Міністерство  освіти і науки України

Вінницький  національний технічний університет

Інститут  автоматики, електроніки та комп’ютерних систем управління 

                                                                                Факультет ФЕЛТ

                                                              Кафедра електроніки 
 
 

Германієвий дрейфовий транзистор

(n-p-n) 

Курсова робота

з дисципліни “Твердотіла електроніка” 
 
 
 
 

Керівник, асистент           ____________________    Мельничук О.М.

Студент. гр. ЕП-07           ____________________    Богачов Ю.Ю.                                       
 
 
 

2009

     Зміст 

     Технічне  завдання

     Анотація 

     Вступ……………………………………………………………………

     1. Аналіз стану питання………………………………………………..

     2. Фізика роботи………………………………………………………..

          2.1 Принцип дії та основні параметри.............................................

          2.2 Вплив режимів роботи на параметри транзисторів..................

          2.3 Представлення транзистора у  вигляді чотириполюсника........

     3. Методика розрахунку.........................................................................

     4. Технологія виготовлення....................................................................

     Висновки..................................................................................................

     Література................................................................................................

     Додатки.................................................................................................... 
 
 
 
 
 

      АНОТАЦІЯ

      В даній курсовій роботі розглянуто принцип роботи n-p-n транзистора; проведено розрахунок електричних параметрів, максимальної робочої частоти, знаходження вихідних характеристик, передаточної характеристики та її крутизну в області насичення  за заданими розмірами; до кожного розрахунку розроблено програму  мовою програмування  Delphi 6.0; проведено тепловий розрахунок транзистора. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВСТУП 

     Бурхливий розвиток напівпровідникової електроніки  почалося наприкінці 50-х років. В даний час без напівпровідникової електроніки немислиме освоєння космосу й океанських глибин, атомна і сонячна енергетика, радіомовлення і зв'язок, комп'ютеризація й автоматизація, дослідження живих організмів.

     Напівпровідникова електроніка вивчається у декількох курсах: фізика напівпровідників, фізика напівпровідникових приладів, мікроелектроніка, технологія напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем. Курс фізики напівпровідникових приладів є власне кажучи фізичною основою мікроелектроніки і поділ між дискретними приладами і мікроелектронікою дуже умовний.

     В перші роки свого розвитку інтегральні  мікросхеми складалися з ізольованих  дискретних елементів, створюваних  в одному кристалі і з'єднувальних металевих смужках по поверхні. Їхній сучасний розвиток характеризується використанням об'ємних зв'язків, при яких елементи мають загальну базу і сигнал передається шляхом переносу носіїв заряду з бази одного елемента в базу іншого. Ланцюг елементів із загальною базою вже не можна представити у виді дискретних приладів, а необхідно розглядати як єдиний напівпровідниковий прилад, що виконує функції цілої схеми з дискретних елементів.

     Біполярний  транзистор - основний напівпровідниковий прилад, що служить для підсилення, генерування, збереження і передачі інформації не тільки в інтегральних схемах, але й в інших пристроях електроніки. Транзистор був винайдений у 1947 р. Теоретичні основи його роботи були опубліковані Шоклі в 1949 р. При наступному розвитку теорії транзисторів розроблялися питання підвищення робочих частот, потужності, поводження транзисторів у режимах перемикання. Одночасно з розвитком теоретичних основ швидко удосконалювалася технологія виробництва транзисторів, що дозволило збільшити потужність, поліпшити частотні властивості, підвищити їхню надійність. Крім того, дослідження в області фізики напівпровідників, теорії і технології транзисторів не тільки сприяли розвитку інших напівпровідникових приладів, але і допомогли створенню новітньої технології інтегральних схем.

     Біполярні транзистори використовуються в  космічних апаратах, обчислювальних машинах, засобах зв'язку в пристроях автоматики, оптоелектроніки й інших галузях.

     Фундамент сучасної радіоелектронної апаратури  складають великі і над великі інтегральні схеми, при цьому основним елементом інтегральних схем є транзистор. Тому вивчення фізичних процесів, які відбуваються в транзисторних структурах дає можливість зрозуміти роботу транзисторів, правильно їх конструювати і застосовувати на практиці [1].

     Темою курсової роботи є дрейфовий германієвий n-p-n транзистор.

