Документ: LS-Sb89566, страницы 6-10 | База учебных материалов

УКАЗАНИЯ ПО РАЦИОНАЛЬНОМУ ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

Выбор материала для изготовления транзистора

Низкочастотный бездрейфовый транзистор представляет собой высокоомную базовую пластину, в которой методом вплавления примесей сформированы сильнолегированные области эмиттера и коллектора. При формировании электронно-дырочных переходов этим методом в качестве легирующих материалов используют чистые металлы и сплавы, называемые электродными. Электродный материал должен обладать способностью создавать

вполупроводниковом материале (германии, кремнии) области с типом электропроводности, противоположным исходному. Кроме того, он образует с исходным полупроводником базы эвтектический сплав.

На первом этапе формирования сплавного р–n -перехода производят нагрев базовой пластины с навесками из электродного материала до температуры плавления эвтектики. На поверхности полупроводника при этом образуются связи между атомами твёрдого полупроводника базы и атомами расплавленного электродного материала, которые за счёт своего теплового движения вытягивают атомы полупроводника из кристалла. Происходит процесс растворения материала базы в расплаве навески. Охлаждение пластины приводит к рекристаллизации исходного полупроводника из раствора. При этом концентрация примеси в рекристаллизованной области определяется температурой вплавления Tвпл и предельной растворимостью легирующей примеси

висходном полупроводнике.

				Таблица 1
Полупроводниковые электродные материалы, используемые
для изготовления сплавных биполярных транзисторов

Исходный	Электродный	tвпл , ° С		NЭ, см–3
полупроводник	материал	tвпл , ° С		NЭ, см–3
полупроводник	материал

n-Ge	In-Ga	450	… 650	2×1019

p-Ge	Pb-Sb	650	… 750	1×1019

n-Si	Al	1100	… 1250	2×1019

p-Si	Sn-P	900 … 1200		1×1021

В табл. 1 приведены некоторые часто используемые электродные материалы, соответствующие им температуры вплавления и концентрации при-

- 6 -

меси в рекристаллизованных областях эмиттера NЭ и коллектора NК , при

этом NЭ = NК .

Материал полупроводниковой структуры выбирают по заданной максимальной температуре коллекторного перехода ТП: принято считать, что элек- тронно-дырочный переход из германия устойчиво работает до температуры 85 ° С, а переход из кремния – до 125 ° С. Тип электропроводности исходного

Напряжение пробоя Uпр, В

1000

100

10

1

1014

T = 300 K

Si

Ge

1015

1016

1017

1018

Концентрация примеси, см– 3

Рис. 2. Зависимость напряжения пробоя от концентрации примеси в слаболегированной базе

материала (р или n) задается типом электропроводности базы рассчитываемого транзистора. Концентрацию примеси в базе выбирают исходя из заданного максимально допустимого напряжения UКБmax так, чтобы обеспечить пробивное напряжение перехода U проб = (1,3 − 2)U КБmax . Для резкого несимметричного сплавного перехода зависимость U проб от концентрации примеси

в слаболегированной базе [2] приведена на рис. 2.

Зная концентрацию примеси в базе NБ , можно рассчитать концентрацию неосновных носителей заряда NБН .

- 7 -

Необходимые для расчета сведения можно найти в прил. 1. Для определения подвижности μБН неосновных носителей заряда можно воспользоваться данными, приведенными на рис. 3 [2].

104

Подвижность m, см2/(В×с)

103

102

Si

μn

μp

Подвижность m, см2/(В×с)

1014

104

103

102

1015

1016

1017

1018

1019

Концентрация примеси NД или NА, см-3

μn

Ge

μp

1014

1015

1016

1017

1018

1019

Концентрация примеси NД или NА, см– 3

Рис. 3. Подвижности носителей в германии и кремнии в зависимости от концентрации примеси при Т = 300 К

Для заданного типа электропроводности базы можно определить удельное сопротивление ρБ, используя данные [2], приведенные на рис. 4.

При этом оно должно быть не менее значения, найденного графически. По удельному сопротивлению выбирают марку полупроводника базы и

определяют диффузионную длину неосновных носителей заряда в базе LБ (см. табл. П.2.3). Зная подвижность, находят коэффициент диффузии неосновных носителей в базе:

- 8 -

kT		= 39
где


	q

Удельное сопротивление r, Ом×см

	= μ	kT
D				,

БН		БН
			q

В−1 при комнатной температуре.

103

102

101
						p-Si

100






								n-Si

10−1








		p-Ge

10−2











10−3					n-Ge
					n-Ge



10−4




1014	1015		1016	1017			1018		1019	1020	1021

Концентрация примеси, см−3

Рис. 4. Удельное сопротивление в германии и кремнии в зависимости от концентрации примеси при Т = 300 К

Затем, используя найденное значение LБ , по формуле

τБ = L2Б

DБН

рассчитывают время жизни неосновных носителей в базе.

Определение размеров элементов транзисторной структуры

Площадь эмиттерного перехода оценивают по заданному току IКmax и допустимой плотности прямого тока jпр max через электронно-дырочный пе-

реход. Для прибора из германия j	= 100 A / см2 , из кремния j	=
пр max	пр max

= 200 А/см2. Считая, что наибольший ток эмиттера IЭmax = IКmax , определяют нижний предел площади эмиттерного перехода [3]:

- 9 -

			I	К max
S		³		К max	.
S		³	j		.
	Э		j
			прmax

На рис. 5 приведены варианты структур сплавных транзисторов. Выбор топологии и линейных размеров эмиттера следует проводить с учетом эффекта вытеснения тока инжекции на периферию эмиттера [3]. В результате протекания базового тока на объёмном сопротивлении базы возникает падение напряжения. Оно уменьшает прямое смещение той части эмиттера, которая наиболее удалена от базового контакта. В результате ток инжекции эмиттера смещается на его край, обращенный к базовому контакту. Принято считать, что эффективно работает лишь часть эмиттерного перехода шириной порядка диффузионной длины неосновных носителей в базе LБ .

Если в осесимметричной структуре радиус эмиттера по расчету оказался больше LБ , то следует выбрать структуру с кольцевым эмиттером, причем ширина кольца не должна превышать LБ . По тем же причинам в полосковой структуре переходят от одноэмиттерной к многоэмиттерной конструкции, при этом ширина эмиттерных полос выбирается меньшей чем LБ .

Конфигурацию коллекторного перехода выбирают так, чтобы обеспечить наиболее полное собирание инжектированных в базу неосновных носителей, не увеличивая при этом безмерно барьерную емкость коллекторного перехода. Обычно выбирают SЭ ³ (2...3) SК .

Расчет толщины активной части базы проводят по заданной граничной частоте коэффициента передачи тока базы, т. е. по частоте, при которой модуль коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером становится равным 1 [4]. Частотная зависимость коэффициента передачи тока эмиттера α приближенно описывается выражением [4]

a(w) = + α w . 1 j wα

Для сплавного транзистора основным процессом, определяющим его быстродействие, является диффузионное движение неосновных носителей через базу. Время этого движения можно оценить по формуле [4]

2 tдиф = wα−1 = w .

2DБН

- 10 -

Материал: LS-Sb89566

Смотрите также: