Биполярный транзистор БТ–3

Биполярный транзистор БТ–3

Министерство науки и образования РФ

Новосибирский Государственный Технический Университет

Кафедра ПП и МЭ

Курсовая работа по твердотельной электронике

Биполярный транзистор БТ-3

Факультет: РЭФ Группа: РП4-91

Студент: Эрдынеев А.Б

Преподаватель: Макаров Е.А.

Новосибирск 2011

Исходные данные для проектирования

Эмиттерный слой

. Концентрация доноров, см3                                    5*1020

. Глубина залегания, мкм                                            1,5

. Площадь эмиттера, мкм2                                          20

Базовый слой

. Концентрация акцепторов, см-3                               51018

. Глубина залегания, мкм                                            2

. Время жизни электронов, нс                                    200

. Скорость поверхностной рекомбинации, см/с        1000

Эпитаксиальная пленка

. Концентрация доноров, см-3                                   21016

. Толщина пленки, мкм                                               3

. Диффузионная длина дырок, мкм                            0,05

Подложка

. Концентрация акцепторов, см-3                               21014

Скрытый слой

. Поверхностная концентрация доноров, см-2 2*1014

. Глубина залегания, мкм                                            1

Используемые константы

. = 3,14

. q = 1,610-19 Кл

. Т = 300 К

. kТ/q = 0,025

. = 8,8510-14 Ф/см

Структура биполярного транзистора

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Область транзистора, расположенную между p-n переходами, называют базой. Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из областей изготавливают так, чтобы из нее наиболее эффективно происходила инжекция носителей в базу, а другую - так, чтобы соответствующий p-n переход наилучшим образом осуществлял экстракцию носителей из базы.

Биполярные транзисторы являются основными активными элементами биполярных ИМС. Транзисторы n-p-n типа используются гораздо чаще, чем p-n-p, так как у n-p-n структуры проще обеспечить необходимые характеристики.

Планарно-эпитаксиальный транзистор со скрытым слоем и изоляцией p-n-перехода является наиболее широко распространённой разновидностью биполярного транзистора ИМС. Его физическая структура дана на рис. 1., а одномерное распределение легирующих примесей на рис. 2.

Рис. 1 Физическая структура n-p-n интегрального транзистора со скрытым слоем и изоляцией p-n переходов.

Исходным материалом служит кремниевая подложка p-типа с удельным сопротивлением порядка 5…20 Ом.см. Основные процессы, используемые для изготовления n-p-n транзисторов со скрытым слоем:

на поверхность подложки p-типа методом селективной диффузии создается скрытый слой n+-типа;

создается кремниевая пленка n-типа толщиной обычно 1-3 мкм;

проводится глубокая диффузия акцепторной примеси, обеспечивающая электрическую изоляцию этих элементов (этот процесс наиболее сложен);

выполняется диффузия донорной примеси для создания сильно легированной области n+-типа под коллекторным электродом;

диффузионным способом формируется база и эмиттер;

создаются контактные окна;

завершающими процессами являются металлизация, проводимая для получения токоведущих дорожек, и пассивирование.

Сюда входят классические процессы обработки кремния: фотолитография, диффузия и/или ионная имплантация, эпитаксия, высокотемпературная оксидирование, металлизация, отчистка поверхности, травление и нанесение из газовой фазы защитной пленки (пассивирование).

Взаимодействие между p-n-переходами будет существовать, если толщина области между переходами (толщина базы) будет много меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. В этом случае носители заряда, инжектированные через один из p-n-переходов при его смещении в прямом направлении, могут дойти до другого перехода, находящегося под обратным смещением, и изменить его ток. Таким образом, взаимодействие выпрямляющих электрических переходов биполярного транзистора проявляется в том, что ток одного из переходов может управлять током другого перехода.

Рис. 2 Распределение примесей в активной области транзистора

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

режим отсечки - оба электронно-дырочных перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток;

режим насыщения - оба электронно-дырочных перехода открыты;

активный режим - один из электронно-дырочных переходов открыт, а другой закрыт.

В режиме отсечки и в режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы (усиление, генерирование, переключение, и т.п.).

Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может существовать 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.

Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов и напряжений в различных его цепях и взаимным их влиянием друг на друга. Чтобы рассмотреть работу транзистора на постоянном токе, необходимо изучить стационарные потоки носителей в нем. Это дает возможность получить статические характеристики и параметры БП - соотношения между его постоянными токами и напряжениями.

Существенно снизить последовательное сопротивление коллектора удается, перейдя к конструкции транзистора типа n-p-n со скрытым слоем. Сопротивление rк пос. такого транзистора становится пренебрежимо малым, благодаря чему эти транзисторы используются в составе биполярных ИС.

