Биполярный транзистор КТ3107

Введение. Историческая справка. Объем исследований по физике твердого тела нарастал с 1930-х годов, а в 1948 было сообщено об изобретении транзистора. За созданием транзистора последовал необычайный расцвет науки и техники. Был дан толчок исследованиям в области выращивания кристаллов, диффузии в твердом теле, физики поверхности и во многих других областях.Были разработаны разные типы транзисторов, среди которых можно назвать точечный германиевый и кремниевый с выращенными переходами, полевой транзистор (ПТ) и транзистор со структурой металл – оксид – полупроводник (МОП-транзистор). Были созданы также устройства на основе интерметаллических соединений элементов третьего и пятого столбцов периодической системы Менделеева; примером может служить арсенид галлия.

Широко применяются такие разновидности транзистора, как триодные тиристоры, денисторы, синисторы, которые играют важную роль в технике коммутации и регулировании сильных токов.В 1954 было произведено более 1 млн. транзисторов.

Сейчас эту цифру невозможно даже указать. Первоначально транзисторы стоили очень дорого. Сегодня транзисторные устройства для обработки сигнала можно купить дешевле. Без транзисторов не обходится не одно предприятие, которое выпускает электронику. На транзисторах основана вся современная электроника. Их широко применяют в теле, радио и компьютерных аппаратурах. Транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы с двумя p-n-переходами.В простейшем случае транзисторы состоят из кристалла германия и двух клем (эмиттер и коллектор), касающихся поверхности кристалла на расстоянии 20-50 микронов друг от друга. Каждая клема образует с кристаллом обычный выпрямительный контакт с проводимостью от клемы к кристаллу.

Если между эмиттером и базой подать прямое смещение, а между коллектором и базой - обратное, то оказывается, что величина тока коллектора находится в прямой зависимости от величины тока эмиттера.Плоскостной транзистор состоит из кристалла полупроводника (германия, кремния, арсенида, индия, астата, и др.), имеющего три слоя различной проводимости p и n. Проводимость типа p создаётся избыточными носителями положительных зарядов, так называемыми "дырками", образующиеся в случае недостатка электронов в слое. В слое типа n проводимость осуществляется избыточными электронами.

Рис 1-1. p-n-p транзистор Таким образом, возможны два типа плоскостных транзисторов: p-n-p, в котором два слоя типа p (например, германия) разделены слоем n, и n-p-n, в котором два слоя типа n разделены слоем типа p. Из транзисторов можно составить схемы различных назначений.

Например, можно собрать усилители тока, мощности, усилители звуковых частот, декодеры аудио, видео, теле-радио сигналов, а также простейшие логические схемы, основанные на принципе и-или-не. Транзисторы КТ3107 – кремниевые эпитаксиально-планарные p-n-p универсальные маломощные.Предназначены для работы в переключающих схемах, в схемах усилителей, генераторов частоты. Транзисторы помещаются в герметическую заводскую упаковку.

Масса, которого не более 0,3 грамма. 1. Технология изготовления биполярного транзистора КТ3107. Эпитаксиальная технология позволяет расширить рабочий диапазон транзисторов, особенно ключевых, за счет уменьшения последовательного сопротивления коллектора.Она основана на выращивании очень тонкого слоя полупроводника (достаточного для формирования активных элементов) поверх исходного слоя того же самого материала.

Этот эпитаксиальный слой представляет собой продолжение исходной кристаллической структуры, но с уровнем легирования, необходимым для работы транзистора.Подложку сильно легируют (до содержания легирующей примеси порядка 0,1%), тщательно полируют и затем промывают, поскольку дефекты на поверхности подложки сказываются на совершенстве структуры эпитаксиального слоя. Выращивание совершенного эпитаксиального слоя – очень сложный процесс, требующий тщательного выбора материалов и поддержания исключительной общей чистоты в системе.

