Расчёт статического коэффициента передачи тока базы с учётом эффектов высокого уровня легирования эмиттера и особенностей профиля легирования

Для обеспечения высокого коэффициента инжекции, а, следовательно, и статического коэффициента передачи тока, эмиттер легируют сильнее, чем базу. Высокий уровень легирования в эмиттере приводит к сужению ширины запрещенной зоны, уменьшению времени жизни и диффузионной длины носителей тока. Поскольку эмиттер легирован неоднородно, сужение ширины запрещённой зоны также неравномерно по толщине эмиттера. Неравномерное легирование эмиттера и неоднородное по толщине эмиттера сужение запрещённой зоны вызывают появление электрических полей в области эмиттера [12]. Эти поля и изменение электрофизических характеристик эмиттера влияют на движение носителей в эмиттере, а следовательно, и на коэффициент инжекции.

Рассчитаем времена жизни и диффузионные длины носителей в эмиттере. Будем считать, что напряжение на эмиттерном переходе в активном режиме равно 0,5 В

Определим градиент концентрации примеси на эмиттерной границе ОПЗ. В начале рассчитаем координату границы ОПЗ в эмиттере

Рассчитаем зависимость градиента концентрации суммарной примеси в эмиттере от координаты

Рассчитаем напряженность электрического поля в эмиттере, вызванную градиентом концентрации примеси в эмиттере

Определим напряженность поля на краю эмиттера у ОПЗ, вызванную изменением ширины запрещенной зоны, используя эмпирические константы и [12].

Результирующую напряжённость силового поля определим как сумму

Определим подвижности основных и неосновных носителей заряда в зависимости от координаты.

Рисунок 4 - Зависимость подвижности дырок в эмиттере от координаты

Определим подвижность электронов на участке, отстоящем на две ширины ОПЗ в эмиттере. В дальнейшем необходимо усреднить подвижность на участке равном эффективной диффузионной длине (величина эффективной диффузионной длины заранее не известна).

Рассчитаем средний коэффициент диффузии электронов в эмиттере на границе ОПЗ:

По известным значениям подвижностей электронов и дырок рассчитаем времена жизни в исходном материале, т.е. в подложке:

Рассчитаем время жизни электронов в эмиттере. Необходимо учесть, что при проведении технологических операций время жизни уменьшается на один-два порядка. Зададим это уменьшение величиной c = 0,1. Зависимость времени жизни от концентрации учитывается следующей эмпирической формулой.

Рисунок 5 - Зависимость времени жизни в эмиттере от координаты

Рассчитаем диффузионную длину электронов в эмиттере:



Рисунок 6 - Зависимость диффузионной длины электронов в эмиттере от координаты

Рассчитаем фактор электрического поля в эмиттере:

Эффективная диффузионная длина электронов в эмиттере определяется для учёта электрического поля за счёт высокого уровня легирования:

Рассчитаем эффективную концентрацию собственных носителей с учетом уменьшения ширины запрещенной зоны:



Рисунок 7 - Зависимость эффективной концентрации собственных носителей в эмиттере от координаты

Усредним эффективную концентрацию на диффузионной длине:

Определим электронную составляющую тока насыщения эмиттерного прехода при низком уровне инжекции:

Эффект Кирка

Сущность эффекта Кирка заключается в том, что при большой плотности тока происходит компенсация заряда ионизированных примесей подвижными носителями в части коллекторного перехода примыкающего к базе. В результате эта часть становится электрически нейтральной. При этом происходит расширение базы в сторону коллектора. Это ведёт к снижению времени пролёта и коэффициента переноса неосновных носителей. Для борьбы с этим эффектом необходимо увеличивать площадь коллекторного перехода (снижать плотность тока в коллекторном переходе).

