Технологии изготовления транзисторов

Содержание

 

1 Введение

 

В начале 1948 г. американские физики У. Шокли, Дж. Бардин и У. Браттейн предложили, а затем получили прибор, способный  усиливать электрические сигналы. Они назвали это устройство транзистором (от английских слов ”transfer” – преобразователь и “resistor” – сопротивление).

Транзистор – это электронный  прибор с двумя p-n переходами из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

В настоящее время широкое распространение  получили два вида транзисторов: диффузионные и дрейфовые транзисторы. Это  разделение произведено по механизму переноса носителей в базе. В данном курсовом проекте рассматривается диффузионный транзистор.

Диффузионные транзисторы широкое  применение получили в аналоговой технике. Другой важнейшей отраслью электроники  является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, диффузионные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

Первые диффузионные транзисторы  были плоскостными. Для изготовления плоскостных транзисторов в 1950 г. существенно  усовершенствовались методы выращивания монокристаллов германия и кремния. Всё это позволило в 1952 г. создать первые образцы плоскостных германиевых транзисторов. В 1952 г. были созданы сплавные транзисторы, получившие в дальнейшем широкое распространение. В настоящее время получение p-n переходов сплавным методом все меньше и меньше является актуальным.

 

 

 

 

2 Полупроводниковые  материалы

 

К полупроводниковым материалам, применяемым  для изготовления транзисторов, предъявляются  следующие требования:

• Большая ширина запрещённой зоны. При этом в диапазоне рабочих температур собственная проводимость кристалла незначительна, обратные токи переходов малы.
• Малая энергия ионизации примесей. В этом случае все примесные атомы ионизируются при низких температурах, проводимость материала в рабочем диапазоне температур постоянна и определяется только концентрацией примесей.
• Большая подвижность носителей. При этом увеличивается скорость переноса носителей в базовой области и улучшаются частотные свойства транзистора.
• Относительная простота методов очистки от примесей и легирования, т.е. добавления  примесей для получения нужного удельного сопротивления и типа проводимости.
• Большое время жизни неравновесных носителей, т.е. малая скорость поверхностной и объёмной рекомбинаций, что необходимо для увеличению коэффициента усиления.
• Возможность очистки поверхности полупроводника травлением для уменьшения поверхностной рекомбинации, предотвращения поверхностных утечек p-n переходов и поверхностного пробоя.

Всем этим требованиям в достаточной степени удовлетворяют только два элементарных полупроводника, широко применяемых для изготовления транзисторов – германий и кремний.

Германий по внешнему виду похож на металл. Он не встречается в природе в свободном состоянии. Это редкий элемент. Его получают из побочных продуктов, образующихся при выплавлении цинка, или золы каменного угля, которая содержит до 1% германия. Исходные продукты для получения германия сначала подвергаются химической обработке. При этом получают порошкообразный германий, после расплавления и медленного затвердевания которого образуются слитки поликристаллического германия. Эти слитки подвергают очистки от примесей металлургическими методами (физические методы очистки) и выращивают монокристаллы германия нужного типа проводимости и удельного сопротивления.

Германий является наиболее подходящим по технологическим свойствам материалом для транзисторов, так как обладает хорошими электрическими характеристиками, легка сплавляется и подвергается химической обработки.

Кремний является вторым после кислорода элементом по распространению в природе. Изготавливается из кварцевого песка. Химическими методами получают поликристалличес-

кий кремний, который затем подвергают металлургической очистки. Очистка кремния очень сложна из-за высокой температуры плавления (1450 ˚С) и высокой химической активности этого элемента при температуре плавления. Требования к степени очистки кремния являются более высокими, так как удельное сопротивление чистого кремния выше, чем у германия, а концентрация посторонних примесей должна быть меньше концентрации носителей чистого полупроводника.

Последние годы успешно разрабатываются  и внедряются ИМС на основе арсенида галлия. Данный полупроводниковый материал способен обеспечивать работу ИМС при более высоких температурах, чем кремний, а также позволяет изготовлять элементы ИМС с высоким быстродействием, малыми шумами и другими полезными свойствами.

Германий по сравнению с кремнием имеет меньшую ширину запрещённой  зоны и более высокую подвижность  носителей. Поэтому германиевые транзисторы обладают лучшими частотными свойствами, но меньшими температурными пределами (80-100˚С). кроме того, германий легче обрабатывается и легче очищается от примесей.

3 Технологии  изготовления транзисторов

 

В настоящее время в полупроводниковой электронике применяются плоскостные, точечные и поверхностно-барьерные переходы.

Плоскостной переход образуется в  объёме кристалла на границе полупроводников  с разной электропроводностью. Наиболее широко применяется плоскостной  электронно-дырочный переход, который образуется между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет проводимость p-типа, а друга n-типа. Встречаются электронно-электронный переход (n⁺-n переход) и дырочно-дырочный (p⁺-p переход).

