Расчет n-p-n транзистора КТ854A

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Исходные данные

2. Расчет n-p-n транзистора КТ854А

3. Краткая технология изготовления кристалла

Заключение

Список литературы



Введение

Биполярные транзисторы широко используются в современных электронных устройствах в качестве активных элементов, которые обеспечивают необходимое усиление и коммутацию аналоговых и цифровых сигналов. Кроме того, биполярные транзисторы входят в состав интегральных аналоговых и цифровых микросхем многих серий.

При разработке и анализе работы электронных устройств, содержащих биполярные транзисторы, необходимо знание основных схем включения биполярных транзисторов, особенностей их работы в различных схемах, а также методов расчета электронных схем с биполярными транзисторами. В связи с эти изучение биполярных транзисторов остается актуальным и в наши дни.

Биполярные транзисторы являются полупроводниковыми приборами универсального назначения и широко применяются в различных усилителях, генераторах, в импульсных и ключевых устройствах. Вершиной развития биполярных транзисторов в наше время являются так называемые транзисторы BISS.

Транзисторы BISS (Breakthrough in Small Signal, дословно - "прорыв в малом сигнале") - биполярные транзисторы с улучшенными малосигнальными параметрами. Существенное улучшение параметров транзисторов BISS достигнуто за счет изменения конструкции зоны эмиттера. По сравнению с традиционными биполярными транзисторами (ТБТ), в транзисторах BISS зона эмиттера максимально увеличена и максимально (даже двухслойно) металлизирована. Благодаря этому, ток эмиттера распределен более равномерно по всей зоне и уменьшено омическое сопротивление. В результате, в транзисторах BISS обеспечено значительное уменьшение напряжения насыщения коллектор-эмиттер.

В транзисторах BISS существенно уменьшается мощность рассеяния и, соответственно, температура кристалла, то есть появляется возможность либо уменьшить габариты (корпус), либо при тех же габаритах увеличить мощность, передаваемую транзистором в нагрузку, либо увеличить максимально допустимую температуру транзистора.

Кроме того, благодаря особому выполнению зоны эмиттера, у транзисторов BISS не только понижается температура, но и существенно уменьшается градиент ее распределения по корпусу.

Отсюда следует, что в транзисторах BISS устранены зоны локального перегрева, то есть существенно улучшен тепловой режим, в результате чего значительно повышена надежность.

Транзисторы BISS применяются в диапазоне коллекторных токов до 10 А при напряжении коллектор - эмиттер до 100 В и отличаются от традиционных биполярных транзисторов более низким напряжением насыщения, значительно меньшими габаритами, расширенным температурным диапазоном и более высокой степенью надежности.

Обобщим преимущества применения транзисторов BISS по сравнению с традиционными биполярными транзисторами:

· уменьшение напряжения насыщения - в 8 раз;

· уменьшение мощности рассеяния;

· увеличение коэффициента передачи по току;

· увеличение надежности;

· повышение допустимой температуры окружающей среды;

· уменьшение площади печатных плат и габаритов устройств.

Таким образом, на примере BISS транзисторов можно сделать выводом о том, что развитие и совершенствование биполярных транзисторов происходит до сих пор, что свидетельствует об актуальности применения данных приборов в современной электронике.



1. Исходные данные

Статический коэффициент передачи тока базы в при = 4 В,

= 2 А, не менее 20.

Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером при = 10 В, = 0,5 А не менее 10 МГц.

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при = 5 А, = 1 А.

Обратный ток коллектора при = не более 3 мА.

Транзистор должен иметь следующие предельные эксплуатационные данные. транзистор полупроводниковый импульсный частота

Постоянное напряжение коллектор-база = 600 В.

Постоянное обратное напряжение база-эмиттер 5 В.

Постоянный ток коллектора 10 А.

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора = 60Вт

(при T<-40..+25oC)

Ёмкость коллекторного перехода 200 пФ.

Температура p-n-перехода +150oC.

Диапазон рабочих температур окружающей среды -40….+100oC.



2. Расчет n-p-n транзистора КТ854А



3. Краткая технология изготовления кристалла

Чтобы составить представление о производственном цикле изготовления планарного транзистора, рассмотрим типовой процесс изготовления п-р-п транзистора общего применения (рис. 1.2). В левой части рис. 1.2 показана последовательность фотолитографических операций, в средней части -- термические процессы и справа -- для наглядности -- сечение одиночной структуры после каждой операции.

