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 IКБ0
= Інас
— 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 Lр
.
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 sК
=¥, тому що електричне поле колекторного n-p- переходу швидко переносить дірки в колектор і рб
(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 1к
Rн
,
що зміщує колектор у прямому напрямку. Тому для нормальної роботи транзистора необхідно, щоб напруга джерела живлення колектора Uк
було завжди більше 1к
Rн
.
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: Iэ
=Iрэ
+Iпэ
.
Тоді (2.1) можна переписати у вигляді
(2.2)
де g
=IрЭ
/(Iрэ
+Iпэ
)—
ефективність емітера, b
=I
рк
/I
рэ
— коефіцієнт переносу, gK
= 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 Iрэ
>>Iпэ
.
У цьому випадку з урахуванням того, що IР
~Dр
рп
/Lр
і Iп
~ Dп
пр
/Lп
(3.3) прийме вигляд
(2.4)
З формули видно, що для збільшення g необхідно, щоб np
<pn
. Тому що пр
рр
= пп
рп
,
то в якості емітерного переходу застосовується несиметричний p-n-перехід, у якому рр
>пп
.
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>>Lр
).
У транзисторі W<<LР
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 sK
= 0, то, відповідно, I
пэ
~ Dр
рп
/W.
Тоді (2.5) можемо записати у вигляді
(2.6)
Зазвичай s
p
»103
Ом-1
см-1
, s
n
»103
Ом-1
см-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 A
1
+A
2
=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 A1
ехр(W/Lр*
)+A2
ехр(—W/LР*
)=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 Lp*
, одержуємо
На низьких частотах wtР
<<1 і ß
=sch(W/Lp
). Так як W<<Lp
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
<<nn
.
Оцінимо вплив рекомбінації неосновних носіїв на поверхні бази на коефіцієнт переносу. Число рекомбінуючих на поверхні дірок sSs
рs
, де s — швидкість поверхневої рекомбінації; Ss
— площа поверхні, на якій відбувається рекомбінація; рs
— концентрація інжектованих дірок на поверхні. Тоді струм дірок, рекомбінуючих на поверхні, Is
=qs
Ss
рs
.
Оскільки концентрація інжектованих дірок у емітера найбільша, то, відповідно, рекомбінаційний струм на поверхні буде найбільший поблизу емітера. Тому можна приблизно вважати рs
= 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 IРЭ
=-qSэ
Dр
Ñ
р
= =qSэ
Dр
(р'п
/W),
де Sэ
— площа емітера.
Втрати діркового струму на рекомбінацію на поверхні I
s
/Iрэ
=
sSs
W/Sэ
Dр.
Ці втрати сумуються з втратами на рекомбінацію в
(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/Lр
)2
(0,5+sА
t
р
/Sэ
).
Ефективність колектора
. Цей параметр можна визначити як відношення повного струму колектора до діркового: gк
=(jрк
+jnк
)/jрк
= 1 + jnк
/jpк
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 jрк
=q
m
р
рЕ—qDр
Ñ
р,jnк
=q
m
n
nЕ—qDn
Ñ
n.
2.2 Вплив режимів роботи на параметри транзисторів
Залежність h21Б
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 h21Б
. Це характерно для кремнієвих транзисторів, де внаслідок малого значення ni
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 h21Б
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 Iэ
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 h21Б.
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 h21Б
від струму емітера (а) і напруги на,колекторі (б) і зміна концентрації носіїв у базі при зміні Uк
(I
э
= const) (в)
Унаслідок цих причин залежність h21Б
(Iэ
) (мал. 2,а) має максимум. Ріст h21Б
на початковій ділянці пояснюється збільшенням g за рахунок більш швидкого зростання інжекційного струму емітера в порівнянні з рекомбінаційним. Подальший ріст h21Б
обумовлений збільшенням коефіцієнта переносу b за рахунок збільшення коефіцієнта дифузії. Причиною наступного зменшення h21Б
є зменшення g (ріст електронної складової Iэ
).
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 h21Б
з збільшенням Uк.
Ефект зміни ширини бази під дією Uk
має не тільки позитивне (ріст h21Б
), але і негативне значення. Якщо, наприклад, транзистор працює в режимі постійного струму емітера (IЭ
=const), то при зміні ширини бази під дією Uк
градієнт концентрації інжектованих носіїв повинен залишатися постійним, тому що Iэ
~Ñр
(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.
Отже, можна відзначити два небажаних ефекти, що з'являються при великих Iэ
і Uk
:
зменшення g з ростом Iэ
і наявність зворотного зв'язку між Uk
і вхідним сигналом. Причиною обох ефектів є мала концентрація основних носіїв у базі, яку не можна збільшувати, тому що при цьому зменшиться g.
Обидва ці ефекти можуть бути усунуті в конструкції транзистора з гетеропереходом у якості емітера. Один з варіантів енергетичної діаграми такої структури показаний на мал. 3. Тому що в якості емітера використовується матеріал з більшою шириною забороненої зони, чим матеріал бази, потенціальний бар'єр для дірок значно більший, ніж для електронів. Це дозволяє здійснювати практично однобічну інжекцію електронів у базу при будь-яких струмах емітера. Отже, g при великих Iэ
не зменшується.