Точечный переход образуется между  полупроводниковым кристаллом и сформированным или прижимным контактом металлической иглы. Первые транзисторы представляли собой приборы с точечными переходами. В настоящее время такие приборы применяются только в приборах сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, где для уменьшения ёмкости перехода стремятся сократить его площадь. Наиболее существенными недостатками точечных переходов являются их ненадёжность (из-за низкой механической прочности) и плохая воспроизводимость параметров.

Поверхностно-барьерный переход возникает между полупроводником и инверсным слоем, образуемым на поверхности кристалла соответствующей технологической обработкой.

Существует несколько методов  изготовления переходов

3.1 Выращенные переходы

 

Выращенные переходы получаются при  выращивании монокристалла из расплава путём последующего добавления примесей элементов разных групп. Таким способом были получены в 1951 г. первые плоскостные транзисторы. В настоящее время выращенные переходы почти не используются.

3.2 Сплавные переходы

 

Сплавные переходы (рисунок 3.1) получаются путём вплавления примеси в монокристалл полупроводника. Так, например, для изготовления сплавного p-n перехода из германия берётся пластина монокристаллического германия n-типа, на поверхности которой помещается небольшая таблетка элемента III группы (например, индия — Iп), создающего примеси p-типа. Затем пластина нагревается до температуры, лежащей ниже точки плавления германия, но выше точки плавления примеси. В результате наплавления примеси образуется р-слой, который вместе с германием n-типа приводит к формированию p-n перехода.

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1 – Сплавной p-n переход

 

Процесс сплавления проходит в две стадии. Во время первой стадии часть полупроводникового монокристалла растворяется в металлическом сплаве, благодаря чему происходит замещение атомов полупроводника атомами примеси. На второй стадии начинается рекристаллизация растворенных в расплаве атомов, после завершения образуется монокристаллическая область с электронно-дырочным переходом.

 

3.3 Электрохимический способ

 

Электрохимический способ изготовления р-п переходов был разработан в связи с необходимостью уменьшения размеров сплавных переходов. Суть этого способа заключается в следующем. На поверхности полупроводниковой пластины электрохимическим путем вытравливают углубление (лунку) небольших размеров, определяющих площадь перехода. Затем электролитическим осаждением соответствующего металла в углублении создают эмиттер или коллектор. Исходная же пластина образует базовую область. Таким путем изготовляют поверхностно-барьерный переход, представляющий собой контакт металл — полупроводник.

Разновидностью этой технологии является изготовление микросплавных p-n переходов, у которых примеси n- или р-типа осаждают в вытравленных углублениях и затем вплавляют в исходную полупроводниковую пластинку. По своей конструкции такой переход аналогичен сплавному, отличаясь от последнего меньшими размерами, что способствует уменьшению емкости перехода и соответственно улучшению его высокочастотных свойств.

3.4 Диффузионный метод

 

Диффузионный  метод является наиболее эффективным и современным способом изготовления р-n переходов. В этом случае р-n переход получают путем диффузии примесей в исходную полупроводниковую пластину. Диффузия примесей может происходить как из внутренних областей кристалла, так и через поверхность из внешних источников. В первом случае диффузия примесей происходит из жидкой фазы (или, как иначе говорят, диффузия из расплава), а во втором — из газовой фазы.

В настоящее время  широкое распространение получили приборы, изготовленные диффузией из газовой фазы через окисную маску, под которой образуется переход. При этом полупроводниковые пластинки с защитным окисным слоем подвергаются фотолитографической обработке в следующей последовательности: наносится слой фоторезиста, защищающего окисел от травления; производятся его сушка, а затем засвечивание через фотошаблон с рисунком заданной конфигурации и проявление для удаления незасвеченных участков окисного слоя, через которые путем вытравливания вскрываются «окна». После фотолитографии через «окна» в слое окисла» производят диффузию примесей и получают р-n переход. Таким путем изготавливают одновременно на одной пластине несколько десятков и даже сотни р-n переходов.

3.5 Эпитаксиальная технология

 

Эпитаксиальная технология позволяет наращивать монокристаллическую полупроводниковую пленку на подложку из полупроводника любой электропроводности. Наращивая таким способом пленку, например, n-типа на подложку с электропроводностью р-типа, можно получить р-n переход. При этом эпитаксиальная пленка по своему составу может отличаться от материала подложки.

В настоящее время эпитаксиальный метод наиболее часто применяется  для получения р⁺-n или n⁺-n слоев. Например, при изготовлении транзисторов для уменьшения сопротивления тела коллектора тонкую высокоомную пленку осаждают на низкоомную подложку того же типа проводимости. При этом низкоомная подложка служит телом коллектора, а в области, образуемой эпитаксиальной пленкой, располагается коллекторный переход. Эпитаксиальный метод носит значительно более общий характер; этим способом можно осаждать полупроводниковые пленки с электронной или дырочной электропроводностью, создавая тем самым эпитаксиальные переходы.