При сильном увеличении плотности тока база достигает границы p-коллектора и при дальнейшем увеличении проникает в область коллектора. В пределе ширина базы может достигнуть границы подложки. Построим зависимость предельного тока от напряжения (рис. 8):

Рисунок 8 - Зависимость плотности тока, при которой возникает эффект Кирка, от напряжения

Построим зависимость ширины базы от инжектированного тока. Ширина базы является функцией двух переменных и . Зависимость считается при постоянном значении . Для расчёта требуется значение координаты границы коллекторной ОПЗ в базе до проявления эффекта Кирка. Поскольку MathCad проводит этот расчёт для каждого нового значения тока, хотя значение этой величины не меняется, то время расчёта оказывается неприемлемо большим. Поэтому будем рассчитывать всего три зависимости ширины базы от тока. Для этого предварительно вычислим соответствующие этим напряжениям координаты границ , и . Из этого будет следовать, что зависимости коэффициента передачи от тока будут строиться для этих трёх значений напряжения. Величины этих значений выберем на краях и в середине диапазона напряжений, которые могут быть на коллекторе транзистора:

Создадим программу вычисления функции в среде MathCad. Функция имеет смысл, когда . На рисунке 8 приведены зависимости ширины базы от величины тока коллектора при напряжениях коллектор-база .

Рисунок 9 - Зависимость ширины базы от тока коллектора при различных значениях

Время жизни носителей в базе зависит от уровня инжекции. Низким уровнем инжекции считается ток примерно в 10 раз меньший, чем граничный.

При высоком уровне инжекции среднее время жизни дырок в базе можно рассчитать по следующей формуле [12]:

При низком уровне инжекции среднее время жизни дырок в базе можно рассчитать по следующей формуле:



Среднее время жизни дырок в базе при максимальном и = 2 А:

Рассчитаем заряд ионов примесей в базе:

Определим постоянную накопления заряда в базе:

Рассчитаем характеристический ток :

Определим дырочную составляющую тока насыщения эмиттерного перехода при низком уровне инжекции:

Ширина эмиттерной части ОПЗ:

Определим статический коэффициент передачи тока базы. Первый член выражения для коэффициента передачи обусловлен рекомбинационными потерями дырок в объеме базы, второй - дефектом инжекции эмиттера, третий - наличием рекомбинации носителей заряда в ОПЗ эмиттера.

Рисунок 10 - Зависимость статического коэффициента передачи тока базы от тока коллектора при различных напряжениях коллектор-эмиттер () и соответствующих значениях тока базы ()

Спад коэффициента передачи в области малых токов обусловлен рекомбинацией носителей заряда в ОПЗ эмиттера, а в области больших токов - уменьшением коэффициента инжекции.

Создадим программу вычисления функции в среде MathCad. Семейство её графиков приведено ниже.



Рисунок 11 - Семейство выходных характеристик транзистора при различных токах базы

Для более точного построения выходных вольт-амперных необходимо использовать одну из моделей транзистора (Эберса-Молла, Гумеля-Пуна и др.) в которую надо подставить найденные прямой и инверсный коэффициенты передачи тока базы. Для приближённой оценки вида выходной ВАХ можно положить напряжение насыщения постоянным.5.16. Расчет импульсных характеристик

В результате расчёта импульсных характеристик должны быть определены времена включения и выключения транзистора в схеме с общим эмиттером. Время включения состоит из времени задержки (практически это время заряда барьерной ёмкости эмиттерного перехода) и времени нарастания тока коллектора. Время выключения состоит из времени рассасывания заряда в базе и времени спада . Рассасывание заряда в базе имеет место при работе транзистора в режиме насыщения. Для определения времени нарастания следует усреднить значение барьерной ёмкости эмиттера. Рекомендуется выбирать усреднённое значение [12]. Рассчитаем время задержки при заданном токе базы 0,08А, полагая, что установившееся значение напряжения на эмиттерном переходе будет равно 0,7 В.



Для определения времени нарастания тока коллектора необходимо знать сопротивление нагрузки и напряжение источника напряжения коллектор-эмиттер. Однако, поскольку задано напряжение коллектор-база, для которых определяется время нарастания, примем значение напряжения равное этому напряжению. Сопротивление нагрузки найдём разделив заданное напряжение на заданный ток коллектора. Кроме этого для расчёта необходимо знать среднюю ёмкость коллекторного перехода, средний коэффициент передачи тока базы и эффективное время жизни дырок в базе. При напряжении источника питания многим большим контактной разности потенциалов в коллекторном переходе для резкого коллекторного перехода среднее значение ёмкости коллектора принимается в два раза большим, ёмкости перехода при напряжении на коллекторе, равном источнику питания [12]. Положим, что среднее значение коэффициента передачи соответствует половине заданного значения тока коллектора при напряжении равном половине максимального на коллекторном переходе. Допустим, что эффективное время жизни дырок в базе равно среднему времени жизни дырок при напряжении коллектор-база, равному половине максимального напряжения.

