Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Полупроводниковые материалы и их применение. Учебное пособие
.pdf
а б
Рис. 27. Обозначение биполярных транзисторов на схемах:
а - транзистор pnp-типа ; б - транзистор npn-типа
Полупроводниковые области прибора и их металлические выводы называются одинаково:
Э – эмиттер – предназначен для эмиттирования (инжектирования, внесения) потока основных носителей заряда. В этом слое самая большая концентрация примеси.
К – коллектор – служит для собирания (отсюда и название, от англ. col-
lect) основных носителей, прошедших через базовый слой. Здесь концентрация
примеси меньше чем в эмиттере, но больше, чем в базовом слое.
Б – база – слой с самой маленькой концентрацией примеси. Вследствие
этого большая часть ширины обоих pn-переходов располагается именно здесь
(см. тему «Образование несимметричного pn-перехода»).
Независимо от типа транзистора (pnp- или npn-), соотношение концентраций примесей будет следующим:
Nэ > Nк > Nб,
где Nэ – концентрация примеси, вносимой в эмиттерный слой;
Nб – концентрация примеси, вносимой в базовый слой;
Nк – концентрация примеси, вносимой в коллекторный слой.
На границе между эмиттерным и базовым слоем происходят процессы
диффузии и дрейфа, и образуется эмиттерно-базовый pn-переход. На границе
между базовым и коллекторным слоем так же происходят процессы диффузии
и дрейфа, и образуется коллекторно-базовый pn-переход.
41
Соотношения ширины переходов со стороны всех слоев будут следую-
БазаЭмиттер Коллектор
Переход Э-Б Переход Б-К
lэ
lб
lб
lк
щими (рис. 28). Самая маленькая толщина lэ будет со стороны эмиттера, поскольку в этом слое самая большая концентрация ионов примеси. Самая большая толщина lб будет со стороны базового слоя, так как здесь самая маленькая
концентрация ионов примеси. Поэтому данный слой и называется базовым.
Ширина pn-перехода со стороны коллектора lк будет иметь промежуточное
значение между шириной со стороны эмиттера и со стороны базы.
Рис. 28. Идеализированная структура биполярного транзистора
Биполярный транзистор – несимметричный прибор. У коллектора —
большая площадь pn-перехода (рис. 29). Кроме того, для работы транзистора
абсолютно необходима малая толщина базы. В связи с перечисленными особенностями нельзя путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить абсолютно аналогичный исходному биполярный транзистор.
Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее
время биполярные транзисторы изготавливают в основном из кремния арсенида
галлия.
По конструкции и технологии изготовления различают биполярные транзисторы сплавные, эпитаксиально-диффузионные, планарные.
42
Устройство и конструкция биполярного транзистора схематически показана на рисунке 29.
Рис. 29. Конструкция маломощного биполярного транзистора: 1 — донце кор-
пуса; 2 — колба; 3 — внутренний вывод эмиттера; 4 — таблетка индия; 5 —
кристаллодержатель; 6 — пластина германия n-типа; 7 — таблетка индия; 8 —
внутренний вывод коллектора; 9 — стеклянный изолятор
Биполярный транзистор как отдельно взятый прибор и как
часть ИС
Различают два вида реализации транзисторов:
1) как отдельно взятый полупроводниковый прибор в отдельном
корпусе, когда металлические выводы от эмиттера и базы располагаются на одной стороне кристалла полупроводника, а вывод от коллектора – с другой (рис.
30). Поэтому поток основных носителей от эмиттера к коллектору направлен
через толщу коллектора.
2) как часть интегральной схемы (рис. 31) – здесь выводы распола-
гаются в одной плоскости, следовательно, для обеспечения направленного
движения носителей (показано стрелками) предусматривается так называемый
«скрытый слой» с повышенным содержанием примеси. Этот «скрытый» слой
выполняет две функции:
перенаправляет поток носителей заряда к поверхности кристалла
полупроводника;
отделяет объем транзистора от остального объема кристалла.
43
p
n
Si
Эмиттер База
Коллектор
Движение электронов от
эмиттера к коллектору
n+
SiO2
Рис. 30. Основа биполярного транзистора npn-структуры
p
n
Si
Эмиттер БазаКоллектор
Движение электронов от
эмиттера к коллектору
n+
SiO2
n
n+
n
Подложка
«Скрытый» слой
как отдельно взятого прибора
Рисунок 31. Фрагмент интегральной схемы, содержащий биполярный
транзистор npn-структуры
44
МДП – транзисторы (МОП - транзисторы)
Со встроенным каналом С индуцированным каналом
C
И
П
C
И
П
Канал n-типа
Канал p-типа
C
И
П
C
И
П
В этих транзисторах затвор изолирован от канала слоем диэлектрика
(SiO2). Поэтому и носит название по структуре Металл-Диэлектрик-Проводник
(или Металл-Оксид-Полупроводник).УГО всех типов МОП-транзисторов приведены на рис. 32.
Рис. 32. УГО основных типов МОП-транзисторов
Принцип действия всех МОП-транзисторов (другое их название – полевые
транзисторы с изолированным затвором) основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком
под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой
полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. Полевой транзистор имеет один или несколько затворов, электрически изолированных от проводящего канала.
Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором показаны на
рис. 33. В кристалле полупроводника с относительно низким содержанием
примеси, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности (на рис. 33 это области p-
типа). На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Расстояние между карманами истока и стока может составлять всего несколько
микрометров. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком
45
покрыта тонким (порядка 0,1 микрометра) слоем диэлектрика. В случае крем-
n
Si
Исток
Сток
Затвор
p+
SiO2
p+
Al
n
Si
Исток
Сток
Затвор
p+
SiO2
p+
Al
p
а б
ния – это будет слой SiO2. Таким образом, получается структура, состоящая из
слоя металла, диэлектрика (оксида) и полупроводника, т.е. МДП- или МОПструктура.
В транзисторах с индуцированным каналом (рис. 33, а) проводящий канал
между карманами истока и стока, и, следовательно, заметный ток стока появляются только при определенной полярности и при определенном пороговом
напряжении на затворе относительно истока.
В транзисторах со встроенным каналом (рис. 33, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно
истока существует инверсный слой – канал, соединяющий карманы стока и истока.
Рис. 33. Структура МОП-транзисторов: а – с индуцированным каналом;
б – со встроенным каналом
МОП-транзисторы занимают на порядок меньшую площадь кристалла
полупроводника, чем биполярные транзисторы. Для их изготовления требуется
значительно меньшее количество технологических операций, чем для
изготовления биполярных транзисторов, поэтому степень интеграции больших
интегральных схем (БИС) на МОП-структурах выше, чем на биполярных.
Первый широко распространенный микропроцессор (МП) Intel8080 (советский
аналог КР580ВМ80) – 8-разрядный МП с 16-разрядной шиной адреса,
46
изготовлен по nМОП-технологии. Он состоит из 5000 nМОП-транзисторов с
n
Si
Al
p
SiO2
n+
p-подложка
б
а
Э
Б, К
Подложка
Скп
Сэ.бар
индуцированным каналом.
Диоды в интегральном исполнении
Для создания диода достаточно создать только один pn-переход. Но в ин-
тегральном исполнении диодам придают транзисторную структуру и в зависимости от функции, выполняемой диодом, используют тот или иной pn-переход
по одному из следующих вариантов.
1 вариант – на этиттерном переходе, коллекторный короткозамкнут (рис.
34). Здесь достигается наибольшее быстродействие, поскольку накопление носителей заряда может происходить только в базовой области, а её толщина
очень маленькая. Накопление в коллекторной области исключено шунтированием коллекторного перехода (металлизованный участок захватывает и базу, и
коллектор). Время переключения может быть около 1 нс.
Рис. 34. Реализация диода на эмиттерном переходе биполярного транзистора:
а – структура; б – схема замещения
(рис. 35).
2 вариант – на этиттерном переходе, коллекторная цепь разомкнута
47
n
Si
Al
p
SiO2
n+
p-подложка
ба
Э
Б
Подложка
Сбк
Сэ.бар
Скп
n
Si
Al
p
SiO2
p-подложка
ба
К
Б
Подложка
Ск.бар
Скп
Рис. 35. Реализация диода на эмиттерном переходе биполярного транзистора с
разомкнутой коллекторной цепью: а – структура; б – схема замещения
3 вариант – реализация диода на основе коллекторного перехода, при
этом эмиттерный переход либо не реализован совсем (рис. 36), либо его цепь
разомкнута. Такой диод имеет большое пробивное напряжение (порядка 50 В),
поскольку концентрация примеси в коллекторе относительно небольшая. Площадь коллекторного перехода больше, чем площадь эмиттерного, поэтому данный диод позволяет пропускание больших, чем в случаях 1 и 2, прямых токов.
Рис. 36. Реализация диода на коллекторном переходе биполярного транзистора
с разомкнутой эмиттерной цепью: а – структура; б – схема замещения
48
4 вариант – эмиттерную и коллекторную области соединяют между со-
n
Si
Al
p
SiO2
n+
p-подложка
а б
Э, К
Б
Подложка
Ск.бар+Сэ.бар
Скп
б
К
Б,Э
Подложка
Ск.бар
Скп
n
Si
Al
p
SiO2
n+
p-подложка
а
бой. Таким образом, оба pn-перехода оказываются включенными параллельно.
Достигаются максимальные значения пропускаемых токов и барьерной емкости
(рис. 37).
Рисунок 37. Реализация диода при параллельном включении эмиттерного и
5 вариант – на основе коллекторного перехода, эмиттерный переход за-
мкнут (рис. 38).
коллекторного переходов: а – структура; б – схема замещения
Рис. 38. Реализация диода на коллекторном переходе биполярного транзистора
с замкнутой эмиттерной цепью: а – структура; б – схема замещения
49
Диффузионные резисторы
n
Si
Al
p
SiO2
n+
p-подложка
а
n
Si
Al
p
SiO2
n+
p-подложка
б
n
Si
Al
p
SiO2
n+
p-подложка
в
Резисторы являются пассивными элементами интегральной схемы. Чтобы
не усложнять технологический цикл, они изготавливаются на основе одного из
слоев структуры биполярного транзистора – эмиттера (рис. 39, а), базы (рис. 39,
б) или коллектора (рис. 39, в).
Рис. 39. Реализация диффузионного резистора на основе слоев биполярного
транзистора: а – эмиттера; б – базы; в – коллектора
Такие транзисторы называются диффузионными.
Технологии изготовления полупроводниковых приборов и
ИС
Сплавная технология
Для образования области полупроводника с требуемыми свойствами
осуществляется вплавление в пластину полупроводника металла или сплава металла, содержащего нужные примеси.
На пластину полупроводника помещают таблетку примеси и нагревают
эту систему до расплавления и частичного растворения участка пластинки полупроводника в примесном материале. При охлаждении происходит рекристаллизация полупроводникового кристалла с примесью. В результате в полупроводнике образуется область с нужной электропроводностью (рис. 40). По такой
технологии получают резкие (ступенчатые) pn-переходы, обладающие:
высокой надежностью;
высокой работоспособностью при больших обратных напряжениях;
малым прямым падением напряжения.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]