Site Loader

Содержание

Биполярные технологии изготовления ИМС – Полупроводниковая силовая электроника

Биполярные технологии рассмотрим на примере так называемой «сорокавольтовой» биполярной технологии с изоляцией p-η переходом, которая была исторически первой технологией для производства кристаллов ИМС силовой электроники. На рис. 4.1 представлен вертикальный срез типовой полупроводниковой структуры биполярной силовой микросхемы.

Рис. 4.1. Типовая структура фрагмента силовой ИМС, изготовленной по биполярной технологии с изоляцией р-п-переходом

Здесь показаны в обобщенном виде активные структуры наиболее широко используемых в микросхемах элементов — вертикальных п-р-п транзисторов, вертикального и горизонтального р-п-р транзисторов, резисторов, а также конструкции изолирующих и «скрытых» слоев п+ и р+-типа проводимости. Наличие в структуре двух типов конструктивной реализации транзисторов р-п-р (вертикальной и горизонтальной) обусловлено широким диапазоном их усилительных свойств.

Кратко рассмотрим последовательность выполнения технологических операций, необходимых для изготовления ИМС. При этом не будем останавливаться на режимах проведения этих операций.

Прежде всего, в высокоомной подложке р типа проводимости 1 (рис. 4.1) методом диффузии сурьмы или мышьяка формируют п+ скрытый слой 2. Слой выполняется с целью уменьшения сопротивления коллекторных областей вертикальных п-р-п транзисторов 3 и базовых областей горизонтальных р-п-р транзисторов 4, а также для уменьшения коэффициента усиления неизбежно возникающих в этой структуре «паразитных» р-п-р транзисторов (на подложку). Удельное сопротивление п+ скрытого слоя лежит в диапазоне от 10 до 30 Ом/кв.

В микроэлектронике часто вместо объемного удельного сопротивления ρ

ν удобнее пользоваться поверхностным удельным сопротивлением р$. Связь между ними будет понятна из рассмотрения следующего соотношения

где / — длина проводящей области; S – поперечное сечение проводящей области; b — ширина проводящей области; h — глубина проводящей области; п — число квадратов.

Затем методом диффузии бора создают р+ скрытый слой 5, который используется для лучшей электрической изоляции элементов друг от друга.

Далее наращивают эпитаксиальную пленку 6 η-типа проводимости толщиной 15 ± 1,5 мкм (для 40 В процесса) и pv = 4,5 ± 0,45 Ом · см. Для легирования эпитаксиальной пленки используется сурьма или мышьяк из-за их низкой диффузионной способности.

Методом диффузии бора формируют слой разделения 7. Для хорошей изоляции элементов слой должен достигнуть р+ скрытого слоя.

Область глубокого коллектора 8 транзисторов η-ρ-η-типа создается методом диффузии фосфора. Эта область должна достигнуть области п+ скрытого слоя для уменьшения величины последовательных сопротивлений тела коллектора п-р-п транзистора и базы р-п-р транзистора.

Область базы 9 формируется методом диффузии или ионного легирования бора.

Область эмиттера 10 формируется методом диффузии или ионного легирования фосфора.

На получившейся полупроводниковой структуре вскрываются контакты к областям в межслойном диэлектрике 11. Межслойный диэлектрик включает три слоя: нижний слой двуокиси кремния, слой нитрида кремния и верхний слой двуокиси кремния. Нижний слой межслойного диэлектрика состоит из двуокиси кремния толщиной 0,3 мкм и сформирован методом окисления, что обеспечивает качественную границу раздела подложка—двуокись кремния. Слой нитрида кремния толщиной 50 нм формируется путем аммонолиза дихлорсилана и используется для создания конденсатора. Толщина нитрида кремния выбирается исходя из необходимости получения требуемого значения емкости конденсатора. Верхний слой двуокиси кремния формируется методом пиролиза тетраэтоксисилана (Si(OC

2H5)4) при температуре 650              750 °С. Этот слой может быть либо нелегиро ванным (среднетемпературный оксид кремния), либо легированным фосфором (среднетемпературное фосфоросиликатное стекло — СТФСС). Толщина верхнего слоя двуокиси кремния 0,55 ± 0,05 мкм выбирается таким образом, чтобы обеспечить работу микросхемы при напряжении питания 40 В. Кроме того, при такой толщине достигается необходимый порог паразитного рМОП транзистора (более 50 В).

Методом напыления формируется металлизированная разводка 12 Al-Si(l%) толщиной от 1 до 3 мкм. Большая толщина необходима для более мощных приборов с целью уменьшения плотности тока в дорожках металлизации. Допустимая плотность тока — 2 · 105А/см2 (обычно) или 5 * 10

5А/см2 (для приборов, имеющих неорганическое покрытие).

Завершается процесс изготовления созданием пассивирующего покрытия (окисла) 13 — НТФСС (низкотемпературное фосфоро-силикатное стекло).

Для снижения величины теплового сопротивления кор мощных силовых приборов проводится утонение пластины с 460 мкм до 350 мкм (для пластин диаметром 100 мм) механической шлифовкой обратной стороны пластины. Кроме того, если при сборке в корпус используется посадка кристалла на пайку, то на обратную (непланарную) сторону пластины наносят металлизацию 14 (Ti/W/Ag).

Процесс ориентирован на создание п-р-п транзисторов, р-п-р транзисторы и другие элементы формируются из областей п-р-п транзисторов 3. р -п-р горизонтальный транзистор 4 получается на основе слоя р базы п-р-п транзистора. Резисторы 15 могут формироваться на основе слоя р базы п-р-п транзистора или делаться отдельным слоем.

Источник: Белоус А.И., Ефименко С.А., Турцевич А.С., Полупроводниковая силовая электроника, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. цв. вкл.

Биполярный транзистор: разработка и принцип действия

Биполярный транзистор – это электрический полупроводниковый прибор, служащий для усиления сигнала и ряда прочих целей, в котором ток образуется движением носителей обоих знаков. В нынешнем виде изделие предложено и запатентовано в 1947 году Уильямом Шокли.

История разработки первых транзисторов

Склонности передаются по наследству, это видно на примере Уильяма Брэдфорда Шокли. Сын горного инженера и одной из первых в США женщины-геодезиста. Специфичное сочетание. В 22 года получил степень бакалавра, не остановился на достигнутом, и в 1936-м становится доктором философии. Звание, присуждённое Массачусетским институтом технологии, не означает, что Шокли изучал Ницше и Аристотеля. Степень говорит о наличии диссертации в области из большого перечня наук. Диковинное название – дань традиции, когда философия в средние века занималась широким спектром вопросов, по праву считаясь прародителем прочих направлений хода учёной мысли.

Лаборатория Белла

Лаборатория Белла

Смысл работы состоял в исследовании электронных уровней хлорида натрия. Зонная теория, объяснявшая процессы, происходившие в материалах, как раз набирала популярность. Согласно воззрениям теории, любой электрон в кристалле способен занимать уникальное, свойственное исключительно указанной частице, состояние с определённой энергией и направлением спина. Сообразно представлению градации идут с некоторой дискретностью в валентной зоне (связанные с ядром), вдобавок присутствует запрещённая область, где частицы располагаться не вправе. Из последнего тезиса исключением считаются примесные полупроводники, ставшие базисом для создания твердотельной электроники, включая биполярные транзисторы.

В Лаборатории Белла Шокли попал за любопытные идеи в области конструирования ядерных реакторов. Уран в чистом виде открыт задолго до этого, впервые на примере элемента Беккерель обнаружил радиоактивность. Бомбардировать нейтронами ядра металла пробовал в начале 30-х годов (XX века) Энрико Ферми, преследовалась цель – получить трансурановые элементы. Позднее оказалось доказано, что одновременно происходит радиоактивный распад с выделением вовне энергии. Шокли задумал бомбардировать U-235, чтобы получить новый источник большой мощности. В ходе Второй мировой войны занимался исследования по оценке возможного сухопутного вторжения Японии, собранные данные во многом способствовали решению Трумэна сбросить атомную бомбу на Хиросиму.

Лаборатория Белла поставила перед Шокли прямую задачу – отыскать альтернативу громоздким ламповым усилителям. Это означало бы экономию места и появление на свет нового поколения приборов, способных функционировать в условиях войны. Не секрет, что боевые заслуги СССР оказались по достоинству оценены на противоположной стороне океана. Шокли назначили менеджером бригады, бившейся над задачей, куда среди прочего входили создатели первого точечного транзистора:

  1. Джон Бардин;
  2. Уолтер Хаузер Браттейн.

Читатели уже знают про точечный диод на базе кристаллического детектора, но что представлял транзистор? Это полевой прибор: два электрода приложены к области полупроводника p-типа и разделены диэлектрическим клином. Толщина запирающего слоя варьируется с базы. Управляющий электрод, приложенный к n-области под положительным потенциалом сильно обедняет область перехода, и ток не течёт. Исторически первым транзистором считается полевой.

Конструкция оказалась специфичной. К примеру, контактные площадки из золота прижаты пружиной к германиевому кристаллу p-n-перехода, больше напоминают лабораторную установку, нежели полнофункциональный прибор для военной техники. Собрано — при помощи канцелярских скрепок и ядовитого клея-электролита. Но прибор в будущем даст название Силиконовой Долине. Между учёными произошёл раздор, потому что теория поля Шокли, применяемая в транзисторе, не помогла созданию прибора, вдобавок упоминалась в канадском патенте Лилиенфельда 1925 года. В результате Лаборатория Белла выкидывает имя Уильяма из списка создателей при оформлении бумаг.

Примечательно, что структура MESFET (полевой транзистор), предложенная Лилиенфельдом, не функционировала. Но заложенные идеи в бюро приняли, и у Лаборатории Белла возникли сложности с подачей заявок. Парадокс, но учёные могли запатентовать лишь дизайн Бардина и Браттейна – ничего более. Остальное давно уже существовало в виде концепции на момент 1946 года. Шокли решил, что судьба сыграла с изобретателем очередную шутку после всех неудач. Однако компания Белла идёт на всяческие уступки, и общепринято, что Уильям фигурирует для прессы в качестве первого лица.

Уильяма Брэдфорда Шокли

Уильям Брэдфорд Шокли

Шокли начинает трудиться над собственным направлением, попутно пытаясь исправить ситуацию. Последнее не даёт положительных результатов, зато первое приводит к созданию прибора, сегодня известного миру под именем биполярного транзистора. Перебирая ряд конструкций, 1 января 1948 года находит правильную, но не сразу осознает. Впоследствии к Шокли приходит идея, что ток образуется не только основными носителями заряда.

Принцип действия биполярного транзистора, температурные режимы

Изложенная Шокли концепция приводит коллектив в неистовство: годами работал за спиной коллег! Но идея оказалась удачной. Если толщина полупроводника базы мала, инжектированные неосновные носители заряда частично захватываются полем коллектора. Там они уже становятся основными, участвуют в создании электрического тока. Процесс управляется полем базы, количество прорвавшихся носителей заряда пропорционально приложенному напряжению.

Фактически p-n-переход коллектора работает в режиме пробоя. Температурные режимы целиком определяются материалами. Германиевые транзисторы не способны функционировать при температуре выше 85 градусов Цельсия, причём единожды превысив справочное значение, последующим охлаждением прибору не вернёшь работоспособности. Кремний выдерживает нагрев почти вдвое больший. Нередки экземпляры транзисторов, способные функционировать при 150 градусах Цельсия, но минус в сравнительно большом падении напряжения на p-n-переходе.

Транзистор биполярный

Транзистор биполярный

Выходит, конструктор подыскивает для создания электрической схемы наиболее подходящие транзисторы согласно имеющимся условиям. Проводится расчёт рассеиваемой мощности, при необходимости элементы дополняются массивными радиаторами. Предельная температура подбирается с изрядным запасом, чтобы исключить перегрев. Полупроводники обладают явным сопротивлением, используются в технике исключительно для решения специфических задач. К примеру, при создании p-n-перехода. В остальном, чем толще слой материала, тем большие возникают потери на активном омическом сопротивлении. Приведём наглядный пример: удельное сопротивление германия превышает значение аналогичного параметра меди (металл) в 30 млн. раз. Следовательно, потери вырастут (и нагрев) сообразно указанной цифре.

Итак, слой полупроводника мал. Как это реализовать на практике? Забудем временно про канцелярские скрепки, использованные в первой конструкции, обратимся к современной технологии. При изготовлении биполярного транзистора выдерживаются закономерности:

  • Материал эмиттера служит для инжектирования основных носителей в базу, где они окажутся захвачены полем. Поэтому используются полупроводники с большой удельной долей примесей. Этим обеспечивается создание большого количества свободных носителей (дырок или электронов). Объем коллектора чуть выше, нежели у эмиттера, мощность рассеивания предполагается больше. Это влияет на условия охлаждения прибора.
  • В базе концентрация примесей меньше, чтобы большая часть инжектированного потока не рекомбинировала. Доля сторонних атомов в кристаллической решётке минимальная.
  • Коллектор по доле примесей располагается посередине между базой и эмиттером. Прорвавшиеся сюда носители заряда обязаны рекомбинировать. Различие в концентрациях примесей становится причиной, почему нельзя коллектор и эмиттер в электрической схеме прибора поменять местами. Второй причиной считается факт, что площади p-n-переходов неодинаковы. Со стороны коллектора – больше.
Действие транзистора

Действие транзистора

От доли примеси зависит ширина запирающего слоя p-n-перехода (с увеличением растёт). Причём проникновение его в эмиттер, коллектор и базу неодинаково. На минимальную глубину запирающий слой простирается в материал с максимальной долей примесей. То есть, эмиттер. Германиевые биполярные транзисторы уходят в прошлое, на замену приходят кремниевые и на основе арсенида галлия. Сегодня доминируют две технологии производства полупроводниковых приборов, выделяют:

  1. Сплавные транзисторы производятся, к примеру, вплавлением в тонкую пластинку германия (по большей части изготавливаются из указанного материала) двух капель индия различных по величине. Материалы показывают различную температуру ликвидуса, становится возможен процесс обработки в печах. За счёт диффузии атомов индий прочно вплавляется в германий (температура плавления 940 градусов Цельсия). Потом к эмиттеру, коллектору и базе припаиваются электроды.
  2. Планарные транзисторы наиболее близки к первоначальной идее Шокли, его приборы как раз назвали плоскими. В отличие от известных прежде. На плоскую подложку разнообразными методами наносятся нужные слои. Активно применяются маски различных конфигураций для создания рисунков. Преимущество в возможности массового изготовления транзисторов на единой подложке, потом она нарезается кусками, каждый становится обособленным полупроводниковым прибором.

В ходе описанных выше технологических манипуляций активно используются ступени производственного цикла:

  1. Метод диффузии позволяет точно контролировать геометрические размеры p-n-перехода, что обусловливает лучшую повторяемость характеристик и точность. Для создания транзистора полупроводник в атмосфере «благородного» газа нагревается до точки ликвидуса, парящие вокруг примеси легко оседают на поверхности. Происходит диффузия. Дозировкой парциального давления паров примесей и продолжительности операции варьируется глубина проникновения атомов в основной материал (подложку). Иногда диффузия возникает в процессе сплавления. Момент определяется точным подбором температурного режима.
  2. Эпитаксией называют процесс роста кристалла нужного типа на подложке. Осаждение может происходить из раствора или газа. К этому классу технологий относится и вакуумное напыление, электролиз стоит чуть обособленно, основанный на принципе наращивания слоёв под действием тока.
  3. Для получения заданной маски часто применяют методики литографии. К примеру, на подложку наносится фоторезист, островки которого исчезают под действием проявителя. Формирующее излучение фильтруется маской из непрозрачного материала. Процесс фотолитографии напоминает знакомый каждому профессиональному фотографу, самостоятельно ведущему обработку плёнки.

В справочниках часто указываются два и более ключевых термина, характеризующих производственный цикл биполярного транзистора.

Обозначения транзистора

Обозначения транзистора

Система обозначений транзисторов

На полупроводниковые приборы выпущен ОСТ 11-0948, устанавливающий нормы и для биполярных транзисторов. На первом месте указывается материал, определяющий во многом температурные режимы работы и параметры, потом цифровая маркировка, определяющая мощность, частоту и прочие качества биполярного транзистора. Среди основных параметров в справочниках фигурируют вольт-амперная характеристика и коэффициент усиления по току.

Технология изготовления биполярного транзистора КТ380. — Студопедия

    Эпитаксиальная технология позволяет расширить рабочий диапазон транзисторов, особенно ключевых, за счет уменьшения последовательного сопротивления коллектора. Она основана на выращивании очень тонкого слоя полупроводника (достаточного для формирования активных элементов) поверх исходного слоя того же самого материала. Этот эпитаксиальный слой представляет собой продолжение исходной кристаллической структуры, но с уровнем легирования, необходимым для работы транзистора. Подложку сильно легируют (до содержания легирующей примеси порядка 0,1%), тщательно полируют и затем промывают, поскольку дефекты на поверхности подложки сказываются на совершенстве структуры эпитаксиального слоя.

    Выращивание совершенного эпитаксиального слоя – очень сложный процесс, требующий тщательного выбора материалов и поддержания исключительной общей чистоты в системе. Слой выращивается методом химического осаждения из паровой фазы, обычно из паров тетрахлорида кремния SiCl4. При этом используется водород, который восстанавливает SiCl

4 до чистого кремния, осаждающегося затем на подложке при температуре около 1200 0С. Скорость роста эпитаксиального слоя – порядка 1 мкм/мин, но ее можно регулировать. Для легирования слоя в рабочую камеру вводят мышьяк (примесь n-типа), фосфор (n-тип) или бор (p-тип). Обычно выращивают только один слой, но в некоторых случаях, например при изготовлении многослойных тиристоров, получают два слоя – один n, а другой p-типа. Толщина эпитаксиального слоя составляет от нескольких микрометров для сверхвысокочастотных транзисторов до 100 мкм для высоковольтных тиристоров. Эпитаксиальный материал дает возможность изготавливать транзисторы для усилителей и электронных ключей.


    В противоположность технологии мезаструктур, при которой диффузия происходит равномерно по всей поверхности полупроводника, планарная технология требует, чтобы диффузия была локализована. Для остальной части поверхности необходима маска. Идеальным материалом для маски является диоксид кремния, который можно наращивать поверх кремния. Так, сначала в атмосфере влажного кислорода при 1100 0С выращивают слой диоксида толщиной около 1000 нм (это занимает примерно час с четвертью). На выращенный слой наносят фоторезист, который может быть сенситизирован для проявления ультрафиолетовым светом. На фоторезист накладывают маску с контурами базовых областей, в которых должна проводиться диффузия (их тысячи на одной подложке), и экспонируют фоторезист под освещением. На участках, не закрытых непрозрачной маской, фоторезист затвердевает под действием света. Теперь, когда фоторезист проявлен, его легко удалить растворителем с тех мест, где он не затвердел, и на этих местах откроется незащищенный диоксид кремния. Для подготовки подложки к диффузии незащищенный диоксид вытравливают и пластинку промывают. (Здесь речь идет об «отрицательном» фоторезисте. Существует также «положительный» фоторезист, который, наоборот, после освещения легко растворяется.) Диффузию проводят как двухстадийный процесс: сначала некоторое количество легирующей примеси (бора в случае

n-p-n
-транзисторов) вводят в базовый поверхностный слой, а затем – на нужную глубину. Первую стадию можно осуществлять разными способами. В наиболее распространенном варианте пропускают кислород через жидкий трихлорид бора; диффузант переносится газом к поверхности и осаждается под тонким слоем борсодержащего стекла и в самом этом слое. После такой начальной диффузии стекло удаляют и вводят бор на нужную глубину, в результате чего получается коллекторный p-n-переход в эпитаксиальном слое n-типа. Далее выполняют эмиттерную диффузию. Поверх базового слоя наращивают диоксид, и в нем прорезают окно, через которое за одну стадию диффузией вводят примесь (обычно фосфор), формируя тем самым эмиттер. Степень легирования эмиттера по крайней мере в 100 раз больше, чем степень легирования базы, что необходимо для обеспечения высокой эффективности эмиттера.


    В обоих диффузионных процессах, упомянутых выше, переходы перемещаются как по вертикали, так и в боковом направлении под диоксидом кремния, так что они защищены от воздействия окружающей среды. Многие устройства герметизируют поверхностным слоем нитрида кремния толщиной около 200 нм. Нитрид кремния непроницаем для щелочных металлов, таких, как натрий и калий, которые способны проникать сквозь диоксид кремния и «отравлять» поверхности в переходах и поблизости от них. Далее с использованием методов фотолитографии на поверхность устройства напыляют металл контакта (алюминий или золото), отделенный от кремния другим металлом (например, вольфрамом, платиной или хромом), впекают его в области базового и эмиттерного контактов, а излишек удаляют. Затем полупроводниковую пластинку путем распиливания или разламывания после надрезания разделяют на отдельные микрокристаллы, которые прикрепляются к позолоченному кристаллодержателю или выводной рамке (чаще всего эвтектическим припоем кремний – золото). С выводами корпуса эмиттер и базу соединяют золотыми проволочками. Транзистор герметизируют в металлическом корпусе или путем заделки в пластик (последнее дешевле).

Первоначально контакты делали из алюминия, но оказалось, что алюминий образует с золотом хрупкое соединение, обладающее высоким сопротивлением. Поэтому проволочные контакты из алюминиевой или золотой проволочки стали отделять от кремния другим металлом – вольфрамом, платиной или хромом.

Граничная частота транзисторов общего назначения составляет несколько сот мегагерц – примерно столько же, сколько было у ранних высокочастотных германиевых транзисторов. В настоящее время для высокочастотных типов эта граница превышает 10 000 МГц. Мощные транзисторы могут работать при мощности 200 Вт и более (в зависимости от типа корпуса), и нередки коллекторные напряжения в несколько сот вольт. Используются кремниевые пластинки размером несколько сантиметров, причем на одной такой пластинке формируется не менее 500 тыс. транзисторов.

Транзисторные структуры могут быть разного вида. Транзисторы для низкочастотных схем с низким уровнем сигнала нередко имеют точечно-кольцевую конфигурацию (точка – эмиттер, кольцо – база), которая, однако, не нашла широкого применения в тех случаях, когда предъявляются требования высокой частоты и большой мощности. В таких случаях и в транзисторах многих низкочастотных типов чаще всего применяется встречно-гребенчатая структура. Это как бы два гребешка с широкими промежутками между зубцами, расположенные на поверхности так, что зубцы одного входят между зубцами другого. Один из них является эмиттером, а другой – базой. База всегда полностью охватывает эмиттер. Основная часть гребешка служит токовой шиной, равномерно распределяющей ток, так что все эмиттерные зубцы имеют одинаковое смещение и дают одинаковый ток. Это очень важно для сильноточных приборов, в которых локальная неоднородность смещения может вследствие местного нарастания тока привести к точечному перегреву. В нормальном рабочем режиме температура перехода в транзисторах должна быть ниже 1250С (при ~1500С параметры прибора начинают быстро изменяться, и работа схемы нарушается), а потому в мощных транзисторах необходимо добиваться равномерного распределения тока по всей их площади. Сильноточные устройства часто разделяют на секции (группы зубцов, или малых транзисторов), соединенные между собой токовыми шинами с малым сопротивлением.

В транзисторах для диапазона сверхвысоких частот – другие трудности. Их максимальная рабочая частота ограничивается временем задержки, которое требуется для зарядки эмиттерного и коллекторного переходов (поскольку заряд переходов зависит от напряжения, они ведут себя как конденсаторы). Это время можно свести к минимуму, уменьшив до предела площадь эмиттера. Поскольку эффективно действует лишь периферийная часть эмиттера, зубцы делают очень узкими; зато число их увеличивают так, чтобы получить нужный ток. Ширина зубца типичного высокочастотного эмиттера составляет 1–2 мкм, и таковы же промежутки между зубцами. База обычно имеет толщину 0,1–0,2 мкм. На частотах выше 2000 МГц время переноса заряда через базу уже не является определяющей характеристикой – существенно также время переноса через область коллектора; однако этот параметр можно уменьшить только путем уменьшения внешнего напряжения на коллекторе.

Биполярный транзистор — Википедия. Что такое Биполярный транзистор

Обозначение биполярных транзисторов на схемах. Направление стрелки показывает направление тока через эмиттерный переход, и служит для идентификации n-p-n и p-n-p транзисторов. Наличие окружности символизирует транзистор в индивидуальном корпусе, отсутствие — транзистор в составе микросхемы.

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

Биполя́рный транзи́стор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.

Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента (например, в схемах ТТЛ).

Устройство

Упрощенная схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E), базы («Б», англ. B) и коллектора («К», англ. C). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n (эмиттер — n-полупроводник, база — p-полупроводник, коллектор — n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты[1].

С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.

Общая площадь перехода база-эмиттер выполняется значительно меньше площади перехода коллектор-база, что увеличивает вероятность захвата неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи. Так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включён с обратным смещением, в нём выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, и повышение его площади способствует лучшему охлаждению кристалла. Поэтому на практике биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (то есть инверсное включение, когда меняют местами эмиттер и коллектор, нецелесообразно).

Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей. Но при снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время (2015 г.) биполярные транзисторы изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.

Принцип работы

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении[2] (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

В транзисторе типа n-p-n[3] основные носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико[4]. Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы управляет значительно бо́льшим током коллектора.

Режимы работы

Напряжения
на эмиттере,
базе,
коллекторе
( U E , U B , U C {\displaystyle U_{E},U_{B},U_{C}} )
Смещение
перехода
база-эмиттер
для типа n-p-n
Смещение
перехода
база-коллектор
для типа n-p-n
Режим
для типа n-p-n
U E < U B < U C {\displaystyle U_{E}<U_{B}<U_{C}} прямое обратное нормальный
активный режим
U E < U B > U C {\displaystyle U_{E}<U_{B}>U_{C}} прямое прямое режим насыщения
U E > U B < U C {\displaystyle U_{E}>U_{B}<U_{C}} обратное обратное режим отсечки
U E > U B > U C {\displaystyle U_{E}>U_{B}>U_{C}} обратное прямое инверсный
активный режим
Напряжения
на эмиттере,
базе,
коллекторе
( U E , U B , U C {\displaystyle U_{E},U_{B},U_{C}} )
Смещение
перехода
база-эмиттер
для типа p-n-p
Смещение
перехода
база-коллектор
для типа p-n-p
Режим
для типа p-n-p
U E < U B < U C {\displaystyle U_{E}<U_{B}<U_{C}} обратное прямое инверсный
активный режим
U E < U B > U C {\displaystyle U_{E}<U_{B}>U_{C}} обратное обратное режим отсечки
U E > U B < U C {\displaystyle U_{E}>U_{B}<U_{C}} прямое прямое режим насыщения
U E > U B > U C {\displaystyle U_{E}>U_{B}>U_{C}} прямое обратное нормальный
активный режим

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении[2] (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид UЭБ<0; UКБ>0.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ>0; UЭБ<0 (для транзистора n-p-n типа).

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,6—0,7 В, или IБ=0[5][6].

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

  • Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
  • Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.

Схема включения с общей базой

Схема включения с общей базой.
  • Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.
  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α<1].
  • Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.

Входное сопротивление (входной импеданс) усилительного каскада с общей базой мало зависит от тока эмиттера, при увеличении тока — снижается и не превышает единиц — сотен Ом для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства
  • Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
  • Высокое допустимое коллекторное напряжение.
Недостатки
  • Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1
  • Малое входное сопротивление

Схема включения с общим эмиттером

Схема включения с общим эмиттером.
Iвых = Iк
Iвх = Iб
Uвх = Uбэ
Uвых = Uкэ.
  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].
  • Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.
Достоинства
  • Большой коэффициент усиления по току.
  • Большой коэффициент усиления по напряжению.
  • Наибольшее усиление мощности.
  • Можно обойтись одним источником питания.
  • Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.
Недостатки
  • Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.

Схема с общим коллектором

Схема включения с общим коллектором.
Iвых = Iэ
Iвх = Iб
Uвх = Uбк
Uвых = Uкэ.
  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].
  • Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.
Достоинства
  • Большое входное сопротивление.
  • Малое выходное сопротивление.
Недостатки
  • Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.

Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».

Основные параметры

  • Коэффициент передачи по току.
  • Входное сопротивление.
  • Выходная проводимость.
  • Обратный ток коллектор-эмиттер.
  • Время включения.
  • Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
  • Обратный ток коллектора.
  • Максимально допустимый ток.
  • Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

  • коэффициент усиления по току α;
  • сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэ, rк, rб, которые представляют собой:
    • rэ — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
    • rк — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
    • rб — поперечное сопротивление базы.
{\displaystyle U_{E}>U_{B}>U_{C}}

Эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h-параметров.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h11 = Um1/Im1, при Um2 = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h12 = Um1/Um2, при Im1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h21 = Im2/Im1, при Um2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h22 = Im2/Um2, при Im1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

Um1 = h11Im1 + h12Um2;
Im2 = h21Im1 + h22Um2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: Im1 = I, Im2 = I, Um1 = Umб-э, Um2 = Umк-э. Например, для данной схемы:

h21э = I/I = β.

Для схемы ОБ: Im1 = I, Im2 = I, Um1 = Umэ-б, Um2 = Umк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

h 11 ∍ = r δ + r ∍ 1 − α {\displaystyle h_{11\backepsilon }=r_{\delta }+{\frac {r_{\backepsilon }}{1-\alpha }}} ;

h 12 ∍ ≈ r ∍ r κ ( 1 − α ) {\displaystyle h_{12\backepsilon }\approx {\frac {r_{\backepsilon }}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}} ;

h 21 ∍ = β = α 1 − α {\displaystyle h_{21\backepsilon }=\beta ={\frac {\alpha }{1-\alpha }}} ;

h 22 ∍ ≈ 1 r κ ( 1 − α ) {\displaystyle h_{22\backepsilon }\approx {\frac {1}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}} .

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода Cк. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода Cэ также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода rэ и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τз относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τф. Временем включения транзистора называется τвкл = τз + τф.

Биполярный СВЧ-транзистор

Биполярные СВЧ-транзисторы (БТ СВЧ) служат для усиления колебаний с частотой свыше 0,3 ГГЦ[7]. Верхняя граница частот БТ СВЧ с выходной мощностью более 1 Вт составляет около 10 ГГц. Большинство мощных БТ СВЧ по структуре относится к n-p-n типу[8]. По методу формирования переходов БТ СВЧ являются эпитакcиально-планарными. Все БТ СВЧ, кроме самых маломощных, имеют многоэмиттерную структуру (гребёнчатую, сетчатую)[9]. По мощности БТ СВЧ разделяются на маломощные (рассеиваемая мощность до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт)[10]. Выпускается большое число узкоспециализированных типов БТ СВЧ[10].

Технологии изготовления транзисторов

Применение транзисторов

См. также

Примечания

  1. ↑ Невыпрямляющий, или омический контакт — контакт двух разнородных материалов, вольтамперная характеристика которого симметрична при смене полярности и практически линейна.
  2. 1 2 Прямое смещение p-n-перехода означает, что область p-типа имеет положительный потенциал относительно облаcти n-типа.
  3. ↑ Для случая p-n-p все рассуждения аналогичны с заменой слова «электроны» на «дырки» и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположное по знаку.
  4. Лаврентьев Б. Ф. Схемотехника электронных средств. — М.: Издательский центр «Академия», 2010. — С. 53—68. — 336 с. — ISBN 978-5-7695-5898-6.
  5. ↑ Лекция № 7 — Биполярный транзистор как активный четырёхполюсник, h-параметры
  6. ↑ Физические основы электроники: метод. указания к лабораторным работам / сост. В. К. Усольцев. — Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. — 50 с.:ил.
  7. ↑ Кулешов, 2008, с. 284.
  8. ↑ Кулешов, 2008, с. 285.
  9. ↑ Кулешов, 2008, с. 286.
  10. 1 2 Кулешов, 2008, с. 292.

Ссылки

Литература

  • Спиридонов Н.С. Основы теории транзисторов. — К.: Техника, 1969. — 300 с.
  • Кулешов В.Н., Удалов Н.Н., Богачев В.М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. — М.: МЭИ, 2008. — 416 с. — ISBN 978-5-383-00224-7.

Технологические разновидности биполярных транзисторов — Студопедия

Среди многочисленных разновидностей транзисторов наибольшее распространение получили сплавные, сплавно-диффузионные, диффузионно-планарные, мезапланарные и эпитаксиально-планарные транзисторы (рис. 1.29).

Сплавные транзисторы (преимущественно германиевые) изготовляют по сплавной технологии получения p-n-переходов. Транзисторная структура с двумя близко расположенными p-n-переходами показана на рисунке 1.30, а одна из наиболее распространенных конструкций сплавного транзистора — на рисунке 1.31 (где 1 — кристалл Ge; 2 — кристаллодержатель; 3 — электрод эмиттера; 4 — электрод коллектора; 5 — базовое кольцо; 6 — корпус; 7 — основание; 8 — выводы). В сплавных транзисторах трудно сделать очень тонкую базу, поэтому они предназначены только для низких и средних частот, их могут выпускать на большие мощности, до десятков ватт.

В мощных транзисторах электронно-дырочные переходы выполняют большой площади, вывод коллектора соединяется с корпусом. Основание корпуса для лучшего охлаждения изготавливают в виде массивной медной пластины, которую монтируют на теплоотводе или на шасси электронной схемы. Недостатки сплавных транзисторов — сравнительно невысокая предельная частота fa 20 МГц, значительный разброс параметров и некоторая нестабильность свойств транзистора во времени.

Сплавно-диффуэионные транзисторы изготавливают сочетанием сплавной технологии с диффузионной. В этом случае наплавляемая навеска содержит как донорные (сурьма), так и акцепторные (индий) примеси. Навески размещают на исходной полупроводниковой пластине и прогревают. При сплавлении образуется эмиттерный переход. Однако при высокой температуре одновременно с процессом плавления происходит диффузия примесей из расплава в глубь кристалла. Примеси доноров и акцепторов распределяются по толщине кристалла при этом неравномерно, так как разные примеси диффундируют на разную глубину (например, диффузия сурьмы идет скорее, чем индия). В кристаллов результате образуется диффузионный базовый слой n-типа с неравномерным распределением примесей (получается «встроенное» в базу электрическое поле). Коллектором служит исходная пластинка германия p-типа. Перенос неосновных носителей через базовую область осуществляется в основном дрейфом во «встроенном» электрическом полем транзисторы, поэтому называют дрейфовыми. Толщина базы транзисторов может быть уменьшена до 0,5-1 мкм. Рабочие частоты достигают 500-1000 МГц. Широкий диапазон частот является основным достоинством этой разновидности транзисторов. К недостаткам относятся низкие обратные напряжения на эмиттере из-за сильного легирования эмиттерной области, а также трудности в разработке транзисторов на высокие напряжения и большие мощности. В последние годы при изготовлении дрейфовых транзисторов широко используется метод двойной диффузии. В этом случае базовая и эмиттерная области получаются при диффузии примесей п- и p-типа в исходную пластинку полупроводника. Такие транзисторы изготавливают в виде планарных структур и меза-структур.


Диффузионно-планарный транзистор, например, кремниевый, может быть изготовлен методом диффузии примесных атомов через окна в пленке двуокиси кремния SiO2. Последовательность технологических операций показана на рисунке 1.32. При изготовлении планарного транзистора за основу берется пластинка кремния n-типа, которая в результирующей структуре играет роль коллектора. Пластинка помещается вначале в атмосферу паров воды или кислорода, где покрывается плотной пленкой SiO2 (рис. 1.32, а). Фотолитографией и последующим травлением в пленке образуются окна (рис. 1.32, б), через которые осуществляется диффузия акцептора-бора (рис. 1.32, в). В пластинке при этом образуется слой базы p-типа. Одновременно происходит окисление поверхности. В образовавшейся пленке окиси затем вскрываются окна (рис. 1.32, г), через которые проводится диффузия донора — фосфора на меньшую глубину. Образуется эмиттерный слой n+-типа (рис. 1.32, д). Далее слой SiO2 вновь протравливается (рис. 1.32, е), в отверстия напыляются контакты (А1) и методом термокомпрессии подсоединяются выводы (рис. 1.32, ж).

Мезапланарные транзисторы изготавливают методом двойной диффузии с последующим вытравливанием определенных участков эмиттера и базы для создания активной части транзисторов в виде меза-структур. При этом уменьшаются площади переходов, снижается барьерная емкость коллектора. Мезапланарные транзисторы получают при изготовлении большой партии приборов. в едином технологическом цикле из одной пластины полупроводника, поэтому они имеют малый разброс параметров. У этих транзисторов малые емкости переходов, небольшое rБ и они могут работать на частотах до нескольких сот мегагерц.

Эпитаксиально-планарные транзисторы имеют коллектор, состоящий из двух слоев: высокоомного, примыкающего к базе, и низкоомного, примыкающего к контакту. Высокоомный слой в транзисторах n-р-n получают методом эпитаксиального наращивания пленки монокристаллического полупроводника (в данном случае — с электронной проводимостью) на низкоомную подложку, образующую коллекторную область n+. В транзисторах p-n-р эпитаксиальный высокоомный слой имеет проводимость p-типа. Таким образом, между базой и низкоомным коллектором получается слой с высоким сопротивлением. Базовую и эмиттерную области изготавливают методом двойной диффузии через окна в пленке SiO2. В результате получают дрейфовый транзистор типа n+-р-n-n+ или р+-п-р-р+, имеющий малое объемное сопротивление эпитаксиального коллектора, небольшую барьерную емкость СК, небольшое время накопления носителей в коллекторной области и, в то же время, достаточно высокое напряжение пробоя коллекторного перехода.

В настоящее время при серийном производстве дискретных биполярных транзисторов используют, главным образом, мезапланарную и эпитаксиально-планарную технологии. Последняя находит также широкое применение а микроэлектронике при, изготовлении транзисторных структур.

Биполярный транзистор — Википедия. Что такое Биполярный транзистор

Обозначение биполярных транзисторов на схемах. Направление стрелки показывает направление тока через эмиттерный переход, и служит для идентификации n-p-n и p-n-p транзисторов. Наличие окружности символизирует транзистор в индивидуальном корпусе, отсутствие — транзистор в составе микросхемы.

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

Биполя́рный транзи́стор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.

Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента (например, в схемах ТТЛ).

Устройство

Упрощенная схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E), базы («Б», англ. B) и коллектора («К», англ. C). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n (эмиттер — n-полупроводник, база — p-полупроводник, коллектор — n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты[1].

С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.

Общая площадь перехода база-эмиттер выполняется значительно меньше площади перехода коллектор-база, что увеличивает вероятность захвата неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи. Так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включён с обратным смещением, в нём выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, и повышение его площади способствует лучшему охлаждению кристалла. Поэтому на практике биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (то есть инверсное включение, когда меняют местами эмиттер и коллектор, нецелесообразно).

Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей. Но при снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время (2015 г.) биполярные транзисторы изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.

Принцип работы

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении[2] (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

В транзисторе типа n-p-n[3] основные носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико[4]. Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы управляет значительно бо́льшим током коллектора.

Режимы работы

Напряжения
на эмиттере,
базе,
коллекторе
( U E , U B , U C {\displaystyle U_{E},U_{B},U_{C}} )
Смещение
перехода
база-эмиттер
для типа n-p-n
Смещение
перехода
база-коллектор
для типа n-p-n
Режим
для типа n-p-n
U E < U B < U C {\displaystyle U_{E}<U_{B}<U_{C}} прямое обратное нормальный
активный режим
U E < U B > U C {\displaystyle U_{E}<U_{B}>U_{C}} прямое прямое режим насыщения
U E > U B < U C {\displaystyle U_{E}>U_{B}<U_{C}} обратное обратное режим отсечки
U E > U B > U C {\displaystyle U_{E}>U_{B}>U_{C}} обратное прямое инверсный
активный режим
Напряжения
на эмиттере,
базе,
коллекторе
( U E , U B , U C {\displaystyle U_{E},U_{B},U_{C}} )
Смещение
перехода
база-эмиттер
для типа p-n-p
Смещение
перехода
база-коллектор
для типа p-n-p
Режим
для типа p-n-p
U E < U B < U C {\displaystyle U_{E}<U_{B}<U_{C}} обратное прямое инверсный
активный режим
U E < U B > U C {\displaystyle U_{E}<U_{B}>U_{C}} обратное обратное режим отсечки
U E > U B < U C {\displaystyle U_{E}>U_{B}<U_{C}} прямое прямое режим насыщения
U E > U B > U C {\displaystyle U_{E}>U_{B}>U_{C}} прямое обратное нормальный
активный режим

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении[2] (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид UЭБ<0; UКБ>0.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ>0; UЭБ<0 (для транзистора n-p-n типа).

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,6—0,7 В, или IБ=0[5][6].

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

  • Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
  • Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.

Схема включения с общей базой

Схема включения с общей базой.
  • Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.
  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α<1].
  • Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.

Входное сопротивление (входной импеданс) усилительного каскада с общей базой мало зависит от тока эмиттера, при увеличении тока — снижается и не превышает единиц — сотен Ом для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства
  • Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
  • Высокое допустимое коллекторное напряжение.
Недостатки
  • Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1
  • Малое входное сопротивление

Схема включения с общим эмиттером

Схема включения с общим эмиттером.
Iвых = Iк
Iвх = Iб
Uвх = Uбэ
Uвых = Uкэ.
  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].
  • Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.
Достоинства
  • Большой коэффициент усиления по току.
  • Большой коэффициент усиления по напряжению.
  • Наибольшее усиление мощности.
  • Можно обойтись одним источником питания.
  • Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.
Недостатки
  • Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.

Схема с общим коллектором

Схема включения с общим коллектором.
Iвых = Iэ
Iвх = Iб
Uвх = Uбк
Uвых = Uкэ.
  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].
  • Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.
Достоинства
  • Большое входное сопротивление.
  • Малое выходное сопротивление.
Недостатки
  • Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.

Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».

Основные параметры

  • Коэффициент передачи по току.
  • Входное сопротивление.
  • Выходная проводимость.
  • Обратный ток коллектор-эмиттер.
  • Время включения.
  • Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
  • Обратный ток коллектора.
  • Максимально допустимый ток.
  • Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

  • коэффициент усиления по току α;
  • сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэ, rк, rб, которые представляют собой:
    • rэ — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
    • rк — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
    • rб — поперечное сопротивление базы.
{\displaystyle U_{E}>U_{B}>U_{C}}

Эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h-параметров.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h11 = Um1/Im1, при Um2 = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h12 = Um1/Um2, при Im1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h21 = Im2/Im1, при Um2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h22 = Im2/Um2, при Im1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

Um1 = h11Im1 + h12Um2;
Im2 = h21Im1 + h22Um2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: Im1 = I, Im2 = I, Um1 = Umб-э, Um2 = Umк-э. Например, для данной схемы:

h21э = I/I = β.

Для схемы ОБ: Im1 = I, Im2 = I, Um1 = Umэ-б, Um2 = Umк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

h 11 ∍ = r δ + r ∍ 1 − α {\displaystyle h_{11\backepsilon }=r_{\delta }+{\frac {r_{\backepsilon }}{1-\alpha }}} ;

h 12 ∍ ≈ r ∍ r κ ( 1 − α ) {\displaystyle h_{12\backepsilon }\approx {\frac {r_{\backepsilon }}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}} ;

h 21 ∍ = β = α 1 − α {\displaystyle h_{21\backepsilon }=\beta ={\frac {\alpha }{1-\alpha }}} ;

h 22 ∍ ≈ 1 r κ ( 1 − α ) {\displaystyle h_{22\backepsilon }\approx {\frac {1}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}} .

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода Cк. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода Cэ также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода rэ и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τз относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τф. Временем включения транзистора называется τвкл = τз + τф.

Биполярный СВЧ-транзистор

Биполярные СВЧ-транзисторы (БТ СВЧ) служат для усиления колебаний с частотой свыше 0,3 ГГЦ[7]. Верхняя граница частот БТ СВЧ с выходной мощностью более 1 Вт составляет около 10 ГГц. Большинство мощных БТ СВЧ по структуре относится к n-p-n типу[8]. По методу формирования переходов БТ СВЧ являются эпитакcиально-планарными. Все БТ СВЧ, кроме самых маломощных, имеют многоэмиттерную структуру (гребёнчатую, сетчатую)[9]. По мощности БТ СВЧ разделяются на маломощные (рассеиваемая мощность до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт)[10]. Выпускается большое число узкоспециализированных типов БТ СВЧ[10].

Технологии изготовления транзисторов

Применение транзисторов

См. также

Примечания

  1. ↑ Невыпрямляющий, или омический контакт — контакт двух разнородных материалов, вольтамперная характеристика которого симметрична при смене полярности и практически линейна.
  2. 1 2 Прямое смещение p-n-перехода означает, что область p-типа имеет положительный потенциал относительно облаcти n-типа.
  3. ↑ Для случая p-n-p все рассуждения аналогичны с заменой слова «электроны» на «дырки» и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположное по знаку.
  4. Лаврентьев Б. Ф. Схемотехника электронных средств. — М.: Издательский центр «Академия», 2010. — С. 53—68. — 336 с. — ISBN 978-5-7695-5898-6.
  5. ↑ Лекция № 7 — Биполярный транзистор как активный четырёхполюсник, h-параметры
  6. ↑ Физические основы электроники: метод. указания к лабораторным работам / сост. В. К. Усольцев. — Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. — 50 с.:ил.
  7. ↑ Кулешов, 2008, с. 284.
  8. ↑ Кулешов, 2008, с. 285.
  9. ↑ Кулешов, 2008, с. 286.
  10. 1 2 Кулешов, 2008, с. 292.

Ссылки

Литература

  • Спиридонов Н.С. Основы теории транзисторов. — К.: Техника, 1969. — 300 с.
  • Кулешов В.Н., Удалов Н.Н., Богачев В.М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. — М.: МЭИ, 2008. — 416 с. — ISBN 978-5-383-00224-7.

Технология создания имс на биполярных структурах

Анализ основных технологических операций, применяемых при создании ИМС на биполярных структурах, а также основных элементов — транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов, создаваемых на основе этих структур, позволяет рассмотреть последовательность и содержание технологических процессов при создании простейшей ИМС на этих структурах:

1. Пластина кремния Р-типа очищается и полируется.