Рис. 3. Енергетична діаграма п-р-п-
транзистора з гетеропереходом при робочих зсувах
Якщо в звичайному транзисторі для одержання g»1 необхідно область емітера легувати домішкою значно сильніше, ніж область бази, то в транзисторі з гетероемітером можна одержати g»1 і при зворотному співвідношенні. Тому область бази в такому транзисторі може бути легована значно сильніше, ніж область емітера і колектора. З ростом напруги на колекторі область об'ємного заряду розширюється в слаболеговану область, тобто в даному випадку в область колектора. Отже, ширина бази не змінюється при зміні Uк
і зворотний зв'язок між входом і виходом відсутній. Якщо розрив енергії в зоні провідності більше ширини забороненої зони напівпровідника бази, то інжектовані в базу електрони можуть віддавати надлишкову енергію електронам валентної зони і переводити їх у зону провідності (Рис. 3.), тобто відбувається множення числа інжектованих носіїв. У цьому випадку коефіцієнт передачі струму h21э
може бути більше одиниці, в чому ще одна перевага транзистора з гетеропереходом у якості емітера [7].
Перші зразки діючих транзисторів з гетероемітером вже отримані, і викладені вище розуміння в загальному перевірені. Однак на шляху їхнього впровадження у виробництво стоять значні технологічні труднощі. Основною проблемою є створення бездефектної границі розділу в гетеропереході, тому що на дефектах відбувається значна рекомбінація інжектованих носіїв і g зменшується.
2.3 Представлення транзистора у вигляді чотириполюсника
При розрахунку електронних ланцюгів транзистор можна представити у вигляді чотириполюсника (рис. 4), що дозволяє використовувати для цих цілей добре розроблені методи теорії ланцюгів.
|
|
Рис. 4. Схема чотириполюсника для опису електричних властивостей транзистора
Як відомо, чотириполюсник характеризується вхідними U1
, I1
і вихідними U2
, I2
напругами і струмами. Якщо відомі дві з цих величин, то дві інші однозначно знаходяться на основі статичних характеристик транзистора. У загальному вигляді зв'язок струмів з напругами в чотириполюснику описуються шістьма рівняннями, з яких три набули широкого застосування. У першому з них напруги розглядаються як лінійні функції струмів:
Параметри Zik
мають розмірність опорів і є комплексними величинами. Вони виражаються через струми і напруги в режимі холостого ходу в такий спосіб:
(2.15)
При розгляді струмів транзистора як лінійних функцій напруг одержуємо Y -
систему рівнянь:
(2.16)
Параметри Y
мають розмірність провідності, також е комплексними величинами. Вони визначаються при короткозамкнутому за змінним сигналом вході чи виході:
(2.17)
Недолік системи Z і Y -
параметрів - складність їхнього експериментального визначення, тому що внаслідок малого вхідного опору транзистора важко створити режим короткого замикання на вході і внаслідок великого вихідного опору важко створити режим холостого ходу на виході. Ці недоліки можна усунути при використанні гібридної системи h - параметрів:
(2.18)
Для, визначення hik
- параметрів необхідно створити режим короткого замикання у вихідному ланцюзі і режим холостого ходу у вхідному. Таким чином, h - параметри виражаються через струми і напруги в такий спосіб:
- вхідний опір при короткому замиканні вихідного ланцюга;
- коефіцієнт зворотного зв'язку за напругою при холостому ході у вхідному ланцюзі;
- коефіцієнт передачі струму при короткому замиканні вихідного ланцюга;
- вихідна провідність при холостому ході у вхідному ланцюзі.
На практиці вимірювати h - параметри значно простіше, тому що транзистор в умовах вимірів працює в режимах, близьких до реальних. Однак, при розрахунку електричних ланцюгів, що містять транзистори, здебільшого використовуються Z -
чи Y -
параметри. Кожна система параметрів чотириполюсника зв'язана між собою, тому параметри однієї системи можна виразити через параметри іншої. На підставі (2.18) можна записати
При дослідженні поводження схем чи транзистора схеми, що містять його, необхідно мати зв'язок параметрів чотириполюсника з елементами еквівалентної схеми. Розглянемо цей зв'язок для параметрів у схемі з загальною базою [9]. При аналізі еквівалентної схеми в області низьких частот при короткому замиканні на виході одержимо
Вважаючи, що rкб
>>r ,
можна записати
У режимі холостого ходу (Іe
= 0 ) на входах визначимо
3 МЕТОДИКА
РОЗРАХУНКУ
ДРЕЙФОВОГО
ГЕРМАНІЄВОГО
n
-
p
-
n
ТРАНЗИСТОРА
Як приклад розрахунку дрейфового германієвого n-p-n транзистора проведемо розрахунок дифузійного транзистора. Геометрична структура транзистора представлена на рисунку.