Определим ток базы , при превышении которого, происходит переход транзистора в режим насыщения:

Определим время нарастания тока и время включения:

Рассчитанное время включения меньше заданного 0,4 мкс.

Рассчитаем время выключения транзистора.

Вначале определим время рассасывания неравновесного заряда в базе. Рассасывание неравновесных зарядов происходит как в активной, так и пассивной базе, а также в высокоомной части коллектора. Основную часть рассасываемого заряда составляет заряд электронов в коллекторе [9], поскольку концентрация электронов на границе коллекторного перехода существенно выше концентрации дырок на границе коллекторного перехода. Поэтому вначале определим время жизни электронов в коллекторном переходе. Для этого определим подвижность и коэффициент диффузии электронов в коллекторе. Если длина высокоомной части коллектора без области пространственного заряда и запаса под окисление больше диффузионной длины электронов в коллекторе, то следует в формуле для расчёта времени рассасывания использовать время жизни электронов в коллекторе. Если нет - то время пролёта электронов.

Поскольку , то рассасывание заряда неравновесных носителей в области коллектора будет определяться временем пролёта электронов , а не временем жизни .

Определим время спада [12], когда ток коллектора уменьшается до 0,1 своего значения при выключении транзистора:



Рассчитаем время выключения как сумму времён рассасывания и спада:

5. Основные технологические процессы при производстве прибора

Технология полупроводникового производства базируется на таких сложных прецизионных процессах обработки, как фото- и электронолитография, оксидирование, ионноплазменное распыление, ионная имплантация, диффузия, термокомпрессия и др [6]. К материалам, используемым в производстве приборов и микросхем, предъявляют высокие требования по чистоте и совершенству структуры. Для осуществления большинства технологических операций используют уникальное по характеристикам оборудование: оптико-механическое, термическое, ионно-лучевое. Процессы осуществляются в специальных обеспыленных помещениях с заданными влажностью и температурой [6].

Технологический маршрут [6] --это последовательность технологических операций обработки полупроводниковых пластин, применяемых для изготовления данного типа полупроводникового прибора. Документом, содержащим описание маршрута, является маршрутная карта. Она позволяет судить о перемещении изготовляемого прибора по всем операциям, указывает оборудование, материалы, трудовые нормативы и средства контроля. Проведение каждой технологической операции регламентируется операционной картой, содержащей описание операции с указанием технологических режимов изготовления структуры или прибора и технологической оснастки. Технологические процессы изготовления различных полупроводников многообразны. Можно выделить ряд общих технологических операций и примерно одинаковую их последовательность. Типовым маршрутом изготовления планарного полупроводника определяется последовательность из ряда основных операций.

Технологические операции при изготовлении планарно-эпитаксиального транзистора [6]:

1. Подготовка пластин. Исходные полупроводниковые пластины--эпитаксиальные структуры, например p-p⁺-типа, или монокристаллические подложки с электропроводностью n- или р-типа, полученные в качестве полуфабриката с завода-изготовителя, подвергают очистке, промывке, травлению с целью удаления с поверхности пластин загрязнений и частиц пыли. Слой с электропроводностью p-типа в эпитаксиальной p-p⁺-структуре составит в будущих транзисторах коллекторную область.

2. Создание топологического рисунка. Чтобы в эпитаксиальной структуре сформировать области с электропроводностью n-типа, необходимо обеспечить проведение локальной диффузии через окна - отверстия в защитной маске. Размеры этих окон задают с помощью процесса фотолитографии. Маской, препятствующей диффузии, служит пленка диоксида кремния. Выращивание ее является необходимой стадией планарного процесса. Пленка диоксида кремния SiO₂ толщиной 0,3-1,0 мкм надежно предохраняет структуру от воздействия многих внешних факторов и диффузии примесей. На пленку наносят слой фоторезиста - фотоэмульсии, экспонируют его ультрафиолетовым светом через фотошаблон, содержащий множество идентичных изображений баз транзисторов с заданной конфигурацией и размерами. Засвеченные участки фоторезиста проявляются и обнажившуюся пленку SiO₂ удаляют.

3. Получение р-n-перехода база-коллектор. Для прецизионной дозировки количества вводимой в кристалл примеси атомов фосфора при создании области n-базы используют процесс ионной имплантации, заключающийся во внедрении ускоренных ионов в поверхность кристалла. Слой фоторезиста служит защитной маской, так как ионы, внедренные в фоторезист, не достигают поверхности диоксида. Чтобы сформировать базовую область и р-n-переход коллектор-база на требуемой глубине, используют последующую диффузионную разгонку внедренных атомов бора. Ее проводят в окислительной среде при высоких температурах. В результате формируется область базы с глубиной 2-3 мкм и на поверхности базовой области наращивается пленка SiО₂ толщиной 0,3-0,5 мкм.

4. Получение р-n-перехода эмиттер-база. Вначале формируют топологический рисунок эмиттерных областей, используя процесс фотолитографии по пленке SiO₂ над базовой областью. Одновременно вскрывают окна, задающие конфигурацию коллекторных контактов. Фоторезист удаляют и ведут диффузию фосфора с высокой концентрацией на малую глубину (до 1-1,5 мкм).

5. Контактная металлизация. Для присоединения к областям эмиттера, базы и коллектора электрических выводов необходимо металлизировать поверхности контактов. Предварительно проводят фотолитографическую обработку структуры для удаления пленки диоксида с нужных участков. Затем с помощью термического испарения в вакууме на всю поверхность пластины напыляют слой металла (например, алюминия) толщиной около 1 мкм, по которому проводят еще один процесс фотолитографии для удаления лишнего металла между областями контактов.

6. Сборка и герметизация. Пластина содержит от нескольких сотен до десятков тысяч отдельных транзисторов. Ее разрезают на отдельные структуры, называемые на данном этапе кристаллами. Кристалл напаивают на кристаллодержатель, осуществляют разводку - подсоединение электрических выводов к контактам базы, эмиттера и коллектора - и герметизируют, помещая в металлический корпус или заливая пластмассой.

7. Испытания приборов. Для оценки параметров и надежности приборов до их поступления в отдел технического контроля производят электрические, климатические и механические испытания. Они важны для правильной информации о качестве и надежности приборов. Помимо этого каждая технологическая операция сопровождается контролем качества обработки, например измерением глубины диффузии, толщины эпитаксиального слоя, удельного или поверхностного сопротивления. После того как в структуре созданы p-n-переходы, производят контроль электрических параметров -- напряжения пробоя, тока утечки, емкости. В технологическом маршруте предусмотрены специальные контрольные карты.

6. Разработка корпуса прибора

КТ501А выпускаются в металлическом корпусе с гибкими выводами. Масса транзистора не более 0,6 г [5].

Для защиты полупроводникового кристалла с активными и пассивными элементами от внешних механических, климатических и световых воздействий его помещают в специальный корпус. Корпус является важным элементом полупроводникового прибора, от конструкции которого во многом зависят их надёжность и нормальная работоспособность.

Основные функции корпуса [6]:

· объединение всех элементов прибора в единый комплекс;

· отвод теплоты от полупроводникового кристалла;

· предотвращение передачи механических напряжений к кристаллу;

· обеспечение изоляции токоведущих частей;

· защита от влаги, газов и агрессивных сред.

По виду оболочки корпуса могут быть [6] стеклянные, металлостеклянные, металлокерамические, металлические с проходными изоляторами и пластмассовые.

К корпусам полупроводниковых приборов предъявляют высокие требования по механической устойчивости, герметичности, циклическим изменениям повышенных и пониженных температур, тропикоустойчивости и устойчивости к космической радиации.

Прохождение тока через полупроводниковый прибор сопровождается его нагревом. При изготовлении полупроводниковых приборов важно обеспечить наилучший отвод тепла.

Согласно ГОСТ 18472-82 все полупроводниковые приборы по форме корпуса, их габаритным и присоединительным размерам разбиты на соответствующие типы и их модификации. Каждому типу корпуса и его модификации присвоено обозначение. Все корпуса полупроводниковых приборов принято обозначать буквой К (корпус). Рядом с буквой К проставляют букву Т (транзистор), что даёт обозначение корпуса транзистора (КТ). После этих букв следует дефис и цифра, обозначающая номер модификации корпуса. Корпуса транзисторов имеют порядковые номера от КТ-1 до КТ-39 [6].