Слой выращивается методом химического осаждения из паровой фазы, обычно из паров тетрахлорида кремния SiCl4. При этом используется водород, который восстанавливает SiCl4 до чистого кремния, осаждающегося затем на подложке при температуре около 1200 0С. Скорость роста эпитаксиального слоя – порядка 1 мкм/мин, но ее можно регулировать.Для легирования слоя в рабочую камеру вводят мышьяк (примесь n-типа), фосфор (n-тип) или бор (p-тип). Обычно выращивают только один слой, но в некоторых случаях, например при изготовлении многослойных тиристоров, получают два слоя – один n, а другой p-типа. Толщина эпитаксиального слоя составляет от нескольких микрометров для сверхвысокочастотных транзисторов до 100 мкм для высоковольтных тиристоров.

Эпитаксиальный материал дает возможность изготавливать транзисторы для усилителей и электронных ключей.В противоположность технологии мезаструктур, при которой диффузия происходит равномерно по всей поверхности полупроводника, планарная технология требует, чтобы диффузия была локализована.

Для остальной части поверхности необходима маска.Идеальным материалом для маски является диоксид кремния, который можно наращивать поверх кремния. Так, сначала в атмосфере влажного кислорода при 0С выращивают слой диоксида толщиной около 1000 нм (это занимает примерно час с четвертью). На выращенный слой наносят фоторезист, который может быть сенситизирован для проявления ультрафиолетовым светом.

На фоторезист накладывают маску с контурами базовых областей, в которых должна проводиться диффузия (их тысячи на одной подложке), и экспонируют фоторезист под освещением. На участках, не закрытых непрозрачной маской, фоторезист затвердевает под действием света. Теперь, когда фоторезист проявлен, его легко удалить растворителем с тех мест, где он не затвердел, и на этих местах откроется незащищенный диоксид кремния.Для подготовки подложки к диффузии незащищенный диоксид вытравливают и пластинку промывают. (Здесь речь идет об «отрицательном» фоторезисте.

Существует также «положительный» фоторезист, который, наоборот, после освещения легко растворяется.) Диффузию проводят как двухстадийный процесс: сначала некоторое количество легирующей примеси (бора в случае n-p-n-транзисторов) вводят в базовый поверхностный слой, а затем – на нужную глубину. Первую стадию можно осуществлять разными способами.В наиболее распространенном варианте пропускают кислород через жидкий трихлорид бора; диффузант переносится газом к поверхности и осаждается под тонким слоем борсодержащего стекла и в самом этом слое. После такой начальной диффузии стекло удаляют и вводят бор на нужную глубину, в результате чего получается коллекторный p-n-переход в эпитаксиальном слое n-типа. Далее выполняют эмиттерную диффузию.

Поверх базового слоя наращивают диоксид, и в нем прорезают окно, через которое за одну стадию диффузией вводят примесь (обычно фосфор), формируя тем самым эмиттер.

Степень легирования эмиттера по крайней мере в 100 раз больше, чем степень легирования базы, что необходимо для обеспечения высокой эффективности эмиттера. В обоих диффузионных процессах, упомянутых выше, переходы перемещаются как по вертикали, так и в боковом направлении под диоксидом кремния, так что они защищены от воздействия окружающей среды.Многие устройства герметизируют поверхностным слоем нитрида кремния толщиной около 200 нм. Нитрид кремния непроницаем для щелочных металлов, таких, как натрий и калий, которые способны проникать сквозь диоксид кремния и «отравлять» поверхности в переходах и поблизости от них. Далее с использованием методов фотолитографии на поверхность устройства напыляют металл контакта (алюминий или золото), отделенный от кремния другим металлом (например, вольфрамом, платиной или хромом), впекают его в области базового и эмиттерного контактов, а излишек удаляют.

Затем полупроводниковую пластинку путем распиливания или разламывания после надрезания разделяют на отдельные микрокристаллы, которые прикрепляются к позолоченному кристаллодержателю или выводной рамке (чаще всего эвтектическим припоем кремний – золото). С выводами корпуса эмиттер и базу соединяют золотыми проволочками.

Транзистор герметизируют в металлическом корпусе или путем заделки в пластик (дешевле). Первоначально контакты делали из алюминия, но оказалось, что алюминий образует с золотом хрупкое соединение, обладающее высоким сопротивлением.Поэтому проволочные контакты из алюминиевой или золотой проволочки стали отделять от кремния другим металлом – вольфрамом, платиной или хромом.

Граничная частота транзисторов общего назначения составляет несколько сот мегагерц – примерно столько же, сколько было у ранних высокочастотных германиевых транзисторов.В настоящее время для высокочастотных типов эта граница превышает 10 000 МГц. Мощные транзисторы могут работать при мощности 200 Вт и более (в зависимости от типа корпуса), и нередки коллекторные напряжения в несколько сот вольт.

Используются кремниевые пластинки размером несколько сантиметров, причем на одной такой пластинке формируется не менее 500 тыс. транзисторов.Транзисторные структуры могут быть разного вида. Транзисторы для низкочастотных схем с низким уровнем сигнала нередко имеют точечно-кольцевую конфигурацию (точка – эмиттер, кольцо – база), которая, однако, не нашла широкого применения в тех случаях, когда предъявляются требования высокой частоты и большой мощности.

В таких случаях и в транзисторах многих низкочастотных типов чаще всего применяется встречно-гребенчатая структура. Это как бы два гребешка с широкими промежутками между зубцами, расположенные на поверхности так, что зубцы одного входят между зубцами другого. Один из них является эмиттером, а другой – базой. База всегда полностью охватывает эмиттер.Основная часть гребешка служит токовой шиной, равномерно распределяющей ток, так что все эмиттерные зубцы имеют одинаковое смещение и дают одинаковый ток. Это очень важно для сильноточных приборов, в которых локальная неоднородность смещения может вследствие местного нарастания тока привести к точечному перегреву.

В нормальном рабочем режиме температура перехода в транзисторах должна быть ниже 1250С (при ~1500С параметры прибора начинают быстро изменяться, и работа схемы нарушается), а потому в мощных транзисторах необходимо добиваться равномерного распределения тока по всей их площади.Сильноточные устройства часто разделяют на секции (группы зубцов, или малых транзисторов), соединенные между собой токовыми шинами с малым сопротивлением.

В транзисторах для диапазона сверхвысоких частот – другие трудности. Их максимальная рабочая частота ограничивается временем задержки, которое требуется для зарядки эмиттерного и коллекторного переходов (поскольку заряд переходов зависит от напряжения, они ведут себя как конденсаторы). Это время можно свести к минимуму, уменьшив до предела площадь эмиттера.

Поскольку эффективно действует лишь периферийная часть эмиттера, зубцы делают очень узкими; зато число их увеличивают так, чтобы получить нужный ток. Ширина зубца типичного высокочастотного эмиттера составляет 1–2 мкм, и таковы же промежутки между зубцами.База обычно имеет толщину 0,1–0,2 мкм. На частотах выше 2000 МГц время переноса заряда через базу уже не является определяющей характеристикой – существенно также время переноса через область коллектора; однако этот параметр можно уменьшить только путем уменьшения внешнего напряжения на коллекторе. 2. Анализ процессов в биполярном транзисторе Рассмотрим как работает транзистор р-n-p типа в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питаю¬щих напряжений E1 и E2 (рис. 4-1). Полярность их такова, что на эмит¬терном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе - обратное.

Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормаль¬ного тока в этом переходе достаточно напряжения Е1 в десятые доли вольта.

Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение Е2 обычно составляет единицы или десятки вольт. Из рис ( 4-1) видно, что напряжение между электродами транзистора связаны простой зависимостью: (4.1) При подключении к электродам транзистора напряжений (рис. 4-1) эмитерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный -в обратном направлении.Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое смешение эмиттерного перехода, т. е. участка база-эмиттер ( ), существенно влияет на ток коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора.

При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение , т. е. входное напря¬жение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с по¬мощью транзистора основано именно на этом явлении.Рис 4-1. Движение электронов и дырок в транзисторе р-n-р типа. Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток эмиттера . Дырки инжектируются из эмиттера в базу и создают вблизи p-n перехода электрический заряд, который в течении времени (3-5)ΐз компенсируется электронами, приходящими из внешней цепи источника.

Так как коллекторный переход подключён в обратном смещении то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками «+» и «-» . Между ними возникает электрическое поле. Если толщина базы достаточно мала и концентрация электронов в ней невелика, то большинство, дырок пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с электронами базы и достигают коллекторного перехода.

Лишь небольшая часть дырок рекомбинирует в базе с электронами. В результате рекомбинации возникает ток базы. Действительно, в установившемся режиме число электронов в базе должно быть неизменным.Вследствие рекомбина¬ции каждую секунду сколько электронов исчезает, столько же новых электронов возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к минусу источника E1 такое же число дырок.

Иначе говоря, в базе не может накапливаться много дырок.Если некоторое число инжектированных в базу дырок из эмиттера не доходит до коллектора, а остается в базе. Рекомбинируя с электронами, то точно такое же число дырок должно уходить из базы в виде тока . Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами: (золотое правило транзистора) (4.2) Ток базы является бесполезным и даже вредным.

Желательно, чтобы он был как можно меньше.Обычно составляет проценты тока эмиттера, т. е. и, следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера. т. е. можно считать . Именно для того, чтобы ток был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию электронов. Тогда меньшее число дырок будет рекомбинировать в базе с электронами.

Если бы база имела значительную толщину и концентрация электронов в ней была велика, то большая часть дырок эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с электронами и не дошла бы до коллекторного перехода.Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет дырок эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы. Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе почти нет тока. В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обеденные этими носителями.

Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный пере¬мещением навстречу друг другу неосновных носителей, т. е. электронов из р-области и дырок из n-области. Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются дырки, кото¬рые для данной области являются неосновными носителями.

Не успевая реком¬бинировать с электронами при диффузии через базу, они доходят до коллектор¬ного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше дырок приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление.Соот¬ветственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектирован¬ных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллектор¬ного перехода,т.е.ток коллектора . Данное одному из электродов транзистора название «эмиттер» подчеркивает, что происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. По рекомендуемой терминологии эмиттером следует называть область тран¬зистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Кол¬лектором называют область, назначением которой является экстракция носи¬телей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный пе¬реход, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо боль¬ше, чем рассеиваемая в эмиттерном.

Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно.

Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в этом случае называют сим¬метричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумме токов коллектора и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений коллекторного и базового токов: (4.3) Важным свойством транзистора является приблизительно линейная зависи¬мость между его токами, т. е. все три тока транзистора изменяются приблизи¬тельно пропорционально друг Другу. Пусть, для примера, =10мА, = 9,5 мА, = 0,5 мА. Если ток эмиттера увеличится, например, на 20% и станет равным 10 + 2 = 12 мА. то остальные токи возрастут также на 20%: = 0,5 + 0.1 = 0,6 мА и = 9,5 + 1,9 = 11,4 мА, так как всегда должно быть выполнено равенство (4.2), т.е. 12 мА=11,4 мА + 0,6 мА. А для приращения т оков справедливо равен¬ство (4.3) т .е. 2 мА = 1,9 мА + 0,1 мА. Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа р-п-p. Работу транзистора можно наглядно представить с помощью потенциальной диаграммы, которая показана на рис. 4-2 для тран¬зистора типа р-n-p. Рис. 4-2. Потенциальная диаграмма транзистора Эту диаграмму удобно использовать для создания механи¬ческой модели транзистора.

Потенциал эмиттера принят за нулевой.

В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер.

Чем больше напряжение , тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность по¬тенциалов, ускоряющую движение дырок. В механической модели шарики, аналогич¬ные дыркам, за счет своих собственных скоростей поднимаются на барьер, аналогичный эмиттерному переходу, проходят через область базы, а затем уско¬ренно скатываются с горки, аналогичной коллекторному переходу.Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах при¬ходится учитывать еще ряд явлений.

