2. Виконання роботи
1. Зобразити зовнішній вигляд точкових і площинних діодів запропонованих викладачем.
2. Визначити технологічні розміри конструктивних елементів діодів.
3. На підставі даних одержаних в пункті 2 оцінити основні електричні
параметри діодів (місткість, максимально допустимий прямий струм і т.д.)
4. Класифікувати досліджені напівпровідникові діоди по можливості вживання їх в електричних ланцюгах.
3. Контрольні питання
1. Що називається напівпровідниковим діодом.
2. Класифікуйте діоди по їх призначенню.
3. Пристрій точкових і площинних напівпровідникових діодів.
4. Які принципи встановлені в роботу точкового і площинного діодів?
5. Вказати основні електричні параметри напівпровідникових діодів.
6. В чому відмінність ВАХ германієвих і кремнієвих діодів?
Лабораторна робота № 2 Технолого-конструктивні особливості виробництва напівпровідникових тріодів
Мета: вивчення конструкції ППД, технологічних і конструктивних особливостей виробництва.
Теоретична частина
Біполярний транзистор – электропреобразовательный напівпровідниковий прилад з електронно-дірчастими переходами і трьома (або більш) висновками. Біполярний транзистор може мати р-п-р або п-р-n - структуру з двома р-n -переходами — емітерним і колектором, розділеними тонкою базою -управляющим електродом (під структурою розуміється система різних по типу електропровідності областей напівпровідника, забезпечуюча виконання напівпровідниковим приладом його функцій). В транзисторі використовується принцип управління потоком носіїв заряду в напівпровіднику при напрузі 0,1—1 в, що прикладається до прямозміщеного емітерного р-n - переходу. промодульований вхідним сигналом потік носіїв заряду від емітерного переходу майже повністю (за вирахуванням втрат на рекомбінацію в базовій області, складових 1—5%) проходить через область бази і досягає назад зміщеного (напругою в неск. десятків в) переходу колектора. При цьому потужність вихідного сигналу, що виділяється в навантаженні, у багато разів перевищує потужність, затрачувану вхідним сигналом для управління струмом емітера.
Технологічні методи виготовлення різною мірою дозволяють сумістити в транзисторі граничні величини основних параметрів. Транзистори виготовляють на основі германію, кремнію, арсеніду галію і інших напівпровідникових з'єднань. Найбільший розвиток одержали транзистори на основі Ge і Si, причому перші більш високочастотні, ніж другі, проте останні мають більш високі робочі температури. Основні технологічні методи виготовлення транзисторів (мал. 2.1): сплави, дифузії, витягання з розплаву, електрохімічний і різні їх комбінації.
Сплавний метод застосовується для виготовлення масових типів германієвих малопотужних і могутніх транзисторів (для кремнієвих транзисторів застосовується рідко). Головною операцією цього методу служить касетне вплавлення електродів (переважно із сплавів на основі индия) у водневих конвейєрних печах при темп-ре 560—600° З для утворення эмит-терного і р—n -переходов колектора. Обмеження цього методу — трудність поєднання високих значень параметрів: граничної частоти посилення по струму, напруга між колектором і емітером Uкэ, нульового струму колектора Iко, струму колектора Iк. Кожний з них досягається при суперечливих вимогах до якості початкового кристала ПП і геометрії структури транзисторів. Сплавним методом виготовляють транзистори (головним чином з р—n—р - структурою): малопотужні і могутні германієві. Конструкції сплавних транзисторів показані на мал. 2.2.
Германієвих ВЧ транзистори (<500 Мгц) одержують комбінованим дифузійно-сплавним методом, при якому р—n колектора, - перехід створюється шляхом дифузії домішок (наприклад, сурми) в початковий кристал германію у водневих печах при температурі 650— 700° З, а база і емітерний р—n –перехід створюються приплавленням до кристала германію з дифузійним р—n колектора - переходом електродних кульок (із сплавів на основі индия, галію, вісмуту, сурми і ін.), при цьому область бази виходить товщиною до 1 мк.