2. Создается слой двуокиси кремния на поверхности пластины методом термического окисления.

3. Первая фотолитография для получения окон в слое окиси, чтобы создать скрытый слой N+ в коллекторных областях транзисторов (рис. 19.4,а).

4. Полное удаление двуокиси кремния с поверхности пластины и повторная очистка поверхности.

5. Наращивание эпитаксиального слоя N.

6. Снова создается слой двуокиси кремния на поверхности слоя N (рис. 19.4,6).

7. Вторая фотолитография для получения окоп с целью проведения диффузии через эти окна.

8. Диффузия акцепторной примеси в слой N, в результате чего участки этого слоя под окнами приобретают P+— проводимость. Так создаются коллекторные N- области, изолированные P+— областями (рис.19.4,в).

9

Рис. 19.4. К пояснению последо-вательности технологических операций по созданию биполярного транзистора ИМС

. Третья фотолитография для создания окон с целью образования базовых областей.

10. Диффузия акцепторной примеси и образование базовых P-областей (рис. 19.4,г).

11. Четвертая фотолитография для создания эмиттерных N+-областей.

12. Диффузия донорной примеси и создание эмиттерных N+— областей, а также контактов N+ к коллекторным N-областям (рис.19.4, д).

13. Нанесение пленки алюминия для внутрисхемных соединений.

14. Пятая фотолитография для создания нужной схемы соединений.

15. Удаление алюминия с тех участков поверхности, где не должно быть соединений методом травления (рис.19.4, е).

Элементы имс на мдп-структурах

Анализ свойств полевых транзисторов в дискретном исполнении показал их большие преимущества по сравнению с биполярными транзисторами. Естественно, что при создании полупроводниковых ИМС возникло стремление получения их на основе полевых транзисторов.

МДП-транзисторы ИМС. Их изготовляют по планарной технологии, однако при этом технология изготовления МДП-транзисторов проще и дешевле технологии изготовления биполярных транзисторов как за счет уменьшения числа требуемых при этом операций, так и за счет уменьшения числа операций, связанных с высокими температурами.

Одним из больших достоинств МДП-структур является отсутствие специальных операций для создания изоляций, так как в МДП-структурах такая изоляция не требуется — затворы транзисторов отделены от подложки диэлектриком, истоки и стоки соседних транзисторов разделены обратносмещенными PN-nepexoдами. Это позволяет размещать МДП-транзисторы гораздо ближе друг к другу, чем биполярные и, следовательно, на той же поверхности получить значительно больше элементов, повысить степень интеграции.

Основным типом МДП-транзисторов ИМС является МДП с индуцированным каналом. Имея большие преимущества по сравнению с биполярной структурой, МДП-транзисторы уступают им в таком важном показателе, как граничная частота, связанная с быстродействием. Основные причины, ограничивающие быстродействие МДП-ИМС — наличие паразитной емкости затвор—канал и время пролета основных носителей через канал. Напомним, что у полевых транзисторов нет таких явлений, ограничивающих быстродействие, как накопление и рассеивание неосновных носителей, так как в основе работы полевого транзистора лежит принцип прямого переноса основных носителей по каналу между истоком и стоком.

Таким образом, именно МДП-транзисторы являются основой для создания ИМС с максимальной степенью интеграции. Этому способствовали работы по усовершенствованию МДП-ИМС, в частности, создание МДП-транзисторов с N-каналом вместо преимущественно выпускавшихся ранее МДП-транзисторов с Р-каналом (так как подвижность электронов выше подвижности дырок, то и быстродействие таких транзисторов выше), а также применение метода ионного легирования, благодаря которому удалось уменьшить паразитные емкости, а следовательно, паразитные обратные связи, которые увеличиваются при большей скорости движения носителей.

Вторым направлением усовершенствования МДП-транзисторов ИМС является уменьшение напряжения отсечки, т. е. напряжения , при котором IС = 0, что способствует уменьшению рабочих напряжений, а следовательно, и рассеиваемой мощности, и, в свою очередь, создает предпосылки для еще большего увеличения степени интеграции. Этого добиваются применением в качестве затвора слоя поликристаллического кремния вместо — металлического алюминиевого затвора. Уменьшение напряжения отсечки в этом случае объясняется тем, что затвор и подложка созданы на основе одного и того же материала — кремния, и поэтому контактная разность потенциалов между ними равна нулю, а следовательно, нет необходимости ее компенсировать, чтобы получить ток в канале.

Другой способ уменьшения порогового напряжения заключается в увеличении удельной емкости затвор — канал, что способствует увеличению крутизны характеристики транзистора, т. е. его управляющего действия, так как чем больше эта емкость, тем больше заряд наводится в канале с помощью напряжения затвора при прочих равных условиях. Замена диэлектрика SiO2 с диэлектрической проницаемостью = 4,5 на диэлектрик Si3N4 (нитрид кремния) с и дает возможность получить большую удельную емкость и снизить напряжение отсечки.

МДП-резисторы. В ИМС на основе МДП-транзисторов в качестве резистора используется сам транзистор, т. е. его выходное сопротивление. В этом случае сопротивление резистора зависит от схемы включения транзистора — резистора, от соотношения между напряжением и .

МДП-конденсаторы. В этих конденсаторах использована обычная МДП-структура. Верхняя обкладка — затвор, диэлектрик — двуокись кремния, нижняя обкладка — полупроводник.

Следует отметить специфические особенности МДП-конденсатора по сравнению с конденсатором с двумя металлическими пластинами. Наличие полупроводника в качестве одной из обкладок создает зависимость между емкостью МДП-конденсатора и приложенным напряжением, так как в отличие от металла, где заряд сосредоточен на’ его поверхности, в слое полупроводника под действием приложенного напряжения будет меняться концентрация носителей в слое у поверхности диэлектрика.

Рассмотрим МДП-конденсатор (рис. 19.5) с N-полупроводником в качестве обкладки. Если поданное напряжение имеет плюс па затворе, то возникшее электрическое поле притянет электроны к поверхности диэлектрика, резко повысится концентрация основных носителей в приповерхностном слое, т. е. возникнет режим обогащения. Это позволяет рассматривать полупроводниковую обкладку конденсатора по своим свойствам близкой к металлической и расчет удельной емкости вести по обычной формуле — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, d — его толщина.

Е

Рис. 19.5. Структура МДП-конденсатора

сли приложить напряжение минусом на затворе, возникает режим обеднения, электроны будут отталкиваться от поверхности диэлектрика в глубь полупроводника и под этой поверхностью образуется слой, в котором будут отсутствовать электроны, а заряд положительного знака будет образован неосновными носителями — дырками. Таким образом, в отличие от диффузионных конденсаторов в биполярных структурах, работающих только при одной полярности напряжения смещения, МДП-транзисторы могут работать при любой полярности, что является большим достоинством этих конденсаторов.

Общая емкость МДП-конденсатора зависит от площади и толщины слоя диэлектрика. Для уменьшения потерь в полупроводниковой обкладке на ее сопротивлении используется слой с большой концентрацией N+. При толщине слоя диэлектрика d=(0,05… …0,1) мкм 500… 700 пФ/мм2, . Чем тоньше слой диэлектрика, тем больше удельная емкость, но меньше напряжение пробоя. Следует отметить, что МДП-конденсаторы могут быть использованы как переменные емкости, в частности МДП-варикапы или варакторы.

РАЗНОВИДНОСТИ ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

Анализ ПЗС с трехтактным питанием. ПЗС состоит из входного устройства, системы переноса зарядов и выходного устройства. Входное устройство содержит исток Р+ и управляющий затвор. При подаче входного напряжения на управляющий затвор под ним образуется канал и происходит переброс дырок из истока в первую ячейку системы переноса — МДП-конденсатор.

В схемах с трехтактным питанием все ячейки объединены в три секции. В первой секции объединены все ячейки, расположенные под номерами 1, 4, 7, 10 и т. д., во вторую секцию — под номерами 2, 5, 8, 11 и т. д., в третью — 3, 6,9, 12 и т. д. На ячейки от специального тактового генератора подаются обратные напряжения через три контактные площадки с выводами от каждой ячейки МДП-конденсатора (рис. 19.6,а). Более высокое обратное напряжение подается на одну из трех ячеек, на две других — меньшее напряжение.

Такт 1 (рис. 19.6,6). Более высокое обратное напряжение подано на секцию 1, при этом на первую ячейку поступила информация в виде электрического сигнала, который надо передать на выход (допустим, логическая единица). Это значит, что в потенциальной яме первой ячейки накоплен определенный заряд, несущий информацию единицы. Так как на соседней ячейке потенциал ниже, то этот заряд накоплен и хранится до следующего такта.

Такт 2 (рис. 19.6,б). На секцию 2 подается повышенное напряжение, на секции 1 и 3 — пониженное. Так как под второй ячейкой образовалась глубокая потенциальная яма; то заряд первой ячейки перейдет во вторую и будет там храниться. Обратное напряжение на второй ячейке больше, чем на первой и третьей, поэтому заряд не может уйти на эти ячейки,- так как между ними создано тормозящее поле.

Такт 3 (рис. 19.6,г). На секцию 3 подается повышенное напряжение, на секции 1 и 2 — пониженное. В этом случае между второй и третьей ячейкой создается ускоряющее поле для электронов и заряд со второй ячейки перемещается в третью.

Таким образом осуществляется направленный перенос зарядов со входа на выход. Выходной электрод — сток Р+.

Анализ ПЗС с двухтактным питанием. Такие ПЗС проще по конструкции ПЗС с трехтактным питанием, так как требуют всего две шины питания и две контактные площади. Однако при этом возникает трудность — симметрия слева и справа, каждой ячейки ПЗС по отношению к двум соседним, так как по обе стороны данной ячейки существуют две глубокие потенциальные ямы и заряд будет передаваться в оба направления. Чтобы избежать этого явления, искусственно создается асимметрия, для чего под каждым затвором МДП-конденсатора толщина меняется так, чтобы в сторону переноса, например направо, толщина была меньше. Чем меньше толщина диэлектрика, тем поле обратного напряжения действует сильнее и глубина потенциальной ямы будет больше. В результате создается электрическое поле переноса только в одном направлении. Существуют и другие разновидности ПЗС.

Завод биполярных транзисторов

, производственная компания OEM / ODM по изготовлению биполярных транзисторов на заказ

Всего найдено 55 заводов и компаний по производству биполярных транзисторов с 165 продуктами. Выбирайте высококачественные биполярные транзисторы из нашего огромного набора надежных заводов по производству биполярных транзисторов. Бриллиантовый член
Тип бизнеса: Торговая компания
Основные продукты: Транзистор , ИС, Выпрямитель
Собственность завода: Общество с ограниченной ответственностью
Расположение: Шэньчжэнь, Гуандун
Основные рынки: Южная Америка , Европа , Другие , Юго-Восточная Азия / Ближний Восток
Персонал: 5-50 человек
Золотой член
Тип бизнеса: Производитель / Factory
Основные продукты: Конденсатор, танталовый конденсатор, конденсатор SMD, интегральная схема, транзистор
Mgmt.Сертификация:

ISO 9001, ISO 9000, ISO 20000

Собственность завода: Общество с ограниченной ответственностью
Объем НИОКР: OEM, ODM, собственный бренд
Расположение: Шэньчжэнь, Гуандун
Золотой член
Тип бизнеса: Торговая компания
Основные продукты: ИС, треугольник, электронные компоненты, активные компоненты, пассивные компоненты
Mgmt.Сертификация:

FSC

Собственность завода: Частный собственник
Объем НИОКР: OEM
Расположение: Шэньчжэнь, Гуандун
Золотой член
Тип бизнеса: Производитель / Factory , Торговая компания
Основные продукты: Модуль Drawbench IC Регулятор Диоды Линейный Powe, Конденсатор Walsin Mlcc, Электронные компоненты
Собственность завода: Общество с ограниченной ответственностью
Объем НИОКР: OEM, ODM, собственный бренд
Расположение: Ухань, Хубэй
Производственные линии: 1
Тип бизнеса: Производитель / Factory , Физические лица / SOHO
Основные продукты: Транзистор , диод, конденсатор, резистор, полупроводники
Mgmt.Сертификация:

ISO 9001, ISO 14001

Собственность завода: Общество с ограниченной ответственностью
Расположение: Шэньчжэнь, Гуандун
.
Тип бизнеса: Производитель / Factory
Основные продукты: IC Wafer (литейный цех), планарный МОП-транзистор, , биполярный, , мощный, , транзистор, , малосигнальный, , транзистор, , выпрямители Шоттки,
Расположение: Цзилинь, Цзилинь
Тип бизнеса: Производитель / Factory
Основные продукты: Диод, Транзистор , резистор, конденсатор, танталовый конденсатор
Mgmt.Сертификация:

ISO 9001, ISO 14001, EICC

Собственность завода: Общество с ограниченной ответственностью
Расположение: Дунгуань, Гуандун
,Структура и изготовление биполярного транзистора

»Примечания по электронике

Основные сведения о структуре типичных биполярных транзисторов с пояснениями, помогающими понять, как они работают.


Transistor Tutorial:
Основы транзисторов Усиление: Hfe, hfe и бета Характеристики транзистора Коды нумерации транзисторов и диодов Выбор транзисторов на замену


Изготовление биполярных транзисторов и их структура прошли долгий путь с момента создания первых транзисторов.

Современные транзисторы изготавливаются с использованием сложных процессов, а структура транзистора позволяет им иметь очень высокие уровни производительности.

Оригинальный транзистор, сделанный Бардином, Браттейном и Шокли, состоял из двух очень близко расположенных контактов на германиевой основе. Конструкция этого транзистора состояла из двух точечных контактов на германиевой базе.

Сегодня транзисторы изготавливаются разными способами и имеют множество различных структур.Они могут быть диффузными, эпитаксиально выращенными или они могут использовать меза-конструкцию.

2N3553 transistor in a TO39 metal can Транзистор 2N3553 в металлической банке ТО39

Структура биполярного транзистора: основы

По сути, транзистор состоит из области полупроводника любого p-типа n-типа, зажатой между областями кремния с противоположным легированием. Таким образом, устройства могут иметь конфигурацию p-n-p или n-p-n.

Есть три соединения: эмиттер, база и коллектор. База находится в центре и ограничена эмиттером и коллектором.Из двух внешних двух коллектор часто делают больше, так как именно здесь рассеивается большая часть тепла.

Transistor basic structure and circuit symbols Базовая структура транзистора и условные обозначения схем

База получила свое название от транзисторов с первым точечным контактом, центральное соединение которых также сформировало механическую «базу» для структуры. Важно, чтобы эта область была такой же тонкой, чтобы достичь высоких уровней усиления по току. Часто это может быть только около 1 мкм в поперечнике.

Эмиттер — это место, где носители тока «испускаются», а коллектор — это место, где они «собираются».

Структура точечного транзистора

Самые ранние транзисторы использовали структуру точечного контакта. Эту структуру транзистора было легко изготовить с использованием очень низкотехнологичного оборудования, но она не была надежной.

Как видно из названия, в этой структуре биполярного транзистора используются провода для точечного контакта с полупроводниковым материалом.

Diagram of the structure of a point contact bipolar transistor showing the base semiconductor and the two wires forming point contacts onto the semiconductor. Конструкция точечного транзистора

Конструкция соединения легированная

Другой структурой транзистора, которая широко использовалась на заре транзисторов, был переход из сплава.

Diagram of the structure of an alloyed junction bipolar transistor structure showing the base semiconductor and the two p+ areas forming the emitter and collector. Структура транзистора с легированным переходом

В конструкции транзистора с переходом из сплава использовался кристалл германия в качестве основы для всей структуры, а также в качестве базового соединения. Затем валики сплава эмиттера и коллектора были сплавлены с противоположных сторон. За годы производства было разработано несколько типов улучшенных транзисторов с переходом из сплава.

Транзисторы с переходом из сплава стали устаревшими в начале 1960-х годов с появлением планарного транзистора, который можно было легко производить в серийном производстве, в то время как транзисторы с переходом из сплава приходилось изготавливать индивидуально.

Диффузионные транзисторы

В отличие от предыдущих транзисторных структур, в которых контакты были добавлены к полупроводниковому кристаллу извне, диффузионный транзистор позволял создавать различные области транзистора путем диффузии примесей в полупроводниковый кристалл для получения областей требуемых характеристик, p-типа, n -тип, p +, n + и т. д.

В самых первых диффузионных транзисторах использовалась структура транзисторов с диффузной базой. У этих транзисторов все еще были эмиттеры из сплава, и они даже иногда имели коллекторы из сплава, как более ранние транзисторы с переходом из сплава.В подложку диффундировала только основа, хотя иногда подложка образовывала коллектор.

Планарная структура транзистора

Планарная транзисторная структура была разработана в Fairchild Semiconductor в 1959 году и представляет собой крупный технологический прорыв. Это не только упростило изготовление биполярных транзисторов, но и заложило основу для будущей технологии интегральных схем.

Планарная транзисторная структура также включает пассивирующий слой на внешних областях кристалла.Это защищает края перехода от загрязнения и позволяет использовать гораздо менее дорогую пластиковую упаковку без риска ухудшения характеристик транзистора в результате загрязнения, попадающего в кристаллическую решетку, особенно в областях вокруг переходов.

Удивительно, но первые планарные транзисторы имели более низкие уровни производительности по сравнению с их соединением из сплавов, но транзисторы с диффузной планарной структурой можно было производить массово, и в результате они стоили намного дешевле, что делало их очень привлекательным вариантом.Однако первые трудности были преодолены, и планарные транзисторы предлагают очень высокий уровень производительности.

Simplified diagram of the structure of a planar junction bipolar transistor structure showing the base semiconductor and the areas forming the emitter, base and collector. Упрощенная структура планарного транзистора

Стоит отметить, что площадь коллектора имеет больший объем, чем эмиттер. Хотя во многих отношениях два терминала можно поменять местами, коллектор — это место, где рассеивается наибольшая мощность, и поэтому он сделан с большим объемом.

Также видно, что в этом транзисторе протекание тока происходит в вертикальной плоскости на схеме.

Есть и другие различия в уровнях легирования, используемых в структуре транзистора. Легирование эмиттера обычно выше, чем легирование базы, что обеспечивает высокую эффективность инжекции. Также легирование коллектора ниже, чем легирование базы.

Распространенным подходом к формированию эмиттерного и базового переходов является использование процесса, известного как метод двойной диффузии. Используя технику двойной диффузии, сначала выполняется диффузия базовой площади, чтобы обеспечить большую базовую площадь.Затем меньшая площадь эмиттера рассеивается с более высоким уровнем примеси, чтобы обеспечить более мелкий эмиттер с более сильным легированием.