Существенное влияние на работу транзисторов оказывает сопротивление базы , т.е. сопротивление, которое база оказывает току базы . Этот ток протекает к выводу базы в направлении, перпендикулярном направлению эмиттер — коллек¬тор. Так как база очень тонкая, то в направлении от эмиттера к коллектору, т. е. для тока , ее сопротивление очень мало и не принимается во внимание.А в направлении к выводу базы сопротивление базы (его называют попе¬речным) достигает сотен Ом, так как в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику.

Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение , между выводами базы и эмиттера, так как часть подво¬димого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока так, как это сделано на рис. 4-3. На этой схеме — сопротивление эмиттера, в которое входят сопротивление эмиттерного перехода и эмиттерной области.

Значение у маломощных транзисторов достигает десятков Ом. Это вытекает из того, что напряжение на эмиттерном переходе не превышает десятых долей вольта, а ток эмиттера в таких транзисторах составляет единицы миллиампер. У более мощных транзисторов больше и соответственно меньше. При¬ближенно определяется формулой (в Омах) (4.4) где ток , выражается в миллиамперах.Сопротивление коллектора представляет собой практически сопротивление коллекторного перехода и составляет единицы и десятки килоОм. В него вхо¬дит также сопротивление коллекторной области, но оно сравнительно мало и им можно пренебречь.

Схема на рис (4-3) является весьма приближенной, так как на самом деле эмиттер, база и коллектор имеют между собой контакт не в одной точке, а во множестве точек по всей площади переходов. r эо r ко r Бо E 1 E 2 Рис (4-3) Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда, являющееся главным образом результа¬том ударной ионизации.

Это явление и туннельный, эффект могут вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой про¬бой перехода. Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопро¬вождается изменением толщины этих переходов.В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляцией толщины базы. Его особенно надо учитывать при повышении напряжения коллектор - база, так как тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщина базы уменьшается.

При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания («прокол» базы) - соединение коллекторного перехода с эмиттерным. В этом случае область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать. При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накоп¬ление неосновных носителей заряда в базе. т. е. увеличение концентрации и сум¬марного заряда этих носителей.Наоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда неосновных носителей в ней. Этот процесс называют рассасыванием носителей заряда в базе. В ряде случаев необходимо учитывать протекание по поверхности транзи¬стора токов утечки, сопровождающееся рекомбинацией носителей в поверхностном слое областей транзистора.

Установим соотношения между токами в транзисторе.Ток эмиттера управ¬ляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током, так как часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует.

Поэтому (4.5) где - коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора: он может иметь значения от 0,950 до 0,998. Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе к 1. Через коллекторный переход, всегда проходит еще очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток (рис. 4-4), называемый начальным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход.

Таким образом, полный коллекторный ток (4.6) Во многих случаях , и можно считать, что . Если надо измерить, то это делают при оборванном проводе эмиттера.Действительно, из формулы (4.6) следует, что при ток . Преобразуем выражение (4.6) так, чтобы выразить за¬висимость тока от тока базы Заменим , суммой : где: - ток коллектора -ток базы -ток эмиттера Рис. 4-4. Токи в транзисторе Решим уравнение относительно . Тогда получим: Обозначим: и и напишем окончательное выражение (4.7) Здесь является коэффициентом передачи тока базы и составляет десятки единиц.

Например, если = 0,95, то а если коэффициент = 0,99, т. е. увеличился на 0,04, то т. е. увеличивается в 5 с лишним раз! Таким образом, незначительные изменения приводят к большим изме¬нениям . Коэффициент так же, как и , относится к важным параметрам транзистора.Если известен то можно всегда определить по формуле (4.8) Ток называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба n-p-перехода) в том случае, если , т. е. оборван провод базы. Действительно, из уравнения (4.7) при получаем . Этот ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора .Ток , и, зная, что , нетрудно найти . А так как , то.