Ниже представлен еще один вариант выполнения БТ, который также часто применяется в ИМС:

биполярный транзистор коллектор

Рис.3 Поперечное сечение типичного n-p-n -транзистора, входящего в состав ИС

Теоретически профили распределения примесей в активной области данного прибора описываются следующим графиком:

Рис.4. Профили распределения примесей под эмиттерным переходом

Топология биполярного транзистора

Основные процессы, используемые для изготовления n-p-n транзисторов со скрытым слоем:

создается кремниевая пленка n-типа толщиной 3 мкм;

проводится глубокая диффузия акцепторной примеси, обеспечивающая электрическую изоляцию этих элементов (этот процесс наиболее сложен);

выполняется диффузия донорной примеси для создания сильно легированной области n+-типа под коллекторным электродом;

диффузионным способом формируется база и эмиттер;

создаются контактные окна;

завершающими процессами являются металлизация, проводимая для получения токоведущих дорожек, и пассивирование.

Сюда входят классические процессы обработки кремния: фотолитография, диффузия и/или ионная имплантация, эпитаксия, высокотемпературная оксидирование, металлизация, отчистка поверхности, травление и нанесение из газовой фазы защитной пленки (пассивирование).

Цифрами обозначены следующие области:

- разделительная диффузия р⁺- кремния

- скрытый n⁺-слой

- коллектор (n⁺)

- металлизация коллекторного окна

- контактное окно коллектора

- база (р)

- эмиттер

- металлизация эмиттерного окна

- контактное окно эмиттера

- металлизация базового окна

- контактное окно базы

Рис.5 Топология биполярного транзистора

На рисунке 5 изображена топология биполярного транзистора:

Рассчитанные параметры транзистора

Нормальный коэффициент передачи                                            0,97

Инверсный коэффициент передачи                                               8,974*10-3

Коэффициент передачи в подложку                                              0,155

Начальный диффузионный ток эмиттерного перехода (A) 2,033*10-21

Начальный диффузионный ток коллекторного перехода (А)60411*10-21

Начальный диффузионный ток скрытого слоя (А)             5,632*10-11

Сопротивление базовой области (Ом)                                 435,321

Сопротивление коллекторной области (Ом)                       7,816*104

Сопротивление эмиттерной области (Ом)                           25,875

Ёмкость эмиттерной области (пФ)                             0,1

Ёмкость коллекторной области (пФ)                                            0,015

Ёмкость изолирующего перехода (пФ)                                         0,1

Предельная частота коэффициента передачи тока (ГГц)              2.5

Входная ВАХ биполярного транзистора

Рис.6 Входная характеристика биполярного транзистора

На рисунке показана входная или базовая характеристика транзистора, то есть зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора Iэ = f(Uбэ).

Выходные ВАХ биполярного транзистора

Рис.7 Выходные характеристики биполярного транзистора

На рисунке показана выходная (коллекторная) характеристика биполярного транзистора, зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-база.

Распределение примесей

Рис. 8. Распределение примесей

На рисунке показано распределение донорной и акцепторной примеси в биполярном транзисторе.

распределение акцепторов;

распределение доноров.

Выводы

В данной работе мы изучили структуру биполярного транзистора, его вольт-амперные характеристики.

Построили графики: входных и выходных ВАХ, распределение примесей и топологию транзистора.

Получили качественно ожидаемые результаты.

В ходе проделанной работе можно сделать следующие выводы:

Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе.

Также основные свойства биполярного транзистора определяются соотношениями токов и напряжений в различных его цепях и взаимным их влиянием друг на друга.

Транзистор может работать на постоянном и переменном сигнале, большом переменном сигнале и импульсном сигнале.

Чтобы рассмотреть работу транзистора на постоянном токе, необходимо изучить стационарные потоки носителей в нем. Это дает возможность получить статические характеристики и статические параметры транзистора - соотношения между его постоянными и переменными токами и напряжениями, выраженные графически или в виде численных значений.

Список используемой литературы

1.       Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. - СПб., ЛАНЬ, 2000.

.        Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов,1973,1984 в 2 т.

.        Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов,1980,1990.

.        Макаров Е.А., Усольцев Н.В. Твердотельная электроника. Учебн. пособие. НГТУ, 2004.

.        Ферри Д., Эйкерс Л., Гринич Э. Электроника ультрабольших ИС,1991.

.        Сугано Т. Введение в микроэлектронику,1988

.        Россадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника,1991.

.        Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы,1990.

.        Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Г. Основы микроэлектроники.- М.: Радио и связь, 1991.