     Метою даної курсової роботи є дослідження  фізичних процесів та роботи  дрейфового германієвого n-p-n транзистора, визначення основних теоретичних залежностей, які показують зв'язок головних характеристик приладів з електрофізичними параметрами напівпровідникових матеріалів.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 АНАЛІЗ СТАНУ ПИТАННЯ 

     ТРАНЗИСТОР  — напівпровідниковий прилад, призначений для посилення електричного струму і керування ним. Транзистори випускаються у виді дискретних компонентів в індивідуальних корпусах або у виді активних елементів так званих інтегральних схем, де їхні розміри не перевищують 0,025 мм. У зв'язку з тим що транзистори дуже легко пристосовувати до різних умов застосування, вони майже цілком замінили електронні лампи. На основі транзисторів і їхніх застосувань виросла широка галузь промисловості – напівпровідникова електроніка [2].

     Одне  з перших промислових застосувань  транзистор знайшов на телефонних комутаційних станціях. Сьогодні транзистори і багатотранзисторні інтегральні схеми використовуються в радіоприймачах, телевізорах, магнітофонах, дитячих іграшках, кишенькових калькуляторах, системах пожежної й охоронної сигналізації, ігрових телеприставках і регуляторах усіх видів – від регуляторів світла до регуляторів потужності на локомотивах і у важкій промисловості. В даний час «транзисторизовані» системи вприскування палива і запалювання, системи регулювання і керування, фотоапарати і цифрові годинники. Найбільші зміни транзистор зробив, мабуть, у системах обробки даних і системах зв'язку – від телефонних підстанцій до великих ЕОМ і центральних АТС. Космічні польоти були б практично неможливі без транзисторів. В області оборони і військової справи без транзисторів не можуть обходитися комп'ютери, системи передачі цифрової даних, системи керування і наведення, радіолокаційні системи, системи зв'язку і різноманітне інше устаткування. У сучасних системах наземного і повітряного спостереження, у ракетних військах – усюди застосовуються напівпровідникові компоненти. Перелік видів застосування транзисторів майже нескінченний і продовжує збільшуватися.

     У 1954 було зроблено не набагато більше 1 млн. транзисторів. Зараз цю цифру  неможливо навіть вказати. Спочатку транзистори коштували дуже дорого, зараз ціни набагато менші.

     В наш час існують потужні транзистори  розміром як сірникова коробка, що можуть працювати при напругах до тисячі вольт при струмах десятки  ампер і на противагу таким  пристроям існують великі гібридні інтегральні схеми в яких сотні тисяч біполярних транзисторів можуть міститися на одній підкладці площею 1 см².

     Будуть  і далі удосконалюватися й усе  ширше застосовуватися такі методи, як іонна імплантація. Розшириться  застосування інтерметалічних з'єднань. Транзистори в інтегральних схемах зменшаться в розмірах, стануть більш швидкодіючими, будуть споживати менше потужності. Розвиток транзисторної техніки піде по двох напрямках: будуть нарощуватися робоча потужність і робоча напруга дискретних транзисторів. В області низьких рівнів потужності все більшу роль будуть грати інтегральні схеми. Ціни на них будуть і далі знижуватися. Буде усе більше розширюватися коло застосування інтегральних схем у логічних пристроях, системах контролю і керування, системах обробки інформації для всіх аспектів життя людини і суспільства. У 1960 минулому вперше створені інтегральні схеми усього лише з декількома біполярними транзисторами на мікрокристал. У 1976 ступінь інтеграції перевищила чверть мільйона. ДО 1980 цей показник досяг майже мільйона, а в 2000 наблизився до 10 млн.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 ФІЗИКА РОБОТИ 

2.1 Принцип дії та  основні параметри 

     Біполярні транзистори працюють на основі використання носіїв обох знаків — електронів і  дірок, внаслідок чого вони й одержали таку назву. Транзистор р-n-р-типу (мал. 2.1,a) складається з двох р-п-перехідів із загальною базою. Один р-n-перехід включається в прямому напрямку і інжектує у базу дірки, він називається емітером, другий називається колектором, тому що він включається в зворотному напрямку і збирає інжектовані емітером дірки.

     При відключеному емітері струм колектора I_КБ0 = І_нас — зворотному струму n-p- перехіду. Якщо емітер включити в прямому напрямку, то інжектовані їм дірки проходять через базу і збільшують струм колекторного переходу. Частина дірок рекомбінує в об’ємі бази і на її поверхні. Для зменшення цих втрат ширина бази W повинна бути багато менша дифузійної довжини дірок L_р. 