3.6 Ионное легирование

 

Ионное легирование, представляющее собой один из современных методов имплантации примесей в полупроводник, также позволяет получить р-n переходы. При этом ионы соответствующей примеси ускоряются в ускорителе до энергии 40—800 кэВ, затем с помощью магнитной сепарации выделяют из пучка ионов нужную примесь и бомбардируют этими ионами мишень, являющуюся полупроводниковой пластиной. Глубина проникновения ионов в полупроводник определяется их энергией, а степень легирования – продолжительностью бомбардировки. Для защиты тех участков, которые не должны подвергаться легированию, используют маски. Дефекты, образуемые при бомбардировке, частично устраняются с помощью отжига.

4 Анализ исходных данных, выбор материала

 

По техническому заданию (ТЗ) требуется рассчитать диффузионный транзистор с резким   p-n переходом. На основании ГОСТ 15133-77 (СТ СЭВ 2767-80), диффузионный транзистор – биполярный транзистор, в котором перенос неосновных носителей заряда через базовую область осуществляется в основном посредством диффузии. Так как по ТЗ эмиттерный и коллекторный p-n переход должен быть резким, то будет произведен расчет БТ с эмиттерным и коллекторным p-n переходом, полученные методом сплавления. При изготовлении сплавных транзисторов наиболее распространение получил германий [6]. Материал для навески был выбран индий (In). Индий получил наибольшее распространение для вплавления в германий, так как имеет низкую температуру плавления (156⁰С) и удовлетворительную растворимость. Работа при низких температурах исключает возможность конверсии германия. Но индий обладает недостатком – малым коэффициентом разделения. Поэтому если необходимо получения высокого коэффициента инжекции, то индий неприемлем.

Для выбора марки германия нужно  рассчитать удельное сопротивление. Расчет приведен в разделе 5. По результатам расчета выбран германий электронный легированный фосфором, удельное сопротивление , ГЭФ(0,32/0.78∙10^-3см).

5 Расчет  параметров БТ

 

Для расчета геометрического размера  рассчитаем площадь эмиттерного p – n перехода:

 [5]

где: j_доп – допустимая плотность тока, для германия j_доп=10²А/см².

При изготовлении сплавных транзисторов S_Э = 0,7S_К [1], значит:

S_К = 0,0075/0,7=0,01мм²

Диаметр p – n переходов находим из формулы:

,

где: S – площадь p-n перехода

       d - диаметр p – n перехода

Для расчета параметров транзистора необходимо знать концентрацию примеси, подвижность носителей. Для нахождения концентрации примеси в базе воспользуемся формулой напряжения пробоя, которое берется U_{обр.доп}=0,5U_пр.

,

где: ΔE – ширина запрещенной зоны германия (ΔE=0.67эВ);

        N_Б – концентрация примеси в базе.

После некоторых преобразований и вычислений получаем:

N_Б = 6.37 *10¹⁵ 1/см³.

Концентрации примеси в эмиттере и коллекторе равняются предельной растворимости примесного вещества в кристалле. Так как примесью является индий то:

N_Э = N_К = 4*10¹⁸ 1/см³ [1].

Концентрации неосновных носителей рассчитаем исходя из закона действующих масс:

np = n_i²,

где n_i – собственная концентрация носителей.

Подвижность носителей находится  по эмпирической формуле, связывающая подвижность с концентрацией.

,

где N⁺ - концентрация рассеивающих центров.

 

Используя соотношения Эйнштейна, находим:

• Коэффициент диффузии электронов в эмиттере при Т = 300 К

• Коэффициент диффузии дырок в базе при Т = 300 К

Для нахождения длины диффузионного  смещения необходимо знать время жизни носителей. Время жизни носителей можно вычислить по формуле:

,

где: γ – сечение рассеивания, γ = 10^-17 см²

       υ_Т – тепловая скорость, υ_Т = 10⁷ см/с

       N – концентрация рассевающих центров

Длина диффузионного смещения вычисляется по формуле:

Далее рассчитаем толщину базы, для  этого воспользуемся формулой для коэффициента передачи тока эмиттера:

,

где:

       

         α – коэффициент передачи тока эмиттера (α=0,98)

Находим толщину базы:

,

получаем: W = 3,03 мкм.

Удельное сопротивление базы равно:

Зная толщину базы, находим эффективность эмиттера:

получаем:

Зная коэффициент передачи тока эмиттера, рассчитаем коэффициент передачи тока базы:

Для расчета сопротивления R_КБ воспользуемся формулой:

 

где: ε = 16 – диэлектрическая проницаемость германия.