Исходным материалом для изготовления планарного транзистора служит пластина n-кремния (либо п-п+ структура -- при изготовлении транзистора с низкоомным коллектором). В зависимости от требований к параметрам транзистора кремний берется с удельным сопротивлением от долей Ом * см до нескольких Ом * см. Толщина высокоомного слоя в планарно-эпитаксиальном транзисторе составляет обычно 10--20 мкм при толщине всей пластины 150--200 мкм.

Поскольку планарно-эпитаксиальные транзисторы получили наибольшее распространение, остановимся несколько подробнее на основных вопросах получения эпитаксиальных пленок.

Для получения эпитаксиальных пленок используются различные технологические методы. Наибольшее распространение, однако, получили методы выращивания из газовой фазы -- водородное восстановление тетрахлорида кремния, а также водородное восстановление трихлорсилана и термическое разложение моносилана. Относительно низкие скорости роста, обеспечивающие совершенство структуры и возможность точного контроля толщины эпитаксиального слоя, простота управления такими параметрами, как температура кристаллизации и концентрация реагирующих агентов, -- таковы основные достоинства этих методов.

Наиболее технологичным и распространенным методом эпитаксиального выращивания является метод восстановления тетра- хлорида кремния водородом при температуре 1150--1250° С.

Основными преимуществами данного метода являются:

— достаточно изученные термодинамика и кинетика процессов замещения;

— хорошая воспроизводимость электрофизических характеристик получаемых эпитаксиальных структур;

— технологичность производства исходных реактивов высокой чистоты;

— сравнительно низкая себестоимость пленок.

Чтобы получить эпитаксиальные структуры с заданным удельным сопротивлением (или определенным характером распределения примесей), их легируют во время процесса эпитаксиального выращивания с помощью трехбромистого бора (ВВr₃) -- для создания слоев р-типа и треххлористого фосфора (РСl₃) -- для создания слоев n-типа. Данные соединения обладают близкой к тетрахлориду упругостью паров, что облегчает расчет и контроль концентрации примесей в газовой фазе и пленке.

В общем случае лучшее качество эпитаксиальных пленок достигается при высоких температурах и малых скоростях осаждения. Значительную роль при этом играет подготовка поверхности подложки, на которую происходит наращивание эпитаксиального слоя, поскольку именно она определяет совершенство кристаллообразования во время роста. Разного рода нарушения структуры поверхности (дислокации, механические повреждения, примеси, адсорбированные или хемосорбированные поверхностью, остатки окисной пленки) вызывают образование центров кристаллизации и, как следствие, -- дефектов.

Во избежание этого поверхность кремниевой подложки после технической полировки на тонких алмазных порошках или пастах с размером зерна 0,5--1 мкм и тщательной химической отмывки подвергается газовому травлению в потоке хлористого водорода. Газовое травление проводят в реакторе эпитаксиального наращивания.

Готовые пластины поступают на термическое окисление. Перед этим процессом поверхность пластин тщательно обрабатывают. Типовой обработкой является полировка алмазным порошком с размером зерна до 0,5 мкм или шлифовка окисью алюминия с последующим травлением в кислотных полирующих травителях. В приборах специального назначения может быть проведена электрохимическая полировка, дающая высококачественную поверхность. В случае использования эпитаксиальных пленок проводится лишь тщательное удаление всевозможных загрязнений, заключающееся в обезжиривании поверхности (в органических растворителях), окислении остатков органических загрязнений (в азотной или серной кислоте и пергидроли) и тщательной промывке в высокочистой воде. При изготовлении прибора с уровнями обратных токов порядка 1 нА можно применить дополнительную очистку с помощью комплексообразующих веществ, способных связывать ионные загрязнения в легко удаляемые комплексы. Очищенные пластины либо высушивают на центрифуге, либо погружают в чистый, легко испаряющийся растворитель, удаляемый затем потоком горячего газа непосредственно в момент загрузки пластин в реакционную камеру для термического окисления.

Термическое окисление проводят при температуре около 1200 °С в течение двух-трех часов: вначале в сухом кислороде, затем в атмосфере увлажненного кислорода и на заключительном этапе -- вновь в сухом кислороде. В процессе окисления на поверхности пластин образуется окисная пленка толщиной 0,5--1 мкм.