Рис. 1. Структура  n-p-n транзистора  

     Енергетична структура n-p-n транзыстора 

     Емітерний n-p- перехід з базою за таких умов не відрізняється від n-p- переходу з тонкою базою при s_К=¥, тому що електричне поле колекторного n-p- переходу швидко переносить дірки в колектор і р_б(x=W)=0. Відповідно вольтамперна характеристика описується формулою

і розподіл концентрації інжектованих носіїв у базі можна вважати практично лінійним.

     Структура на мал.1 являє собою підсилювач, зміна струму у вхідному ланцюзі якого (емітері) приводить до зміни струму у вихідному ланцюзі (колекторі). Очевидно, зміна струму колектора в даному випадку не може бути більше зміни струму емітера, тобто коефіцієнт підсилення по струму менше 1. Така схема може дати посилення по потужності, тому що струми емітера і колектора майже рівні, але опір навантажувального резистора R_п багато більше опору емітера при прямому зсуві. Колекторний струм створює на навантажувальному резисторі спад  напруги 1_кR_н, що зміщує колектор у прямому напрямку. Тому для нормальної роботи транзистора необхідно, щоб напруга джерела живлення колектора U_к було завжди більше 1_кR_н. На цьому заснований принцип дії n-p-n- транзистора. Так само працює і p-n-p- транзистор. Визначимо основні параметри n-p-n- транзистора.

     У розглянутому випадку електрод бази є загальним для вхідного і  вихідного ланцюгів, тому така схема  включення транзистора називається схемою з загальною базою (ЗБ). Підсилювальні властивості транзистора в схемі з ЗБ характеризуються коефіцієнтом передачі струму h_{21 Б}, рівним відношенню зміни вихідного струму до зміни вхідного. Звичайно на транзистор подаються постійні І_ЭО й U_ко, на які потім накладаються змінні складові. Змінні складові струмів емітера I_э і колектора I_к можна ототожнити зі змінами цих струмів, тому 

                                                      (2.1)

     Емітерний n-p- перехід включений у прямому напрямку, і струм через нього складається з дірок, инжектованих у n- область, і електронів, инжектованих у р- область: I_э=I_рэ+I_пэ. Тоді (2.1) можна переписати у вигляді 

                                                (2.2) 

     де g =I_рЭ/(I_рэ+I_пэ)— ефективність емітера, b =I_рк/I_рэ — коефіцієнт переносу, g_K = I_к/I_рк — ефективність колектора.

     Ефективність  емітера. Цей параметр визначає частина струму через емітерний n-p- перехід, що відповідає інжекції дірок з p- у n- область. Саме ця частина струму є корисною для роботи транзистора. Як випливає з (2.2), 

                                                           (2.3) 

     Для   одержання  високої  ефективності    емітера     необхідно, щоб  I_рэ>>I_пэ. У цьому випадку з урахуванням того, що  I_Р ~D_рр_п /L_р і I_п ~ D_пп_р /L_п (3.3) прийме вигляд 

                                          (2.4) 

     З формули видно, що для збільшення g необхідно, щоб n_p<p_n. Тому що п_рр_р = п_пр_п, то в якості емітерного переходу застосовується несиметричний p-n-перехід, у якому р_р>п_п. Використовуючи співвідношення і , (2.4) одержуємо

                                                (2.5) 

     де  перший індекс у рухливості позначає знак носія, а другий — у якій області він знаходиться. Вираз (2.5) отримано для n-p- переходу з довгою базою (W>>L_р). У транзисторі W<<L_Р і при малому рівні інжекції концентрація інжектованих носіїв у колектора близька до нуля, тому що сильне електричне поле колектора несе дірки з прилягаючого шару бази. Оскільки умови переносу інжектованих носіїв заряду через базу транзистора аналогічні умовам переносу в діоді з тонкою базою при s_K = 0, то, відповідно,  I_пэ ~ D_рр_п/W.  Тоді (2.5) можемо записати у вигляді 

                                                 (2.6) 

     Зазвичай s_p»10³ Ом^-1см^-1 , s_n»10³ Ом^-1см^-1, тому g практично дорівнює одиниці

     Коефіцієнт  переносу. Це основний параметр, що визначає залежність характеристик транзистора від частоти і режимів зсуву. За визначенням b= I_рк/I_Рэ (2.2). Вважаючи, що напруженість електричного поля в базі дорівнює нулю, можна записати

                                         (2.7) 

     Таким чином, обчислення струмів зводиться до визначення розподілу концентрації інжектованих носіїв у базі р(х) і обчисленню похідних у точках х=0 і х=W.

     У робочому режимі через емітер транзистора  протікає постійний прямий струм  I_эо і на колектор подається постійна зворотня напруга U_ко. Вхідний змінний сигнал подається в схемі з ЗБ на емітер і базу. Тому в базі існує постійна складова концентрації інжектованих носіїв, на яку накладається змінна. Нас цікавить посилення змінного сигналу в транзисторі. Записавши так само, як при розгляді еквівалентної схеми n-p- перехіду на малому змінному сигналі, вираз для напруг, струмів і концентрацій у видгляді суми постійної і змінної складових, можна одержати рівняння безперервності для змінної складової концентрації інжектованих носіїв у базі транзистора. Це рівняння має наступний розв’язок: 

                                          (2.8) 

     де  постійні А₁ і A₂ обчислюються з граничних умов.

     Зміна концентрації носіїв струму поблизу  емітера  (х = 0)   визначається  вхідним сигналом   і   може    бути     прийняте p₁ = 1, тому що в результаті необхідно обчислити відношення струмів   (2.7)   і неважливо, у яких одиницях його визначати. Тому A₁+A₂=1.   Оскільки колекторний   перехід включений у   зворотному напрямку, то його електричне поле витягає неосновні носії з  прилягаючої частини бази і їхню концентрацію можна вважати рівною нулю  (мал. 1,в). Отже p₁(W)= 0 і A₁ехр(W/L_р*)+A₂ехр(—W/L_Р*)=0. Розвязуючи разом два останніх рівняння, одержуємо

     Підставивши A₁ і A₂ у (3.8), одержимо  

                                                  (2.9)  

     Визначимо коефіцієнт переносу для змінної  складової 

                                 (2.10) 

     Використовуючи  вираз  для L_p*, одержуємо

     На  низьких частотах wt_Р<<1  і ß=sch(W/L_p). Так як W<<L_p то, використовуючи розкладання в ряд, одержимо

                              (2.11) 

     У цьому виразі врахований збиток неосновних носіїв за рахунок об'ємної рекомбінації при дифузії їх через базу. Воно справедливо для малого змінного сигналу, що відповідає малому рівню інжекції, тобто концентрація інжектованих носіїв р'_n<<n_n.

     Оцінимо вплив рекомбінації неосновних носіїв на поверхні бази на коефіцієнт переносу. Число рекомбінуючих на поверхні дірок sS_sр_s, де s — швидкість поверхневої рекомбінації; S_s — площа поверхні, на якій відбувається рекомбінація; р_s — концентрація інжектованих дірок на поверхні. Тоді струм дірок, рекомбінуючих на поверхні, I_s=q_sS_sр_s. Оскільки концентрація інжектованих дірок у емітера найбільша, то, відповідно, рекомбінаційний струм на поверхні буде найбільший поблизу емітера. Тому можна приблизно вважати р_s = р'_n, де 

                                                             (2.12) 

— концентрація інжектованих носіїв у базі біля емітера (1.12); біля колектора вона дорівнює нулю. Внаслідок малої товщини бази значення β знаходиться в інтервалі 0,9<b<1. Оскільки b є відношенням градієнтів концентрації инжектованих носіїв у базі в колектора і емітера (2.10), тo при b>0,9 можна вважати градієнти концентрації практично рівними. Тому градієнт концентрації нерівноважних носіїв у базі вважається постійним Тоді дірковий струм емітера I_РЭ=-qS_эD_рÑ_р= =qS_эD_р(р'_п/W), де S_э — площа емітера.

     Втрати  діркового струму на рекомбінацію на поверхні I_s/I_рэ⁼sS_sW/S_эD_р. Ці втрати сумуються з втратами на рекомбінацію в обємі: 

                                           (2.13)

     Якщо  конструкція транзистора має  вид, зображений на мал. 1,а, то, як неважко  переконатися, площа поверхні бази пропорційна W. У цьому випадку Ss=AW, де А — постійна, залежна від геометрії транзистора. Використовуючи рівність (2.13), можна записати b=1— 0.5(W/L_р)²(0,5+sАt_р/S_э).