Більш високих граничних частот в транзисторах на основі германію і кремнію добиваються із застосуванням так званої дифузійної планарной технології. Вона включає наступні основні операції: термічне окислення пластин кремнію в атмосфері вологого кисню при темп-ре 1000° З для отримання маскуючого шару оксиду; вживання методів фотолітографії і локальної дифузії відповідних домішок для отримання р—n - переходу. Контакти до електродів пленарних транзисторів створюють напиленням у вакуумі металевих плівок. Переваги такої технології: універсальність, що дозволяє на одному і тому ж устаткуванні, користуючись змінними комплектами фотошаблонів, виготовляти самі різні по параметрах типи транзисторів; груповий характер технологічного процесу, що дозволяє виготовляти одночасно до 1000 шт. структур транзисторів на одній пластині і одержувати незначний розкид параметрів; істотно менші величини неконтрольованих зворотних струмів і краща стабільність параметрів, що є результатом захисту р—n - переходів шаром оксиду. Планарная технологія вимагає, проте, виключно високої точності проведення операцій і підтримки режимів. Наприклад, підтримка температури в печах на рівні св. 1000° Із з точністю +0,5° З; точність поєднання послідовних фотошаблонів повинна бути не гірше +1 мк і менш, величина порушеного при механічній обробці шару початкових пластин не повинна перевищувати 0,1 мк, і ін. За допомогою цієї технології виготовляють кремнієві малопотужні транзистори, що віддають в навантаження потужність порядка 1 вт на
частоті 500 Мгц і могутніх транзисторів з граничною частотою декілька десятків Мгц, потужністю декілька сотень вт, напругою декілька сотень в і струмами декілька десятків а. Основні недоліки транзисторів: ограниченый температурний інтервал роботи і сильна температурна залежність всіх параметрів (кремнієві транзистори працюють при температурах -60.+120°С, германієві -60.+85°С). Найбільш чутливий до температури струм витоку колектора IКО, що зростає зразкове удвічі на кожні 10° З підвищення температури; коефіцієнт посилення міняється в 3—4 рази в інтервалі —60.+120° З для кремнієвих транзисторів і -60.+70° З для германієвих. нестабільність, проте, може бути в сильному ступені зменшена вибором правильного схемного рішення — введенням негативних зворотних зв'язків, стабілізуючих термисторов і т.п.
Транзистори можуть застосовуватися в тих же схемах — підсилювальних, генераторних, імпульсних, — що і електронні лампи, проте наявність транзисторів двох типів провідності (р — п—р і n—р—n) дозволяє створювати і оригінальні схеми.
Транзистор германієвий. В початковий період розвитку напівпровідникової електроніки розроблялися транзистори германієві з точковими контактами (металевих електродів з кристалом ПП), які призначалися для генерації і посилення низькочастотних сигналів невеликих потужностей. Потім були розроблені і випускаються великими серіями
транзистори германієві площинного типу (з електронно-дірчастими переходами усередині кристала ПП), розраховані на великі струми (сотні ма і вище), на різні частоти і потужності.
Транзистор кремнієвий. Перші транзистори кремнієві були розроблені в 1953—54, на 5 років пізніше германієвих. В 1953 були створені точкові кремнієві транзистори, в 1954 - поверхнево-бар'єрні. Перші промислові типи кремнієвих транзисторів, одержані вирощуванням з розплаву, і сплавні, переважне р — п—р - типу, випускаються з 1955. В 1956 були створені дифузійні кремнієві транзистори. Техніка дифузії дозволила виготовляти високоякісні кремнієві транзистори, забезпечуючи тим самим їх широке вживання.
Переваги і недоліки кремнієвих транзисторів в порівнянні з транзисторами германієвими обумовлені відмінністю основних фізичних властивостей кремнію і германію. Внаслідок цього кремнієві транзистори володіють рядом особливостей. Велика ширина забороненої зони кремнію приводить до менших значень зворотного струму р—n - переходів. При питомих опорах п- і р - областей порядку дещо ом-см густину зворотного струму насичення згідно класичної теорії складає для германієвого переходу 10-4— 10-3 а/см2, для кремнієвого: 10-12—10-11 а/см2. Більш детальний аналіз, з урахуванням генерації носіїв заряду в збідненому шарі, показав, що в кремнієвих транзисторах є складова зворотного струму, на декілька порядків перевершуюча струм насичення. Вона пропорційна ширині переходу, власна концентрації носіїв заряду залежить від напруги (в германієвих транзисторах ця складова при кімнатній температурі значно менше струму насичення).