Боковая планарная структура транзистора

В некоторых случаях может быть выгодно иметь боковую транзисторную структуру.

Diagram of the structure of a lateral planar junction bipolar transistor structure noting that current flow is in the horizontal plane on the diagram. Боковая планарная структура транзистора

Из этой диаграммы видно, что ток протекает в горизонтальной плоскости, а не в вертикальной плоскости. Этот формат имеет преимущества в некоторых приложениях, но требует большего количества процессов распространения и поэтому является более сложным и, следовательно, более дорогим.Таким образом, он используется только тогда, когда этого требуют характеристики и характеристики.

Легирование и профили легирования транзисторов

Какой бы метод конструкции ни использовался для транзистора, базовый слой остается очень тонким. Обычно он составляет менее 1 мкм для высокого усиления по току.

Для большинства транзисторов с биполярным переходом ток протекает в вертикальной плоскости, хотя при необходимости возможна боковая структура.

Что касается уровней легирования в структуре транзистора, легирование эмиттера обычно является самым высоким.Это обеспечивает максимальную эффективность впрыска. Далее идет базовый допинг. Наконец, коллектор получает самый низкий уровень легирования, так что функция нейтральной базы является слабой функцией напряжения базы коллектора.

Типичный профиль легирования для структуры транзистора показывает различные области транзистора с их уровнями легирования.

Typical doping profile for standard silicon transistor Типичный профиль легирования для стандартного кремниевого транзистора (NPN)

Как видно из структурной схемы транзистора, легирование эмиттера намного выше, чем у основания коллекторных областей.

Хотя транзисторы могут работать с перевернутыми эмиттером и коллектором, производительность будет ниже. В результате неправильного уровня допинга. Кроме того, коллектор стал больше и может легче отводить тепло, так как это область структуры транзистора, где рассеивается большая часть тепла.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды транзистор Фототранзистор FET Типы памяти тиристор Соединители Разъемы RF Клапаны / трубки батареи Выключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты»., ,

.Биполярный транзистор

(BJT) и его применение

BJT

был изобретен в 1948 году Уильямом Шокли, Браттейном и Джоном Бардином, который изменил не только мир электроники, но и нашу повседневную жизнь. В транзисторах с биполярным переходом используются как электронные, так и дырочные носители заряда. Безразлично, что униполярные транзисторы, такие как полевые транзисторы, используют только один вид носителей заряда. Для работы BJT использует два полупроводника n-типа и p-типа между двумя переходами.Основная основная функция BJT — усиление тока, что позволит использовать BJT в качестве усилителей или переключателей для широкого применения в электронном оборудовании, включая мобильные телефоны, промышленное управление, телевидение и радиопередатчики. Доступны два разных типа BJT: NPN и PNP.

Что такое BJT?

Транзистор с биполярным переходом — это твердотельное устройство, и в BJT ток протекает на двух выводах, эмиттер и коллектор, а величина тока регулируется третьим выводом i.е. базовый терминал. Он отличается от другого типа транзистора, то есть полевого транзистора, выходной ток которого регулируется входным напряжением. Базовый символ БЮТ n-типа и p-типа показан ниже.


Bipolar Junction Transistors Bipolar Junction Transistors Биполярные переходные транзисторы

Типы биполярных переходных транзисторов

Как мы видели, полупроводники обладают меньшим сопротивлением протеканию тока в одном направлении, а высокое сопротивление — в другом направлении, и мы можем назвать транзистор режимом устройства полупроводника.Биполярные переходные транзисторы состоят из транзисторов двух типов. Который нам дал

  • Точечный контакт
  • Соединительный транзистор

При сравнении двух транзисторов, переходных транзисторов используется больше, чем точечных транзисторов. Кроме того, переходные транзисторы подразделяются на два типа, которые приведены ниже. Для каждого переходного транзистора имеется по три электрода: эмиттер, коллектор и база

  • Переходные транзисторы PNP
  • Переходные транзисторы NPN

Переходные транзисторы PNP

В транзисторах PNP эмиттер более положительный с базой, а также с респект коллекционеру.Транзистор PNP представляет собой трехконтактное устройство, изготовленное из полупроводникового материала. Три клеммы — это коллектор, база и эмиттер, а транзистор используется для коммутации и усиления. Работа транзистора PNP показана ниже.

Обычно клемма коллектора подключается к положительной клемме, а эмиттер — к отрицательному источнику питания с помощью резистора в цепи эмиттера или коллектора. К клемме базы подается напряжение, и транзистор работает в состоянии ВКЛ / ВЫКЛ.Транзистор находится в выключенном состоянии, когда базовое напряжение равно напряжению эмиттера. Режим транзистора находится в состоянии ВКЛ, когда напряжение базы уменьшается по отношению к эмиттеру. Используя это свойство, транзистор может работать как с переключателем, так и с усилителем. Базовая схема транзистора PNP показана ниже.

PCBWay PCBWay

Переходный транзистор NPN

Транзистор NPN прямо противоположен транзистору PNP. Транзистор NPN содержит три вывода, которые аналогичны транзистору PNP: эмиттер, коллектор и база.Транзистор NPN работает:

Обычно положительное питание подается на вывод коллектора, а отрицательное питание — на вывод эмиттера с помощью резистора в цепи эмиттера, коллектора или эмиттера. К клемме базы подается напряжение, и она работает как состояние ВКЛ / ВЫКЛ транзистора. Транзистор находится в выключенном состоянии, когда напряжение базы такое же, как и на эмиттере. Если напряжение базы увеличивается относительно эмиттера, то транзисторный режим находится в состоянии ВКЛ.Используя это условие, транзистор может работать как в усилителе, так и в переключателе. Базовый символ и диаграмма конфигурации NPN, как показано ниже.

PNP & NPN Junction Transistor PNP & NPN Junction Transistor PNP и NPN переходной транзистор

Гетеро-биполярный переход

Гетеро-биполярный переходный транзистор также является типом биполярного переходного транзистора. Он использует различные полупроводниковые материалы для эмиттерной и базовой области и создает гетеропереход. HBT может обрабатывать одиночные сигналы очень высоких частот в несколько сотен ГГц, как правило, он используется в сверхбыстрых цепях и в основном используется в радиочастотах.Его приложения используются в сотовых телефонах и усилителях мощности RF.

Принцип работы BJT

Переход BE — это прямое смещение, а CB — обратное смещение. Ширина обедненной области CB-перехода больше, чем BE-перехода. Прямое смещение в BE-переходе снижает барьерный потенциал и заставляет электроны течь от эмиттера к базе, а база тонкая и слегка легированная, в ней очень мало дырок и меньше электронов от эмиттера, около 2% он рекомбинирует в область основания с отверстиями, и из клеммы основания она потечет.Это инициирует ток базы из-за комбинации электронов и дырок. Оставшееся большое количество электронов пройдет через коллекторный переход обратного смещения, чтобы инициировать ток коллектора. Используя KCL, мы можем наблюдать математическое уравнение

I E = I B + I C

Базовый ток очень меньше по сравнению с током эмиттера и коллектора

I E ~ I C

Здесь работа транзистора PNP такая же, как и у транзистора NPN, единственная разница только в дырках вместо электронов.На приведенной ниже диаграмме показан PNP-транзистор области активного режима.

Working Principle of BJT Working Principle of BJT Принцип работы BJT
Преимущества BJT
  • Высокая управляемость
  • Высокочастотная работа
  • В семействе цифровых логических схем есть эмиттерно-связанная логика, используемая в BJT в качестве цифрового переключателя
Применения BJT

Ниже приведены два различных типа приложений в BJT:

В этой статье дается информация о том, что такое биполярный переходной транзистор, типах BJT, преимуществах, применениях и характеристиках биполярных переходных транзисторов.Я надеюсь, что приведенная в статье информация будет полезна для получения хорошей информации и понимания проекта. Кроме того, если у вас есть какие-либо вопросы относительно этой статьи или проектов в области электротехники и электроники, вы можете оставить комментарий в разделе ниже. Вот вам вопрос, если транзисторы используются в цифровых схемах, они вообще работают в каком регионе?

Фото:

.

Транзисторы ПНП-НПН —

КАТЕГОРИИ

Силовые транзисторы Свернуть меню

  • IGBTs (283)
    • STPOWER IGBT 300-400 В (с зажимом) (12)
    • STPOWER IGBT 600-650 В (221)
      • Серия 600V H — Средняя скорость (от 8 до 30 кГц) (21)
      • Серия 600 В V — очень высокая скорость (от 50 до 100 кГц) (39)
      • Серия 650V HB — высокая скорость (от 16 до 60 кГц) (47)
      • Серия 650V HB2 — высокая скорость (от 16 до 60 кГц) (22)
      • Серия 650V IH — мягкое переключение (от 16 до 60 кГц) (4)
      • Серия 650V M — низкие потери (от 2 до 20 кГц) (29)
    • STPOWER IGBT> = 1200 В (35)
      • Серия 1200V H — высокая скорость (от 20 до 100 кГц) (12)
      • Серия 1200 В M — низкие потери (от 2 до 20 кГц) (10)
      • Серия 1200V S — с низким падением напряжения (до 8 кГц) (3)
      • Серия 1250V IH — плавное переключение (от 16 до 60 кГц) (4)
    • IGBT STPOWER Голая матрица (15)
  • Биполярное питание (178)
    • Транзисторы от 500 В до 1000 В (27)
    • Транзисторы <500 В (89)
    • > Транзисторы на 1000 В (14)
    • Darlingtons
.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.