Первая фотолитография, вскрывающая в окисле «окна» определенной для данной конструкции конфигурации под последующую диффузию бора для создания базовой области, осуществляется в типовых режимах. Травление окисла производят в растворе плавиковой кислоты, содержащем фторид аммония. Рельеф (структура) после фотолитографии под базовую область приводится на рис. 1.3, а.

В пластины, очищенные химическим способом от остатков органических соединений, затем проводится диффузия бора. Первая стадия диффузии ведется при температуре 900--1000 °С в течение от 20 мин до 1 ч. При этом образуется слой р-типа глубиной в несколько десятых микрона с поверхностной концентрацией, равной предельной растворимости бора в кремнии при температуре диффузии. После загонки бора пленку боросиликатного стекла снимают в растворе плавиковой кислоты, пластины промывают в деионизованной воде и загружают в печь для проведения второй стадии диффузии -- перераспределения примесей одновременно с окислением.

Режим второй стадии: 1050--1250 °С в течение нескольких часов. Как и при первом окислении, используется кислородная атмосфера с увлажнением и без увлажнения. По окончании второй стадии проводят контроль диффузии.

Вторая фотолитографическая обработка (рис. 1.3, б) локализует будущие эмиттерные области. Режим ее аналогичен режиму предыдущей обработки. Отличие составляет лишь совмещение второй маски с уже имеющимися рисунками и режим травления окисла, полученного в условиях, отличных от первого окисления. По окончании фотолитографического процесса появляется возможность выборочно контролировать пробивное напряжение р-п переходов и выход годных по этому параметру структур.

Диффузия фосфора в эмиттерные «окна» также осуществляется в две стадии в диапазоне температур 870--1050 °С для первой стадии и 1000--1150 °С для второй. Режим диффузии фосфора выбирается в зависимости от требований к электрическим параметрам транзистора, методика процесса сходна с методикой диффузии бора.

После диффузии фосфора образуется уже готовая структура, к которой необходимо создать лишь омические контакты. Для этого, прежде всего, следует вскрыть в окисле контактные площадки (рис. 1.3, в), что производится в процессе третьей фотолитографии. Особенности третьей фотолитографии связаны с уменьшением адгезии фоторезиста к поверхности окисла из-за наличия фосфорно-силикатного стекла и разной скорости травления примесно-силикатных стекол над областями эмиттера и базы. Для исключения «растравливания» (травления под резистивной маской) при выполнении третьей фотолитографии необходимо соблюдать особую тщательность, а иногда принимать специальные меры вплоть до раздельного вскрытия «окон» под базовый и эмиттерный контакты.

Металлизация структуры осуществляется обычно напылением в вакууме пленки алюминия толщиной 0,5--1,5 мкм. Лишние участки пленки (рис. 1.3, г) удаляются в процессе фотолитографии, которая проводится в типовых режимах и различается лишь составом травителя (щелочь или ортофосфорная кислота). После последней фотолитографии алюминий «вжигают» при 500--550 °С в течение нескольких минут в инертной атмосфере для снижения переходных сопротивлений между пленкой металла и кремнием.

Большое внимание при проведении технологического процесса уделяется методам межоперационной транспортировки пластин, хранению заделов пластин в процессе производства и соблюдению технологической дисциплины цикла изготовления структур. Необходимость тщательного выполнения этих операций обусловлена высокой чувствительностью планарной технологии к неконтролируемым загрязнениям в процессе изготовления структур, которые могут привести к появлению дефектов и резкому снижению выхода годных приборов.

Основным условием бездефектности изготовляемых планарных структур является введение строго контролируемых сред, в которых находятся кремниевые пластины во время технологического цикла, и минимальные выдержки рабочих партий между перечисленными выше основными операциями.

В соответствии с этим многие операции химической обработки и фотолитографической обработки пластин проводят в обеспыленных боксах (скафандрах) с применением высокочистых реактивов. Обеспыленная среда (порядка нескольких пылинок размером более 0,5 мкм в 1 литре воздуха) создается путем постоянной фильтрации очищенного воздуха в рабочем объеме скафандра с помощью специальных фильтров. В скафандре создают ламинарный поток чистого воздуха, препятствующий попаданию загрязнений из окружающей среды. Реактивы, применяемые в производстве, там, где это возможно, поступают на рабочие места после дополнительной финишной тонкой фильтрации. Это прежде всего относится к реактивам, используемым при химической обработке пластин и фотолитографии, деионизованной воде и газам, используемым в термических процессах. Передача пластин после химической обработки на термические операции, а также после диффузионных процессов на фотолитографию осуществляется в герметизированных контейнерах, загрузка в контейнеры и разгрузка -- обязательно в обеспыленной среде.

