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 310¹⁸

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 310¹⁶

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 = 1,610^-19 Кл

16. Т = 300 К

17. kТ/q = 0,025

18. _= 8,8510^-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 Омсм. 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:

1. режим отсечки – оба электронно-дырочных перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток;

2. режим насыщения – оба электронно-дырочных перехода открыты;

3. 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 r_{к 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

На рисунке 3 изображена топология биполярного транзистора:

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:

11. Ёмкость коллекторной области:

12. Ёмкость изолирующего перехода:

13. Предельная частота коэффициента передачи тока: