Расчёт и проектирование маломощных биполярных транзисторов

Саратовский Государственный Технический

Университет

Кафедра «Электронные приборы и устройства»

Курсовая работа

На тему:

«Расчёт и проектирование маломощных биполярных транзисторов»

Выполнил: ст. Козачук В. М.

Проверил: доц. Торопчин В. И.

САРАТОВ 1999г.

Оглавление.

Оглавление.

1. Введение

2. Цель задания

3. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

3.1 Техническое задание.

3.2 Параметры, выбранные самостоятельно.

3.3 Перечень используемых обозначений

4. Выбор технологии изготовления транзистора

4.1 Сплавно-диффузионные транзисторы.

4.2 Структура сплавно-диффузионного p-n-p

5. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

5.1 Расчёт толщины базы и концентраций примесей.

5.2 Расчет коэффициента передачи тока

5.3 Расчет емкостей и размеров переходов

5.4 Расчет сопротивлений ЭС и граничных частот

5.5 Расчет обратных токов коллектора

5.6 Расчет параметров предельного режима и определение толщины элементов кристаллической структуры

5.7 Расчёт эксплутационных параметров

6. Выбор корпуса транзистора

7. Обсуждение результатов

8. Выводы:

9. Список используемой литературы

1. Введение

Используемые физические свойства полупроводника известны и используются с конца 19 века. При изобретении радио А.С. Поповым был применен порошковый когерер, в котором использовались нелинейные свойства зернистых структур. В 1923-1924 гг. Лосев О.В. обнаружил наличие отрицательного дифференциального сопротивления и явление люминесценции в точечных контактных сопротивлениях карбида кремния. В 1940 году был изготовлен первый точечный диод. В 1948 году американский физик Дж. Бардии, а также И.Браштейн разработали и изготовили точечно-контактный транзистор, в 1952 г. впервые были созданы промышленные образцы плоскостных транзисторов. В 1956 г. началось производство транзисторов с базой, полученной методом диффузии. В начале 60-х годов была применена планарная технология изготовления транзисторов. В настоящее время рабочие частоты транзисторов достигают 50 ГГц. По уровню рассеиваемой мощности транзисторы делятся на маломощные, средней и большой мощности.

2. Цель задания

Задачей выполнения курсового проекта является разработка маломощного биполярного транзистора в диапазоне, средних и высоких частот.

Целью работы над проектом является приобретение навыков решения инженерных задач создания дискретных полупроводниковых приборов, углубление знаний процессов и конструктивно технологических особенностей биполярных маломощных транзисторов.

3. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

   1. Техническое задание.

Техническое задание содержит требования к параметрам и условиям эксплуатации практикуемого прибора. В данном случае наиболее существенны следующие параметры:

1. Номинальный ток коллектора I_{к ном}=9мА.

2. Номинальное напряжение коллектора U_{к ном}=13В

3. Верхняя граничная частота f_a=90МГц

4. Максимальная рассеивающая мощность Р_{к мах}=60мВт

5. Максимальное напряжение коллектора U_{к мах}=18В

6. Максимальный ток коллектора I_{к мах}=12мА

7. Максимальная рабочая температура транзистора Т_{к мах}=74°С

8. Коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ β=65

2. Параметры, выбранные самостоятельно.

1. Время жизни ННЗ τ_ср=5мкс

2. Материал кристалла Ge

3. Тип структуры p-n-p

4. Ёмкость коллекторного перехода С_к=2пФ

5. Коофициент запаса по частоте F Х₁=1,3

6. Перепад N_б Х₂= 500

7. Отношение концентраций N_ОЭ/ N_б=3

8. Толщина диффузионного слоя h_дс= мкм

9. Скорость поверхностной рекомбинации S_рек= слус

3. Перечень используемых обозначений

A_k - площадь коллектора;

А_э - площадь эмитера;

a - градиент концентрации примесей;