Для герметизации полупроводниковых кристаллов с транзисторными структурами n-p-n и p-n-p в основном используют металлические корпуса с проходными изоляторами и корпуса, выполненные с применением пластмасс [6].

Конструкции металлического корпуса с проходными изоляторами (КТ-1 - КТ-3, КТ-34, КТ-35), как правило, состоят из двух основных частей: ножки и баллона [8]. Полупроводниковый кристалл присоединяют к основанию ножки. Ножку корпуса изготавливают на основе спая стеклотаблетки из стекла С48-2 с отверстиями для выводов и фланца. Выводы и фланец - коваровые. Фланец представляет собой чашечку с отверстием и буртиком. В зависимости от модификации ножка может содержать от двух до пяти выводов, причём один из выводов приварен к металлическому фланцу и является базовым. Необходимо отметить, что благодаря наличию протяжённого металлостеклянного спая и большого объёма стекломассы ножка корпуса обладает хорошей механической прочностью и высокой надёжностью. Фланец ножки при штамповке за счёт смены пуансонов может иметь любое число отверстий для выхода изолированных друг от друга выводов. Аналогично изготовляют стеклотаблетку с двумя, тремя или четырьмя отверстиями. Таким образом, для изготовления ножек с различным числом выводов необходим один комплекс оснастки.

Металлические детали корпуса в зависимости от специфики применения транзистора имеют никелевое или золотое покрытие [6]. Наружные концы выводов для удобства монтажа в аппаратуре облуживают припоем ПОС-61 [6].

Баллон корпуса представляет собой полый цилиндр из стали СТ10 или никеля, на конце которого имеется буртик для соединения с ножкой корпуса. При герметизации корпуса баллон надевают на чашечку ножки, где он фиксируется буртиком ножки. Окончательную герметизацию проводят электроконтактной сваркой [6].

Заключение

Я рассчитывал биполярный транзистор КТ501А. В результате расчета получены параметры:

Параметры	Данные
	рассчитанные	табличные
Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером	4962	20 - 60
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером, МГц	28,85	5
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер, В	3,321Ч10-2	0,4
Ёмкость эмиттерного перехода, пФ	87,03	100

Если сравнить параметры, то видно, что рассчитанные параметры отличаются. Связано, во-первых, это с тем, что проводился расчет по формулам, которые не учитывают всех процессов, происходящих в транзисторе. Во-вторых, рассчитывается идеальный транзистор, который не учитывает всех особенностей реального. На самом деле имеется целый ряд трудностей, связанный с образованием дефектов упаковки, дислокаций скольжения (обусловленных эпитаксиальным выращиванием) и другие нарушения, сопутствующие технологическим операциям, которые искажают точность вычислений и могут привести к существенным отличиям.

Список используемых источников

1. Базылев В. К. Твёрдотельная электроника. Рязань: РГРТУ, 2011. 104 с.

2. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. СПб.: Лань, 2012. 480 с.

3. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К. М. Брежнева, Е. И. Гантман, Т. И. Давыдова, Г. Г. Коровин; Под ред. Б. Л. Перельмана. М.: Радио и связь, 1981. 656 с.

4. Курносов А. И., Юдин В. В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. М.: Высшая школа, 1986. 368 с.

5. Кремниевые планарные транзисторы / В. Г. Колесников и др.; Под ред. Федотова. М.: Сов. радио, 2009. 336 с.

6. Блихер А. Физика полевых и биполярных транзисторов / Пер. с англ.; Под ред. И. В. Грехова. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 286 с.

7. Электронные приборы: Учебник для вузов / В.Н. Дулин и др.; Под ред. Г.Г. Шишкина. 4-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1989. 496 с.

8. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы / Пер. с англ. А.Б. Переведенцева; Под ред. В.Д. Вернера. М.: Мир, 2008. 583 с.

9. Березин А.С., Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральных микросхем: Учебное пособие для вузов: Под ред. И.П. Степаненко. М.: Радио и связь, 1983. 232 с.

10. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов / Н.М. Тугов, Б.А. Глебов, Н.А. Чарыков; Под ред. В.А. Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 2010. 576 с.

Размещено на Allbest.ru