       ε₀ = 8,85*10^-14 Ф/см

 

Сопротивление эмиттера находим, используя внутреннее уравнение транзистора:

где: - коэффициент отрицательной обратной связи по напряжению

μ = 5,02*10^-4.

Найдем дифференциальное сопротивление  базы:

- дифференциальное сопротивление

 

 

 

Для нахождения диффузионной емкости эмиттерного перехода, рассчитаем время пролета носителей через базу:

Диффузионная емкость коллекторного  перехода равна:

 

Найдем барьерную ёмкость коллекторного перехода:

[1],

где:

 

Барьерная емкость эмиттерного перехода:

[1]

Прямые напряжения, которые можно  подавать на p-n переход не могут быть больше поскольку при разница становится отрицательной и p-n переход исчезнет.

Вычислим барьерную емкость  эмиттерного перехода без учета прямого напряжения

 

Для вычисления омического сопротивления  базы воспользуемся формулой для  расчета максимальной частоты генерации:

,

где:

     

тогда:

 
6 Расчет теплового режима транзистора

 

Тепловое сопротивление корпуса  определяется выражением:

где: Т_jmax – максимальная рабочая температура коллекторного p-n перехода;

        Р – мощность, выделяемая в коллекторном p-n переходе при протекании тока I_пр.max.

Максимальная рабочая температура коллекторного p-n перехода рассчитывается по формуле:

Так как по ТЗ транзистор не специального назначения, то рабочая температура транзистора равна Т_окр = 300 К. Мощность, выделяемая в коллекторном p-n переходе, задана в исходных данных.

Корпус - это часть конструкции полупроводникового прибора, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов. На рисунке приведен способ крепления выводов к кристаллу. Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса изготовления изделий.

 

Рисунок  - Схема крепления выводов к кристаллу

 

Для выбора корпуса необходимо, что  бы он рассевал мощность, которую выделяет p-n переход. Мощность, выделяемая в коллекторном p-n переходе:

По расчетным параметрам и исходным данным выбран корпус КТ – 46. Материал корпуса выполнен из пластмассы. Рассевающая  мощность корпуса составляет 0,25Вт. Чертеж корпуса представлен в  приложении С.

7 Расчет входных и выходных характеристик

 

По ТЗ необходимо рассчитать характеристики транзистора включенного в схеме с общей базой (ОБ). Для построения семейства характеристик использовались выражения, которые следуют из модели Эберса-Мола.

Входные характеристики. Внешний вид  таких характеристик соответствует прямым ветвям ВАХ электронно-дырочного перехода. Смещение характеристик при изменении напряжения U_кб обусловлено эффектом Эрли. Аналитический вид характеристик задается выражением:

.

Выходные характеристики. Внешний  вид кривых соответствует обратной ветви ВАХ ЭДП. Наличие тока при U_КБ = 0 говорит о том, что ток в цепи коллектора связан не с наличием поля коллектора, а с наличием градиента концентрации неосновных носителей заряда в базе. Аналитический вид характеристик задается выражением:

.

Графически входные и выходные характеристики представлены в приложении A.

8 Расчет частотного диапазона транзистора

 

- предельная частота коэффициента  передачи тока эмиттера

- предельная частота коэффициента  передачи тока базой

- граничная частота

 

График зависимости  представлен в приложении С.

 

Заключение

 

В данной курсовой работе был рассмотрен диффузионный транзистор p-n-p типа с двумя резкими p-n переходами. В данной курсовой работе был выбран материал для изготовления транзистора. Данному транзистору удовлетворяет материал германий. Так же были рассчитаны геометрические размеры и электрофизические параметры транзистора. Были построены входные и выходные характеристики транзистора в схеме с ОБ и построена зависимость максимальной частоты генерации от напряжения.

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1 Трудко А.Ф. Методы расчета  транзисторов. - М.: Энергия, 1971.- 272 с.

2 Троян П.Е. Твердотельная электроника:  Учебное пособие. – Томск: ТУСУР, 2006. – 321 с.

3 Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые  приборы. – СПб.: Лань, 2001. – 480 с.

4 www.wikipedia.org/wiki/Транзистор

5 Троян П.Е Микроэлектроника: Учебное  пособие. – Томск: ТУСУР, 2003. –  36 с.

6 Маслов А.А.Технологии и конструкции полупроводниковых приборов - М.: Энергия, 1970.- 296 с

7 Гаман В.И. Физика полупроводниковых приборов. - Томск: Изд-во НТЛ,2000. – 426с.

 

Приложение А

Рисунок 1 - Семейство входных характеристик  для БТ в схеме с ОБ

Рисунок 2 - Семейство выходных характеристик  для БТ в схеме с ОБ

 

Приложение В

Рисунок 3 – Зависимость 

 

 

Приложение С