- отношение подвижностей электронов и дырок;

С_з.к зарядная (барьерная) емкость коллекторного перехода;

С_д.э - диффузионная емкость эмитерного перехода;

С_з.э - зарядная (барьерная) емкость эмитерного перехода;

Д_п, Д_р - коэффициенты диффузии электронов и дырок;

Д_нб, Д_об - коэффициенты диффузии не основных и основных носителей в базе;

Д_нэ, Д_оэ - коэффициенты диффузии не основных и основных носителей в эмиттере;

Е — напряженность электрического поля;

De - ширина запрещенной зоны;

¦ - частота;

¦_a - граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общей базой;

¦_Т » ¦_b - граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмитером;

¦_max - максимальная частота генерации;

h_kp - толщина кристалла;

h_э, h_k — глубина вплавления в кристалл эмитера и коллектора;

L_n, L_p - средние диффузионные длины электронов и дырок;

L_нб, L_нэ средние диффузионные длины не основных носителей в базе и эмитере;

N_б, N_k, N_э — концентрации примесей в базе, коллекторе и эмитере сплавного транзистора;

N_б(х) - концентрация примеси, формирующей проводимость базы дрейфового транзистора;

N_э(x) - концентрация примеси, формирующей проводимость эмиттера дрейфового транзистора;

n_i - равновесная концентрация электронов в собственном полупроводнике;

n_n, n_p - равновесные концентрации электронов в полупроводниках n - типа и p - типа;

Р - мощность, рассеиваемая в коллекторе;

P_{k max} - предельно допустимая мощность, рассеиваемая в коллекторе;

Р_э - периметр эмитера;

Р_n, Р_p - равновесные концентрации дырок в полупроводниках n -типа и p - типа;

R_б, R_э, R_к - радиусы электродов базы, коллектора, эмитера;

R_m, - тепловое сопротивление;

r_б - эквивалентное сопротивление базы;

r_б^’, r_б^’’ - омическое и диффузное сопротивление базы;

r_э - сопротивление эмитера без учета эффекта Эрле;

r_э^’ - сопротивление эмитера с учетом эффекта Эрле;

S — скорость поверхностной рекомбинации;

Т — абсолютная температура;

Т_к — температура корпуса транзистора;

Т_max - максимально допустимая температура коллекторного перехода;

W - геометрическая толщина базы;

W_g — действующая толщина базы;

U_эб - напряжение эмитер-база;

U_кб - напряжение коллектор-база;

U_kpn - контактная разность потенциалов;

U_проб - напряжение пробоя;

U_прок - напряжение прокола транзистора;

U_к - напряжение коллекторного перехода;

U_{k max} - максимально допустимое напряжение на коллекторе;

I_э — ток эмитера;

I_б — ток базы;

I_ко — обратный ток коллектора при разомкнутом эмиттере;

I_kmax - максимально допустимый ток коллектора;

I_ген - ток термогенерации в области объемного заряда;

I_рек — ток рекомбинации;

a - коэффициент передачи тока в схеме с общей базой;

a_о - низкочастотное значение a;

a^* — коэффициент усиления тока коллекторного перехода за счет не основных носителей заряда;

b — коэффициент передачи тока в схеме с общим эмитером;

g — коэффициент инжекции эмитера;

б_к — толщина коллекторного перехода;

e - относительная диэлектирическая проницаемость;

c_о – коэффициент переноса не основных носителей заряда через область базы;

m_э, m_б – подвижности электронов и дырок;

m_нб, m_об – подвижности не основных и основных носителей заряда в базе;

m_нэ, m_оэ – подвижности не основных и основных носителей заряда в эмитере;

w - круговая частота;

r - удельное сопротивление полупроводника;

r_i - удельное сопротивление собственного полупроводника;

r_э, r_б, r_к - удельные сопротивления эмитера, базы, коллектора;

t_n,_p – среднее время жизни электронов и дырок

tt_np – время пролета не основных носителей заряда через базу;

t_n – среднее время жизни носителей заряда, обусловленное поверхностной рекомбинацией;

s - удельная теплопроводность;

4. Выбор технологии изготовления транзистора

Основным элементом конструкции транзистора является кристалл, или транзисторная структура кристалла, которая представляет собой полупроводниковую пластину со сформированными на ней эмиттерным (ЭП) и коллекторным (КП) переходами. Другими элементами конструкции являются корпус, кристаллодержатель, выводы.

В зависимости от технических требований предъявляемых к параметрам транзистора, применяются различные методы формирования транзисторной структуры. Низкочастотные транзисторы изготавливаются по сплавной технологии, высокочастотные – с обязательным использованием процесса диффузии примесей. Основными разновидностями технологии изготовления высокочастотных транзисторов являются: диффузионная, планарная. Чисто диффузионная технология используется для изготовления транзисторов с f_α не превышающими 50-100 МГц, сплавно- и мезо- диффузионная – для диапазонов 50-100 МГц, соответственно, планарная–для f_α=0,5-5ГГц.

Так как граничная частота f_α составляет 250 МГц, то для изготовления выберем сплавно-диффузионную технологию.

1. Сплавно-диффузионные транзисторы.

При диффузионной технологии неоднородность эмиттерной поверхности приводит к неоднородности толщины базовой области, что ухудшает возможные частотные свойства транзистора . В сплавно-диффузионной технологии диффузией формируется лишь базовая область а КП и ЭП формируются вплавлением эмиттерной навески, под которой образуется рекристализационная зона. При этом в эмиттерную навеску вводится примесь, формирующая под эмиттером активный диффузионный слой базы. Коэффициент диффузии этой примеси должен значительно превышать коэффициент диффузии примеси, формирующей эмиттер и ЭП в рекристализационной зоне. Структура сплавно-диффузионного p-n-p транзистора изображена на рис.1.

На рис.2 приведены некоторые этапы получения сплавно-диффузионного транзистора. После получения исходной р- пластины Ge, протравливают в ней лунку, углубляясь в исходную р- пластину (рис.2.1). травление лунок осуществляется методом фотолитографии. На окислённую пластину наносят фоторезистивную плёнку, её освещают через маску ультрофиолетовым светом. Экспонированные места фоторезиста поляризуются. Незаполимеризованные части фоторезиста смывают так, что он остаётся только на облучённых местах. Затем производят травление. После получения лунки проводят щдиффузию донарной примеси (рис.2.2) затем необходимо отшлифовать поверхность исходной пластины, т.о., чтобы диффузионный слой остался лишь в лунке. Диффузия донорной примеси приводит к образованию базового n- слоя (рис.2.3). С помощью электрохимического метода через маску вводят навески вплавляемого материала 1 и 4 (рис.2.4). Навеска 1 является эмиттерной, содержащая спал Ni + Al + In, а навеска 2- базовой.

Затем пластину помещают в печь и нагревают до температуры, близкой к температуре плавления германия (около 900˚С). При такой темпиратуре сплавы не только переходят в жидкое состояние, но имеет место диффузия примесей из жидкой фазы в прилежащую твёрдую фазу. При этом комплексный характер сплава, находится в лунках, обеспечивает одновременное образование двух слоёв: базового и эмиттерного, благодаря резко коэффициентам диффузии донарной и акцепторной примесей в германии: донарная примесь «обгоняет» акцепторную. Под эмиттерной навеской образуется р- область, которая является эмиттером (рис.2.5). Затем получеснную структуру припаивают к кристаллодержателю. Он является выводом коллектора (рис.2.6).

2. Структура сплавно-диффузионного p-n-p

транзистора

Рис. 2. Структура сплавно-диффузионного p-n-p транзистора.