Облік генерації складової дає для густини зворотного струму при напругах порядка десятків в значення 10-10— 10-9 а/см2. На практиці такі значення струмів також не досягаються, хоча нульовий струм колектора Iко у кремнієвих транзисторів менше ніж у германієвих. Розбіжність між теоретичними і реальним значеннями зворотних струмів кремнієвих транзисторів пояснюється поверхневими явищами. Спостерігалося виникнення на поверхні кремнію каналів, довжина яких може досягати 2,5 мм, наявність каналів приводить до появи зворотних струмів порядка 10-8— 10 -7 а/см2, логарифмічно залежних від прикладеної напруги. недостатньо високий ступінь чистоти при виробництві кремнієвих транзисторів приводить до виникнення поверхневих струмів витоку, частіше всього що підкоряються закону Ома (наприклад, у присутності пари води або органічних речовин).
Швидкість зростання теоретичного значення зворотного струму, визначувана вширшки забороненої зони, для кремнієвих переходів вище, ніж для германієвих: на кожні 100 підйому температури теоретичне значення зворотного струму зростає в германієвому транзисторі в 2,2 рази, в кремнієвому транзисторі — в 2,7 рази. Проте абсолютні величини зворотних струмів кремнієвих транзисторів залишаються достатньо малими при температурах порядку 150°С і вище. З цим пов'язано більш високе значення максимальної, робочої температури переходу в кремнієвих транзисторах (175—200°С в порівнянні з 85—100° З для германієвих транзисторів), що дозволяє їм працювати з великими перепадами температур між переходом і корпусом, тобто розсіювати велику потужність при одних і тих же теплових опорах. З другого боку, при рівних допустимих потужностях розсіяння кремнієві транзистори можуть мати менші габарити, що особливо важливе при створенні могутніх ВЧ транзисторів.
Високе значення питомого опору кремнію, обумовлене більшої вширшки забороненої зони, дозволяє, у принципі, створювати кремнієві транзистори з високими максимальними, напругами, значно перевищуючими пробивні напруги переходів в германієвих транзисторах. Максимальна, робоча напруга на колекторі кремнієвого транзистора не завжди визначається пробивною напругою переходу колектора. У ряді випадків, особливо для високовольтних сплавних кремнієвих транзисторів, необхідно враховувати явище проколу, пов'язане з розширенням області просторів, заряду переходу колектора в базу транзистора і стуленням цієї області з областю просторів, заряду емітерного переходу. Обмеження, що накладаються проколом на гранично допустимі напруги колекторів, сильніше для кремнієвих транзисторів, ніж для германієвих транзисторів. Пояснюється це тим, що діелектрична постійна кремнію менше (12 для кремнію і 16 для германію) і, отже, в кремнієвих транзисторах при рівних напругах і інших рівних умовах область просторового заряду ширше, ніж в германієвих транзисторах.
Менші значення подвижностей електронів і дірок призводять до того, що при однаковій ширині базової області і за інших рівних умов кремнієві транзистори є, у принципі, менш високочастотними. На практиці частотна межа транзисторів значною мірою може визначатися багатьма іншими фізичними і технологічними чинниками. Тому, наприклад, малопотужні кремнієві транзистори поступаються по частотній межі германієвим транзисторам, а могутні кремнієві транзистори мають граничну частоту у декілька разів вище, ніж відповідні германієві транзистори.
Зміни параметрів кремнієвих транзисторів з температурою носять в основному той же характер, що і у германієвих транзисторів: із збільшенням температури росте зворотний струм, збільшується коефіцієнт посилення, дещо зростають опір насичення і вхідний опір (що пов'язане із зростанням питомого опору кремнію). Виключення складає пробивну напругу: із зростанням температури воно не падає, а дещо зростає, оскільки пробій в кремнієвих транзисторах носить не тепловий, а лавинний характер. Із збільшенням температури зменшується довжина вільного пробігу електронів, унаслідок чого для початку лавинного процесу потрібне більше значення напруженості поля, і величина пробивної напруги росте. При низьких температурах ті ж причини приводять до зниження пробивної напруги в порівнянні з його значенням при кімнатній температурі.