Длительное хранение пластин после химической обработки обычно не допускается. Процессы химической обработки, как правило, разрабатывают с таким расчетом, чтобы в течение нескольких часов рабочие пластины были обязательно переданы на следующую операцию. В случае непредвиденной задержки пластины проходят дополнительную (обычно менее сложную) обработку и лишь после этого продолжают технологический цикл.

Современный подход к производству планарных приборов требует жесткого графика движения рабочих партий по основным операциям. Обусловлено это тем, что адгезия фоторезистов максимальна со свежеотожженной окисной пленкой, и только в этом случае можно добиться высоких результатов фотолитографии. Большое значение имеет также сокращение разрыва между первой и второй стадией диффузии, поскольку операция введения примесей иногда сопровождается осаждением излишнего количества диффузанта на маскирующую окисную пленку и, как следствие этого, ухудшением ее качества.

Для уменьшения неконтролируемых загрязнений загрузку пластин в диффузионные печи осуществляют через специальные обеспыленные боксы, либо загружают предварительно пластины в рабочие лодочки, которые затем транспортируются в герметичном контейнере к диффузионной печи, а контейнер стыкуют в момент загрузки с реакционной трубой печи. Уменьшению дефектообразования в значительной степени способствует соблюдение жесткого графика обработки рабочих камер (труб) печей, в которых проводится диффузия, отжиг держателей пластин непосредственно перед проведением диффузионных процессов, чистота приспособлений для контроля температуры, загрузки лодочки и т. д.

Соблюдение рассмотренных выше условий практически полностью определяет выход годных изделий при выбранной методике проведения диффузионных и фотолитографических операций.



Заключение

В данной курсовой работе, был проведен расчет n-p-n транзистора КТ854A. Все рассчитанные параметры соответствуют предельно-эксплуатационным данным и отвечают требованиям исходных данных.

Параметры	Данные
	рассчитанные	табличные
Статический коэффициент передачи тока базы в	48.014	=>20
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером fгр, МГц	41.75	=>10
Напряжение насыщение коллектор-эмиттер Ukenas, В	0.375	<=2
Ёмкость коллекторного перехода, пФ	355	250
Постоянное напряжение коллектор-база, В	600	600

При разработке, расчете и эксплуатации полупроводниковых приборов следует принимать во внимание их специфические особенности. Транзисторы сохраняют свои параметры в установленных пределах в условиях эксплуатации и хранения. Эти условия характеризуются внешними механическими и климатическими воздействиями.

Общие требования справедливы для всех транзисторов, предназначенных для использования в аппаратуре определённого класса, содержатся в общих технических условиях. Нормы на значения электрических параметров и специфические требования, относящиеся к конкретному типу транзистора, содержатся в частных технических условиях.

Чтобы обеспечить долголетнюю и безотказную работу транзисторов, нужно обеспечить соответствующие условия их эксплуатации и хранения.



Список литературы

1. Андреев А.П., Миронов В.А., Чиркин Л.К. Расчет биполярных транзисторов и тиристоров. Л.: Энергия, 1990.- 72 с.

2. Березин А.С., Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральных микросхем - М.: Радио и связь,1983.-232с.

3. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов: Пер. с англ./Под ред. И.В.Грехова- Л.: Энергоатомиздат,1986.-248 с.

4. Горюнов Н.Н. Конструирование корпусов и тепловые свойства полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1972.-172 с.

5. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах.М.: Мир,1984.

6. Кремниевые планарные транзисторы. Под ред.Я.А. Федотова, М., Сов.Радио, 2973.- 336 с.

7. Крутякова М.Г. и др. Полупроводниковые приборы и основы их проектирования.1983.

8. Матсон Э.А., Крыжановский Д.В., Петкевич В.И. Конструкции и расчет микросхем и микроэлементов ЭВА.-Минск: Высшая школа, 1979.-192 с.

9. Расчет биполярных транзисторов: Уч.пособие/ В.К.Базылев РГРТА Рязань, 2004,68с.

10. Трутко А.Ф. Методы расчета транзисторов.1971.

11. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы: М.: Энергоатомиздат, 1990.-576 с.

12. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под ред. Н.Д.Фёдорова, 1998. 560 с.

Размещено на Allbest.ru

...