Министерство науки и образования РФ
Новосибирский Государственный Технический Университет
Кафедра ПП и МЭ
Курсовая работа по элементной базе электроники
Биполярный транзистор (БТ – 4)
Факультет: РЭФ
Группа: РМС7-11
Студент: Нечаева М.В.
Преподаватель: Макаров Е.А.
Отметка о защите:
Новосибирск 2013
Исходные данные для проектирования
Эмиттерный слой
1. Концентрация доноров, см3 3*1020
2. Глубина залегания, мкм 1
3. Площадь эмиттера, мкм2 10
Базовый слой
4. Концентрация акцепторов, см-3 31018
5. Глубина залегания, мкм 1.5
6. Время жизни электронов, нс 150
7. Скорость поверхностной рекомбинации, см/с 3*103
Эпитаксиальная пленка
8. Концентрация доноров, см-3 31016
9. Толщина пленки, мкм 2,5
10. Диффузионная длина дырок, мкм 0,03
Подложка
11. Концентрация акцепторов, см-3 1015
Скрытый слой
12. Поверхностная концентрация доноров, см-2 1015
13. Глубина залегания, мкм 2
Используемые константы
14. = 3,14
15. q = 1,610-19 Кл
16. Т = 300 К
17. kТ/q = 0,025
18. = 8,8510-14 Ф/см
Структура биполярного транзистора
Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.
Область транзистора, расположенную между p-n переходами, называют базой. Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из областей изготавливают так, чтобы из нее наиболее эффективно происходила инжекция носителей в базу, а другую – так, чтобы соответствующий p-n переход наилучшим образом осуществлял экстракцию носителей из базы.
Биполярные транзисторы являются основными активными элементами биполярных ИМС. Транзисторы n-p-n типа используются гораздо чаще, чем p-n-p, так как у n-p-n структуры проще обеспечить необходимые характеристики.
Планарно-эпитаксиальный транзистор со скрытым слоем и изоляцией p-n-перехода является наиболее широко распространённой разновидностью биполярного транзистора ИМС. Его физическая структура дана на рис. 1., а одномерное распределение легирующих примесей на рис. 2.
Р ис. 1 Физическая структура n-p-n интегрального транзистора
со скрытым слоем и изоляцией p-n переходов.
Исходным материалом служит кремниевая подложка p-типа с удельным сопротивлением порядка 5…20 Омсм. Основные процессы, используемые для изготовления n–p–n транзисторов со скрытым слоем:
-
на поверхность подложки p–типа методом селективной диффузии создается скрытый слой n+-типа;
-
создается кремниевая пленка n–типа толщиной обычно 1-3 мкм;
-
проводится глубокая диффузия акцепторной примеси, обеспечивающая электрическую изоляцию этих элементов (этот процесс наиболее сложен);
-
выполняется диффузия донорной примеси для создания сильно легированной области n+-типа под коллекторным электродом;
-
диффузионным способом формируется база и эмиттер;
-
создаются контактные окна;
-
завершающими процессами являются металлизация, проводимая для получения токоведущих дорожек, и пассивирование.
Сюда входят классические процессы обработки кремния: фотолитография, диффузия и/или ионная имплантация, эпитаксия, высокотемпературная оксидирование, металлизация, отчистка поверхности, травление и нанесение из газовой фазы защитной пленки (пассивирование).
В заимодействие между p-n-переходами будет существовать, если толщина области между переходами (толщина базы) будет много меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. В этом случае носители заряда, инжектированные через один из p-n-переходов при его смещении в прямом направлении, могут дойти до другого перехода, находящегося под обратным смещением, и изменить его ток. Таким образом, взаимодействие выпрямляющих электрических переходов биполярного транзистора проявляется в том, что ток одного из переходов может управлять током другого перехода.
Рис. 2 Распределение примесей в активной области транзистора.
Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:
-
режим отсечки – оба электронно-дырочных перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток;
-
режим насыщения – оба электронно-дырочных перехода открыты;
-
активный режим – один из электронно-дырочных переходов открыт, а другой закрыт.
В режиме отсечки и в режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы (усиление, генерирование, переключение, и т.п.).
Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может существовать или отсутствовать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым, если же поле в базе отсутствует – бездрейфовым.
Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов и напряжений в различных его цепях и взаимным их влиянием друг на друга. Чтобы рассмотреть работу транзистора на постоянном токе, необходимо изучить стационарные потоки носителей в нем. Это дает возможность получить статические характеристики и параметры БП – соотношения между его постоянными токами и напряжениями.
Существенно снизить последовательное сопротивление коллектора удается, перейдя к конструкции транзистора типа n-p-n со скрытым слоем. Сопротивление rк пос. такого транзистора становится пренебрежимо малым, благодаря чему эти транзисторы используются в составе биполярных ИС.
Ниже представлен еще один вариант выполнения БТ, который также часто применяется в ИМС:
Рис.3 Поперечное сечение типичного n-p-n -транзистора, входящего в состав ИС.
Теоретически профили распределения примесей в активной области данного прибора описываются следующим графиком:
Рис.4. Профили распределения примесей под эмиттерным переходом.
Топология биполярного транзистора
Основные процессы, используемые для изготовления n–p–n транзисторов со скрытым слоем:
-
на поверхность подложки p–типа методом селективной диффузии создается скрытый слой n+-типа;
-
создается кремниевая пленка n–типа толщиной 3 мкм;
-
проводится глубокая диффузия акцепторной примеси, обеспечивающая электрическую изоляцию этих элементов (этот процесс наиболее сложен);
-
выполняется диффузия донорной примеси для создания сильно легированной области n+-типа под коллекторным электродом;
-
диффузионным способом формируется база и эмиттер;
-
создаются контактные окна;
-
завершающими процессами являются металлизация, проводимая для получения токоведущих дорожек, и пассивирование.
Сюда входят классические процессы обработки кремния: фотолитография, диффузия и/или ионная имплантация, эпитаксия, высокотемпературная оксидирование, металлизация, отчистка поверхности, травление и нанесение из газовой фазы защитной пленки (пассивирование).
Цифрами
обозначены следующие области: 1
– разделительная диффузия р+-кремния 2
– скрытый n+-слой 3
– коллектор (n+) 4
– металлизация коллекторного окна 5
– контактное окно коллектора 6
– база (р) 7
– эмиттер 8
– металлизация эмиттерного окна 9
– контактное окно эмиттера 10
– металлизация базового окна 11
– контактное окно базы
Рис.5 Топология биполярного транзистора.
Расчет параметров:
1. Нормальный коэффициент передачи:
2. Инверсный коэффициент передачи:
3. Коэффициент передачи в подложку:
4. Начальный диффузионный ток эмиттерного перехода:
5. Начальный диффузионный ток коллекторного перехода
6. Начальный диффузионный ток скрытого слоя:
7. Сопротивление базовой области:
8. Сопротивление коллекторной области :
9. Сопротивление эмиттерной области:
10. Ёмкость эмиттерной области:
12. Ёмкость изолирующего перехода:
13. Предельная частота коэффициента передачи тока: