3 Биполярные транзисторы

3.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Устройство и принцип действия транзистора

Биполярным транзистором называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих электронно-дырочных перехода (рис. 3.1). В транзисторе чередуются по типу электропроводности три области полупроводника. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы типов р-n-р и n-р-n; принцип действия их одинаков.

О дну из крайних областей транзисторной структуры легируют сильнее; ее используют обычно в режиме инжекции и называют эмиттером. Промежуточную область называют базой, а другую крайнюю область – коллектором. Основным назначением коллектора является экстракция носителей заряда из базовой области, поэтому размеры у него больше, чем у эмиттера. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между коллектором и базой — коллекторным. Показанные на рис. 3.1 жирными линиями электроды создают омический контакт эмиттерной, базовой и коллекторной областей с соответствующими Рис.3.1. выводами.

На эмиттер для обеспечения режима инжекции подается прямое напряжение (Eэб> 0) на коллектор, работающий в режиме экстракции, – обратное напряжение E_КБ. Общая точка эмиттерной и коллекторной цепей соединена с базовым электродом. Такое включение транзистора носит название схемы с общей базой. Способы включения с общим эмиттером и с общим коллектором будут рассмотрены далее.

Толщина базы w в транзисторе значительно меньше диффузионной длины дырок, благодаря этому основная часть дырок, инжектируемых эмиттером, пролетает сквозь базу до коллекторного перехода. Здесь дырки увлекаются полем коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, и создают в его цепи ток, величина которого пропорциональна эмиттерному току Iэ:

Iк = аIэ.

Коэффициент пропорциональности а называется коэффициентом передачи тока эмиттера. При достаточно тонкой базе, когда потери дырок за счет рекомбинации их в базе малы, коэффициент передачи тока может доходить до 0,99 и более.

Кроме того, в цепи коллектора протекает собственный обратный ток коллекторного перехода, имеющий небольшую величину. Его обозначают I_кбо. Индекс К указывает, что это собственный обратный ток коллекторного перехода, индекс Б означает, что транзистор включен по схеме с общей базой, индекс 0 указывает, что ток измеряется при разомкнутой цепи эмиттера (обрыв) *. 1 Как и в полупроводниковом диоде, собственный обратный ток коллекторного перехода имеет три составляющие: ток экстракции I_Ко, термоток перехода I_Кт и ток поверхностной проводимости перехода I_Ку:

I_КБО = I_КО + I_Кт + I_Ку.

Полный ток коллектора

Iк = аIэ + I_кбо. (3.1)

Транзистор представляет собой управляемый прибор, его коллекторный ток зависит от тока эмиттера. Изменение тока коллектора при изменении эмиттерного тока происходит с очень малой инерцией, если база достаточно тонкая. Это позволяет использовать транзистор не только на низких, но и на высоких частотах.

Поскольку напряжение в цепи коллектора, включенного в обратном направлении, может быть значительно больше, чем в цепи эмиттера, включенного в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке R, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление током в цепи эмиттера, т. е. транзистор обладает усилительным эффектом. Эти качества в сочетании с малыми габаритами, высокой надежностью, долговечностью и экономичностью обусловили широкое применение транзисторов в современной электронной технике.

Технологические типы биполярных транзисторов

Сплавные транзисторы. В тщательно отшлифованную пластинку легированного сурьмой монокристалла германия, имеющую обычно размер 0,1X2, 7X2,7 мм, в атмосфере водорода при температуре 500 – 560°С с двух сторон вплавляют индий. Процесс вплавления продолжается до тех пор, пока расстояние между образующимися р-областями станет достаточно малым (50— 60 мкм). В результате создается трехслойная структура с двумя близко расположенными электронно-дырочными переходами (рис. 3.2). Затем германиевую пластинку укрепляют на металлическом кристаллодержателе, помещают в герметичный металлический корпус (рис. 3.3). Выводы эмиттера и коллектора пропускают сквозь стеклянные изоляторы, закрепленные в корпусе, вывод базы соединяют непосредственно с корпусом.

Транзисторы этого типа имеют сравнительно большое тепловое сопротивление (до 300°С/Вт), так как отвод тепла от коллекторного перехода у них происходит вдоль тонкой германиевой пластинки базы, имеющей малую теплопроводность. Поэтому предельная мощность рассеяния таких транзисторов не превышает 250 мВт.

На рис. 3.4 показана конструкция транзистора, имеющего большую мощность рассеяния. Здесь осуществлен непосредственный тепловой контакт с корпусом прибора, для чего индиевый коллектор припаивают к дну корпуса прибора. При этом тепловое сопротивление между корпусом и прибором снижается до 0,5–1°С/Вт, что позволяет рассеивать на коллекторе мощность до 100–150 Вт и более.

2

Рис.3.2

Германиевая пластинка

Германий металлический

Рис. 3.3

Д ля мощных транзисторов исключительно важное значение имеет получение минимального теплового сопротивления между корпусом транзистора и теплоотводом. С этой целью применяют прокладки из индиевой фольги и специальные пасты. Если коллектор транзистора имеет потенциал относительно шасси устройства, то между шасси и корпусом прибора прокладывают электрическую изоляцию, имеющую низкое тепловое сопротивление: слой окиси бериллия или тонкий лист слюды.

Благодаря относительной простоте сплавная технология получила широкое применение при изготовлении транзисторов. Рис. 3.4

Однако при этом возникают затруднения в получении достаточно однородных переходов большой площади. Поэтому в настоящее время перешли к белее совершенной диффузионной технологии.

Диффузионный метод изготовления транзисторных структур.

Легирующие примеси вводят в полупроводник из парообразной или жидкой фазы путем диффузии, т. с. направленного переноса частиц примеси, вызываемого их тепловым движением и градиентом концентрации. Например, если запаянную ампулу, в которой находятся пластинки чистого германия и сурьма, нагреть до температуры 750—850°С, то атомы испарившейся сурьмы будут интенсивно внедряться в германии, в результате поверхностный слой германия приобретет повышенную концентрацию донорной примеси — сурьмы.

Если концентрация примеси у поверхности полупроводника постоянна, то в результате диффузии частиц в глубь полупроводника в нем создается следующее распределение примеси:

(3.2)

3

где D — коэффициент диффузии примеси; t— время диффузии; N₀ — концентрация примеси у поверхности полупроводника.

Из графика этой зависимости (рис. 3.5) видно, что глубина проникновения примеси в полупроводник зависит от продолжительности процесса диффузии. Время, необходимое для создания легированного слоя достаточной толщины, измеряется десятками минут и даже часами. Это позволяет контролировать диффузионный процесс и точно управлять им, вследствие чего оказывается возможным получение очень тонких базовых слоев (менее 1 мкм).

Рис. 3.5 Рис. 3.6

Скорость диффузии зависит от вида диффундирующей примеси. В частности, для донорных примесей в германии она выше, чем для акцепторных примесей. В кремнии, наоборот, акцепторные примеси диффундируют быстрее, чем донорные. Это дает возможность, осуществляя одновременно диффузию нескольких примесей, получать в толще полупроводника многослойные структуры с переходами (рис. 3.6).

При изготовлении транзисторов диффузионным методом концентрация примеси в базе получается более высокой у эмиттера, что снижает омическое сопротивление базы г_б, и более низкой у коллекторного перехода, что уменьшает его емкость; одновременно повышается пробивное напряжение коллектора.

Первые транзисторы, изготовленные диффузионным методом, появились в 1956 г. С тех пор разработан ряд методов их изготовления, наиболее распространены в настоящее время пленарный и планарно-эпитаксиальный методы.

Планарные и планарно-эпитаксиальные транзисторы.