     Ефективність  колектора. Цей параметр можна визначити як відношення повного струму колектора до діркового: g_к=(j_рк +j_nк)/j_рк= 1 + j_nк /j_pк На відміну від g ця величина завжди більше одиниці. Причина виникнення електронного струму наступна. Дірки, що прийшли з бази в колектор, внаслідок умови збереження електронейтральності викликають приплив через електрод колектора такого ж числа електронів. Ці електрони затягуються електричним полем колектора і переносяться в базу. Струми колектора  j_рк =qm_ррЕ—qD_рÑр,j_nк =qm_nnЕ—qD_nÑn.

2.2 Вплив режимів  роботи на параметри  транзисторів

     Залежність h_21Б від струму емітера. При розгляді цієї залежності (мал. 2,а) відзначимо, що на початковій ділянці концентрація інжектованих емітером носіїв мала і велика частина їх рекомбінує в області емітерного перехіду. Відповідно ефективність емітера g невелика, мале і h_21Б. Це характерно для кремнієвих транзисторів, де внаслідок малого значення n_i струми генерації-рекомбінації істотні. З ростом струму емітера інжекційний струм ( ~ ехр qU/kТ), росте швидше рекомбінаційного ( ~ ехр qU/kТ) і g збільшується.

     З подальшим збільшенням струму емітера  відбувається ріст h_21Б з наступної причини. При інжекції дірок у базу транзистора для збереження электронейтральності через електрод бази входить така ж кількість електронів. Розподіл електронів повторює розподіл дірок (див. мал. 1,в) так само, як у базі діода. Нерівноважні електрони не можуть дифундувати під дією градієнта концентрації від емітера до колектора, тому що з емітера немає припливу електронів і порушиться электронейтральність бази поблизу емітера.

     Внаслідок рівності нулю струму електронів існує  електричне поле, що перешкоджає дифузії  електронів. Електричне поле в базі прискорює рух дірок до колектора. З цієї причини ефективний коефіцієнт дифузії дірок при високих рівнях інжекції подвоюється

      .

 Таким  чином, зі збільшенням I_э швидкість дифузії дірок через базу росте, що приводить до зменшення об'ємної і поверхневої рекомбінації, а, відповідно, до збільшення коефіцієнта переносу (2.13) і росту h_21Б.

     При більш високих струмах емітера  виникають протидіючі явища. По-перше, збільшення концентрації електронів у  базі ( що входять для компенсації  заряду дірок) приводить до росту  інжекційного струму електронів з бази в емітер, тобто до зменшення ефективності емітера. По-друге, з ростом концентрації інжектованих дірок може зменшуватися їхній час життя, що приводить до зменшення коефіцієнта переносу (ця причина не визначальна, так як t може і збільшуватися).

     Рис. 2. Залежність h_21Б від струму емітера (а) і напруги на,колекторі (б) і зміна концентрації носіїв у базі при зміні U_к (I_э = const) (в)  

     Унаслідок цих причин залежність h_21Б (I_э) (мал. 2,а) має максимум. Ріст h_21Б на початковій ділянці пояснюється збільшенням g за рахунок більш швидкого зростання інжекційного струму емітера в порівнянні з рекомбінаційним. Подальший ріст h_21Б обумовлений збільшенням коефіцієнта переносу b за рахунок збільшення коефіцієнта дифузії. Причиною наступного зменшення h_21Б є зменшення g (ріст електронної складової I_э).

     Вплив колекторної напруги  на роботу транзистора. Оскільки колекторний n-p- перехід включений у зворотному напрямку, то з ростом U_к відбувається розширення області об'ємного заряду переходу. Як відзначалося вище, для одержання g»1 необхідно брати матеріал бази з малою концентрацією основних носіїв. Тому розширення колекторного n-p- переходу відбувається в область бази і ширина бази зменшується. Згідно (2.13) це приводить до росту h_21Б з збільшенням U_к.

     Ефект зміни ширини бази під дією U_k має не тільки позитивне (ріст h_21Б), але і негативне значення. Якщо, наприклад, транзистор працює в режимі постійного струму емітера (I_Э=const), то при зміні ширини бази під дією U_к градієнт концентрації інжектованих носіїв повинен залишатися постійним, тому що I_э~Ñ_р (2.7). Тому зменшення W приводить до зменшення концентрації інжектованих носіїв на границі база — емітер (мал. 2,в, U’’_k>U’_k), а це еквівалентно зменшенню напруги на емітерному n-p- переході (2.12). Таким чином, має місце зворотний зв'язок між напругою на колекторі і напругою на емітері, а саме збільшення напруги на колекторі приводить до зменшення напруги на емітерному n-p- переході.