зміна струму колектора в даному випадку не може бути більше зміни струму емітера, тобто коефіцієнт підсилення по струму менше 1. Така схема може дати посилення по потужності, тому що струми емітера і колектора майже рівні, але опір навантажувального резистора R_п багато більше опору емітера при прямому зсуві. Колекторний струм створює на навантажувальному резисторі спад  напруги 1_кR_н, що зміщує колектор у прямому напрямку. Тому для нормальної роботи транзистора необхідно, щоб напруга джерела живлення колектора U_к було завжди більше 1_кR_н. На цьому заснований принцип дії n-p-n- транзистора. Так само працює і p-n-p- транзистор. Визначимо основні параметри n-p-n- транзистора.

     У розглянутому випадку електрод бази є загальним для вхідного і  вихідного ланцюгів, тому така схема  включення транзистора називається схемою з загальною базою (ЗБ). Підсилювальні властивості транзистора в схемі з ЗБ характеризуються коефіцієнтом передачі струму h_{21 Б}, рівним відношенню зміни вихідного струму до зміни вхідного. Звичайно на транзистор подаються постійні І_ЭО й U_ко, на які потім накладаються змінні складові. Змінні складові струмів емітера I_э і колектора I_к можна ототожнити зі змінами цих струмів, тому 

                                                      (2.1)

     Емітерний n-p- перехід включений у прямому напрямку, і струм через нього складається з дірок, инжектованих у n- область, і електронів, инжектованих у р- область: I_э=I_рэ+I_пэ. Тоді (2.1) можна переписати у вигляді