 |
Биполярный транзистор. Принцип работы.
|
|
|
|
Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.
Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.
Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно-транзисторную логику.
Устройство и принцип действия
Упрощенная схема поперечного разреза биполярного NPN транзистора
Биполярный транзистор состоит из трех различным образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера E, базы B и коллектора C. В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из слаболегированного полупроводника, обладающего большим сопротивлением. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база, поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством.
|
|
|
В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора.
В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора[1]. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они — неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β. Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.
Режимы работы биполярного транзистора
Нормальный активный режим
|
|
|
Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт) UЭБ>0;UКБ<0;
Инверсный активный режим
Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.
Режим насыщения
Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).
Режим отсечки
В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты).
Барьерный режим
В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмитерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя диод, включенный последовательно с резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих схему элементов, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, неразборчивостью к параметрам транзисторов.
6. Классификация транзисторов.
7. Технологический процесс изготовления биполярного транзистора.
Планарно-эпитаксиальный процесс является наиболее употребительным, хорошо освоенным и используется для изготовления интегральных полупроводниковых микросхем малой и средней степени интеграции. На рис. 2.2.1 приведена последовательность выполнения биполярного транзистора с изоляцией p–n -переходами.
Структура этого транзистора приведена на рис. 2.1.6 и для ее выполнения требуется наибольшее число операций и переходов. Менее сложные элементы (резисторы, емкости и др.) могут создаваться в рамках этого наиболее полного технологического процесса путем исключения для этих элементов каких-либо операций или изменения топологии на фотошаблоне.
Первым этапом технологии является подготовка подложки. Обычно это пластина кремния КДБ 10/0,1 с ориентацией (111). Рабочая поверхность шлифуется, полируется до 14-го класса чистоты, предусматривается
стравливание нарушенного слоя. Чаще пластины с такой подготовкой являются покупными компонентами.
На предприятии-изготовителе ИМС производится очистка и окисление рабочей поверхности, создаваемый оксидный слой имеет толщину порядка 1,0 мкм. Эта операция включена в первый этап техпроцесса.
|
|
|
Рис. 2.2.1. Последовательность выполнения ИМС на базе биполярного транзистора (планарно-эпитаксиальная
Технология)
Ко второму этапу отнесена фотолитография-1, в рамках которой за счет материала оксидного слоя создается высокотемпературная маска с топологией, соответствующей скрытому подколлекторному слою. Фотолитография включает нанесение фоторезиста, например ФП-383, его сушку при 90…120 °С; далее производится совмещение
фотошаблона и экспонирование слоя фоторезиста в потоке ультрафиолетового света. Последующее проявление в данном случае растворяет с большей скоростью засвеченный участок фоторезиста и тем самым открывает площадь, отведенную под подколлекторный слой. Дубление представляет нагрев пластины до 120…150 °С, выдержку 40 мин для дополнительной полимеризации уже сформированной маски и для увеличения ее кислотостойкости. В последующих литографиях приведенная информация подразумевается, но не указана.
Третий этап технологии – диффузия в приповерхностный слой донорной примеси, изменение за счет этого проводимости с дырочной на электронную. Поскольку в последующем используются неоднократные нагревы до
высоких температур, то существует опасность при этом нежелательного расширения по глубине подколлекторного слоя. По этой причине в качестве примеси выбирается донор с малым коэффициентом диффузии. Чаще для этого используют мышьяк. Четвертая группа операций связана с созданием эпитаксиального слоя. Для описываемого процесса получают слой с электронной проводимостью (n -эпитаксиальный слой), толщина его находится в пределах нескольких микрометров. Температура эпитаксиального наращивания находится в районе 1200…1300 °С. При
этом примесь из подколлекторного слоя диффундирует в эпитаксиальный слой.
После эпитаксии производится окисление и проводится вторая фотолитография для создания на поверхности
пластины окон в оксиде кремния, соответствующих конфигурации будущего разделительного (электрически изолирующего) слоя p- типа (пятая группа операций). Разделительная диффузия проводится на всю глубину эпитаксиального слоя, сопровождается диффузией в
|
|
|
боковые стороны. На слой электрической изоляции отводится до тридцати процентов площади пластины. Этим шестым этапом завершается процесс получения изолированных областей под каждый из элементов
электрической схемы. Фотолитография-3 с предварительным удалением предыдущей маски и последующим окислением
необходима как седьмой этап для вскрытия в пленке оксида окон под базовую диффузию.
Базовая диффузия (восьмая группа операций) связана с внедрением акцепторной примеси, обычно бора, и необходима для создания области базы, проводится при температурах 1260…1270 °С в газовой среде.
Далее производится удаление с поверхности уже существующей маски и последующее окисление.
В созданной пленке оксида кремния вскрываются окна под области эмиттера и коллектора. В схеме техпроцесса это обозначено как девятая группа операций – литография-4.
Десятый блок операций включает диффузию примеси n- типа (фосфор), которая проводится при температурах 1260…1270 °С таким образом, чтобы между границами области эмиттера и базы по глубине достигался заданный размер. Эта величина и определяет коэффициент усиления. Коллекторная область по глубине соответствует эмиттерной, но это не критично, поскольку назначением области является дополнительное легирование приповерхностного слоя под коллекторным контактом для уменьшения переходного сопротивления (устранения возможности возникновения диода Шоттке).
В одиннадцатую группу операций включены удаление маски от предыдущих операций, окисление и литография-5 для вскрытия окон под контакты к областям эмиттера, базы и коллектора.
В двенадцатый блок операций включена только металлизация поверхности алюминием, в процессе которой создаются контакты к эмиттерной, базовой и коллекторной областям. Обычно металлизация поверхности проводится
напылением в вакууме из резистивного испарителя.
Последующий блок операций содержит фотолитографию-6, в результате которой формируется межэлементная
металлическая разводка. Для уменьшения переходного сопротивления на контактах проводится также отжиг пластин (вжигание) при температурах 240…245 °С. Кроме того возможно создание защитного слоя поверх
металлической разводки.
В результате выполнения приведенных выше блоков операций в пластине кремния по сути заканчивается создание микросхемы. Последующие контроль на функционирование, разрезка пластины на кристаллы, монтаж кристаллов в корпус, герметизация, маркировка и упаковка мало отличаются во всех рассматриваемых процессах
|
|
|
и в данном случае не показаны.
8. Классификация интегральных схем.
|
|
|