1,3 – выводы базы;

2 – рекристаллизационная область – эмиттер;

n – размеры кристалла;

c, d – размеры лунки;

h_кр – толщина кристалла;

R_э, R_б – радиусы выводов эмиттера и базы;

5. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Расчёт сплавно-диффузионного транзистора.

Задачи расчёта

В результате расчёта должны быть определены электрофизические и геометрические параметры транзисторной структуры, параметры эквивалентной Т-образной схемы транзистора по переменному току, его эксплуатационные параметры. Часть электрофизических и геометрических параметров при расчёте задаётся исходя из соображений номенклатурного порядка. В конце расчёта выбирается тип корпуса транзистора.

В итоге должны иметься все геометрические и электрофизические параметры, необходимые для исполнения конструкторской и основной части технологической документации. Особенно это касается состава диффузантов, навесок и припоев.

1. Расчёт толщины базы и концентраций примесей.

Действующая толщина базы определяется соотношением (1).

, (1)

где t_пр-время пролёта базы

t_пр=, (2)

где - коэффициент запаса по частоте f, =1,3

сек.

Задавшись величиной перепада концентраций примеси на границах базы х=200, выразим среднее значение концентрации примеси на границах базы по формуле (3).

, (3)

Так как , (4) необходимо определить концентрацию примеси, формирующей коллекторную область

Для нахождения концентрации базы N_Б используем связь напряжения пробоя U_проб с удельным сопротивлением коллектора ρ_к:

, (5)

где - низкочастотное значение коэффициента передачи тока в схеме ОБ , (6)

Удельное сопротивление коллектора рассчитывается по формуле (7)

, (7)

Для выбранного нами типа структуры транзистора (Ge, p-n-p)

B=5.2, n=0.61, l=1/6 /1/

x=0.8 (для дрейфовых транзисторов). Подставим численные значения в выражение (7), а затем в (5).

₌ 0,9903 Ом*см

=12,748 В

По графику изображенному на рис3.3.1 найдём величину концентрации N_o

Определим среднее значение концентрации примеси N_Б, формирующий проводимость базы с помощью соотношений (3) и (4)

По графику, на рис 3.4.1, найдём среднее значение подвижности не основных носителей заряда в базе

Определим среднее значение коэффициента диффузии в базе, воспользовавшись соотношением (8)

, (8)

где - тепловой потенциал, мВ

(9)

Подставив вышеопределённые значения в формулу (1), найдём действующую толщину базы.

Величина концентрации примеси, формирующей проводимость базы, на поверхности кристалла N_Б(0) определится из соотношения (10)

, (10)

где х_1Б=0,2 мкм

α_Б - коэффициент передачи тока с общей базой , (11)

1,217*10^-4

Подставим численные значения в выражение (10)

Задавшись величиной отношения N_оэ/N_б(0), найдём концентрацию эмиттерной примеси. N_оэ/N_б(0)=3.

Из соотношения (12) выразим концентрацию основных носителей эмиттера. N_оэ=3*N_б(0)

N_оэ=3* =3,826421*10¹⁸ см^-3

Проверим не превышает ли расчётное значение напряжения пробоя коллекторного перехода U_пр величину напряжения прокола транзистора U_прок, которое рассчитывается по формуле (13)

, (13)

где
где: , (14)

Подставляя численные значения в формулы (14) и (13), найдём величину напряжения прокола транзистора.

Значение напряжения пробоя коллекторного перехода (U_пр=12.748) не превышает величину напряжения прокола транзистора U_прок=240,0092 В

(U_прок>> U_пр)

Вычислим среднее значение удельного сопротивления области базы по формуле (15)

, (15)

По графику приведённому на рис. , определим среднее значение подвижности основных носителей заряда в базе

=1800

Ом*см

2. Расчет коэффициента передачи тока

Задача: для рассчитанного W_q определить коэффициент передачи тока a₀ и сравнить его с требуемым.

Коэффициент передачи тока можно записать как:

a₀=g₀ c₀ a^* (16).

Далее, рассчитываем коэффициент инжекции g₀:

g₀=1 (17).

Для его определения необходимо найти:

L_нб=105.2792 см (18),

g₀=0.996913.

Далее находим коэффициент переноса ННЗ через базу:

c₀ = 1 - =0.9996758 (19).

Теперь необходимо рассчитать коэффициент усиления ННЗ в коллекторе по формуле:

a^* = 1 + (20),

a^* @ 1.

и, наконец, мы можем рассчитать a₀:

a₀ = g₀ c₀ a^* = 0.9905917

3. Расчет емкостей и размеров переходов

Задача: Определить барьерные (зарядные) емкости и величины поверхности коллекторного и эмитерного переходов, а так же геометрические размеры полупроводниковой пластины, в которой формируется транзисторная структура.

1. Зарядная емкость коллекторного перехода. C_зк и величина поверхности коллекторного перехода S_к:

Коллекторный переход плавный, поэтому:

C_зк = S_к (21).

Известно, что:

C_зк = 2_*10^-12 пФ и S_к = 2.678418_*10^-4 см².

Исходя из данных значений C_зк и найдено максимальное значение S_кmax. Можно считать, что:

S_кmax = 0.9 c d (22).

Задаемся значением p = 150_*10^-4 см.

Добавив к нему 250 мкм находим с

с = (250 + 150) _*10^-4 = 400_*10^-4см

1. Зарядная емкость эмитерного перехода. C_зэ и величина поверхности эмитерного перехода S_э:

Эмитерный переход резкий, поэтому:

C_зэ = S_э (23).

Для нахождения C_зэ необходимо найти j_крп и А_э:

j_крп = j_т = 0.5136617В (24),

S_э = I_k (25).

Задаемся величиной U_эб = 0.2313273В, соответствующей

S_э = 3.769911_*10^-5см².

Теперь можно рассчитать C_зэ по формуле (26):

C_зэ =1,677762_*10^-11Ф.

3. Размеры эмитера и базы.

Размеры металлических выводов определяются величиной S_э и и глубиной вплавления электрода в кристалл h_э:

R_э = - h_э + (26).

Величина h_э выбирается в пределах h_э = 10..30мкм, выбираем h_э = 20мкм.

R_э = 20мкм.

Для центрального расположения выводов R_э = R_б, R_б = 20мкм.

4. Расчет сопротивлений ЭС и граничных частот

Задача: определение сопротивлений эквивалентной схемы, дифференциальных, диффузионных и омических сопротивлений ЭС транзистора.

Рис. 3. Эквивалентная схема транзистора в схеме с ОБ.

1. Дифференциальное сопротивление эмитера:

(27),

= 1,438889 Ом.

2. Сопротивление базы есть сумма омического сопротивления и диффузионного сопротивлений, а также сопротивления растекания базового контакта :

(28).

Сопротивления можно найти по формуле:

(29),

Для центрального расположения :

(30),

= 26,82607 Ом

Для центральной части выводов эмиттера и базы:

(31),

где = 0.004245Омсм,

= 48,10962 Ом

=74,93569

Диффузионное сопротивление учитывающее внутреннюю обратную связь в транзисторе за счет эффекта Эрли равно:

(32),

= 110,3175

Для сплавно-диффузионных транзисторов << , поэтому не учитывается:

= 36 Ом.

3. Сопротивление коллектора.

Задача: определить диффузионное и омическое сопротивление коллектора.

Для плавного коллекторного перехода:

(33),

где параметр L_ok находится по формуле:

= 9.84 10^-3 см (34),

= 1,932747_*10^-4 мкм (35),

r_k = 3,232326_*10⁷ Ом,

= 2,475851 Ом.

4. Граничные частоты.

Определив величины зарядных емкостей переходов и сопротивлений ЭС, зная время пролета