Типові характеристики кремнієвих транзисторів, по суті, не відрізняються від характеристик германієвих транзисторів. Розроблені кремнієві транзистори різної провідності (р—п—р і п—р—n) на потужності розсіяння від декількох десятків мвт до сотень вт. Гранична частота кремнієвих транзисторів має порядок від декількох сотень кГц (для сплавних кремнієвих транзисторів) до 1000 Мгц (для планарных эпитаксиальных кремнієвих транзисторів). Максимальна, робоча напруга кремнієвих транзисторів лежить в межах від 10 в (для сплавних кремнієвих транзисторів з відносно високою граничною частотою) до 1800 в. Максимальний, струм для різних типів кремнієвих транзисторів коливається від декількох ма до 50—100 а. Перевагами володіють: малопотужні перемикаючі кремнієві транзистори, що мають часи наростання і спаду імпульсу порядку 3-10-8сек.; кремнієві транзистори середньої потужності, що віддають на частоті 280 Мгц потужності порядка 1 вт; могутні дифузійні кремнієві транзистори на струми до 10 а з частотою 50 Мгц і на струми до 100 а з частотою 20 Мгц і допустимою потужністю розсіяння порядка 1500 вт; могутні сплавні кремнієві транзистори на струми 30—50 а, напруги до 1500 в, насичення, що мають опір, порядка 0,05 ом і здатні при розсіюваній потужності порядка 100 Вт перемикати потужності порядка 5—10 кВт.
Досягнення в області технології виготовлення кремнієвих n—р—п - транзисторів з дифузійним емітером і базою дозволили розробити ряд типів, не поступливих по електричних властивостях якнайкращим зразкам германієвих транзисторів, а по своїх експлуатаційних характеристиках значно перевершуючих їх. До цих досягнень відносяться створення так званих планарных приладів, використовування «потрійної» дифузії і розробка транзисторів на эпитаксиально вирощених плівках кремнію.
На рис.2.3 приведені порівняльні дані випробувань на термін служби планарных і звичайних (меза) дифузійних кремнієвих транзисторів при 300°. Видно, що і ті і інші достатньо стабільні, але у планарных кремнієвих транзисторів абсолютні значення нульових струмів колектора менші і дрейф по струму виражений значно слабкий, не дивлячись на більш високі прикладені напруги.
Малюнок 2.3 – Порівняльні дані випробувань терміну служби біполярних транзисторів виготовлених за різними технологіями.
Транзистор уніполярний (транзистор польовий) — транзистор з керованим каналом для потоку основних носіїв заряду. Транзистор уніполярний за принципом роботи аналогічний вакуумному тріоду, а його робочі характеристики подібні характеристикам пентода. Транзистор уніполярний відрізняється від інших типів транзисторів тим, що струм утворений тільки основними носіями заряду (рис.2.4).
Транзистор уніполярний має високі вхідне (до 10 Мом) і вихідне (500 ком) опори і дуже малу інерційність при передачі електричного сигналу від управляючого електроду в анодний ланцюг, у зв'язку з чим теоретичні межі по максимальній робочій частоті лежать в діапазоні декількох тисяч Мгц.
Транзистори уніполярні мають різне конструктивне оформлення, але фізичний принцип їх дії однаковий. Розроблені також і канальні фототранзистори.
Малюнок 2.4 – Схема уніполярного транзистора.
Транзистори уніполярні застосовуються: в підсилювачах і обмежувачах постійного струму (в діапазоні звукових частот і ВЧ), в схемах рахункових пристроїв і управління оптичними елементами, в радіоприймачах і у вимірювальних пристроях, в схемах генераторів, при конструюванні твердих схем і інших пристроях. Транзистори уніполярні дозволяють створювати схеми із застосуванням 1—2 стандартних елементів в різних видах включення; при цьому моделюють всі елементи схеми (опори, конденсатори, індуктивності транзистори і ін.) за допомогою одного уніполярного транзистора. Особливо доцільне вживання транзисторів уніполярних в тих випадках, коли потрібен високий вхідний опір і малі шуми (до 0,4 дб). Побудова електронних схем уніполярних транзисторів аналогічно створенню схем на пентодах.
Транзистори уніполярний виготовляють на основі Ge, Si застосовуючи сплав, дифузію і т.д.