Отшлифованную пластинку монокристаллического легированного фосфором кремния, имеющую распределение концентрации примесей n+-n (рис. 3.7,a), после химической очистки и промывки помещают в атмосферу влажного кислорода, где она при высокой температуре покрывается тонкой и плотной пленкой двуокиси кремния SiO₂, эффективно защищающей поверхность кремния от воздействия внешней среды и проникновения примесей (рис. 3.7, б). Затем в пленке окисла методом фотолитографии вытравливают окна (рис. 3.7, в) и пластинку подвергают воздействию паров борной кислоты. Бор диффундирует в кремний в каждом окне на глубину в несколько микрометров, создавая слой с электропроводностью р–типа – базу будущей транзисторной структуры. Наружная поверхность р-слоя при этом вновь покрывается защитной пленкой двуокиси кремния. так же как и выход образовавшегося на границе р- и n-областей р-n-перехода (на рисунке не показано). Далее в пленке окисла 4 методом фотолитографии вновь создают окна несколько меньшего размера и в атмосфере пятиокиси фосфора производят диффузию донорной примеси.

Рис. 3.7

В результате образуются эмиттерная область с электропроводностью n+ -типа и эмиттерный переход (рис. 3.7, г), который при этом также покрывается снаружи защитной пленкой окисла (на рисунке не показано). Остается вскрыть окна для алюминиевых электродов базы и эмиттера, нанести эти электроды (рис. 3.7,д) и транзисторные структуры готовы. После резки пластинки на отдельные элементы, содержащие по одной транзисторной структуре, каждый элемент, называемый кристаллом, впаивают коллектором на дно ножки стандартного корпуса, эмиттерный и базовый контакты присоединяют тонкими проводниками к соответствующим траверсам ножки. Собранную ножку в осушенной атмосфере закрывают металлическим колпачком и герметизируют (рис. 3.8). Выпускаются также бескорпусные транзисторы, у которых климатическая защита осуществляется с Рис. 4.8 помощью тонкой пленки силикатного стекла.

Планарные транзисторы имеют переменную концентрацию примесей в базе, уменьшающуюся в сторону коллектора, что снижает, как указывалось, сопротивление базы и емкость коллектора. Градиент примеси имеется и в эмиттере, что уменьшает его емкость и распределенное сопротивление эмиттера, а также повышает пробивное напряжение эмиттерного перехода.

В пленарных транзисторах применяют двухслойный коллектор n+-n-типа (см. рис. 3.7) с целью снижения сопротивления тела коллектора г_к при сохранении небольшой емкости коллектора С высокого пробивного напряжения коллекторного перехода. Сильно легированная область n+ обеспечивает получение низкого сопротивления тела коллектора, а тонкий высокоомный слой n позволяет снизить емкость коллекторного перехода и повысить его пробивное напряжение.

5

Эффективным способом создания высокоомного слоя коллектора является наращивание на поверхности низкоомной подложки тонкой пленки, имеющей точно такую же монокристаллическую структуру, как подложка, и являющейся как бы ее естественным продолжением. Наращивание таких пленок, называемых эпитаксиальными, осуществляют путем осаждения атомов полупроводника из газовой фазы на чистую однородную монокристаллическую подложку из того же материала. Обычно для этой цели используют реакцию термического разложения четыреххлористого кремния в атмосфере водорода, протекающую при высокой температуре порядка 1100°С:

SiCl₄ + 2H₂ = 4HCl + Si ↓

Кремний, выделяющийся в результате реакции, осаждается на подложке, образуя на ней эпитаксиальный слой.

Эпитаксиальная технология, обеспечивающая более точный контроль толщины высокоомного слоя, позволяет существенно улучшить параметры приборов. Планарно-эпитаксиальные транзисторы отличаются низким сопротивлением тела коллектора г_к, малой емкостью коллектора С_кб и большим пробивным напряжением.

Тщательная защита коллекторного перехода от внешних воздействий пленкой окисла обеспечивает почти полное отсутствие поверхностных токов утечки. В этих условиях обратный ток коллекторного перехода определяется только термогенерацией носителей заряда в объеме полупроводника и величина его оказывается исключительно малой, составляя тысячные доли микроампера. Этим пленарный и планарно-эпитакснальный транзисторы выгодно отличаются от других типов транзисторов, так же как малым разбросом и стабильностью параметров.