1. Розрахунок часу дифузії
а) Дифузійний сполучний шар
Цей шар утвориться в результаті дифузії сурми у вакуумі або водні.
Передбачається, що закон розподілу домішок у результаті дифузії визначається erfc функцією:
Тому що
2. Розрахунок дрейфового поля транзистора
Показник експоненти, що апроксимує розподіл домішок у базі, визначається як
3. Розрахунок α
4. Розрахунок опорів
а) Опір емітера
б) Опір бази
в) Опір колектора
5. Розрахунок ємностей
а) Зарядна ємність колектора
б) Зарядна ємність емітера
Вважаючи емітерний перехід різким, маємо:
6. Розрахунок граничних частот
а) Гранична частота, обумовлена ланцюгом емітера.
б) Гранична частота коефіцієнта передачі по струму, обумовлена механізмом переносу через базу
в) Гранична гранична частота fα
г) Максимальна частота генерації
7. Розрахунок зворотних струмів колекторного переходу
а) Складової об'ємної рекомбінації
б) Складової поверхневої рекомбінації
в) Складової генерації в запірному шарі переходу
г) Повний струм
8. Розрахунок пробивних напруг
а) Напруга лавинного пробою колектора
б) Напруга, при якій α = 1
9. Максимальна температура колекторного переходу
Тмакс
= 80° С.
10. Розрахунок теплового опору конструкції [3]
4
ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ТРАНЗИСТОРІВ МЕТОДОМ ДИФУЗІЇ
Напівпровідникова технологія в теоретичному плані розроблена порівняно слабко й у цьому відношенні ще далека від рівня фізики напівпровідників і напівпровідникових приладів. Проте доцільно дати загальне представлення про основні етапи технологічного процесу, оскільки такі зведення можуть сприяти кращому розумінню властивостей, параметрів і особливостей самих приладів.
Одержання й очищення напівпровідників.
Якість напівпровідникових приладів у значній мірі залежить від якості вихідних напівпровідникових матеріалів. Особливу проблему при виготовленні напівпровідників представляє їхнє очищення. Для збереження характерних напівпровідникових властивостей зміст домішки, як правило, повинне лежати в межах до 0,0001%. Однак і ця винятково мала цифра характерна лише для корисної домішки. Зміст сторонніх, а особливо шкідливих домішок повинне бути ще на 1-2 порядки менше .
Ідеальним випадком була би можливість одержання абсолютно чистого - власного напівпровідника, у який потім можна було б додавати необхідну кількість корисної домішки. Практично одержання «сьогодення» власного напівпровідника неможливо, але методи сучасної металургії дозволяють одержати вихідні матеріали з зазначеною вище ступенем чистоти.
Для зменшення часу життя носіїв у колекторних областях іноді проводять дифузію золота з тильної сторони пластини. Введення золота в підкладку сприяє зменшенню коефіцієнта передачі струму бази паразитних транзисторів, завдяки чому помітно послаблюється вплив цих транзисторів. Після формування робочих областей за допомогою фотолітографії витравлюються вікна під контакти (маска 6) і у вакуумі проводять напилювання алюмінієвої плівки на всю поверхню пластини. Видалення алюмінію з тих ділянок, на яких він не потрібний, здійснюється за допомогою наступної фотолітографії.
ВИСНОВКИ
В даній курсові роботі було:
1. Розглянуто принцип роботи pnp-транзистора.
2. Проведено розрахунок електричних параметрів, максимальної робочої частоти, знайдені вихідні характеристики, передаточна характеристика та її крутизна в області насичення за заданими розмірами.
3. До кожного розрахунку розроблено програму мовою програмування Delphi 6.0.
4. Проведено тепловий розрахунок, в результаті якого було вибрано тип корпусу для транзистора, який приведений на креслені в кінці роботи.
Отже, в даній курсовій роботі було досліджено германієвий дрейфовий транзистор (p-n-p), який має важливе значення в інженерній практиці.
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ
1. Осадчук В.С., Осадчук О.В. «Транзистори». Навчальний посібник - Вінниця: ВДТУ, 2003. – 206 с.
2. Пасінков В.В., Чиркин Л.К. “Полупроводниковые приборы”. – М.: Высш. шк., 1987. – 479 с.
3. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. «Полупроводниковые приборы». – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с.
4. Крутякова, Чариков, Юдин «Полупроводниковые приборы и основы их проектирования».
5. Кравченко Ю.С., Смольков Є.О. Методичні вказівки. – Вінниця: ВДТУ, 2001. – 25 с.
6. Росадо Л. «Физическая електроника и микроелектроника». – М.: Высш. шк., 1991. – 351 с.
7. Васильева Л.Д., Медведенко Б.І., Якименко Ю.І. «Напівпровідникові прилади». – К.: ІВЦ «Видавництво «Політехніка»», 2003. – 388 с.
8. Лапцов «Цифровые устройства на МДП-струкрурах». – М.: Наука, 1972. – 265с.
9. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. «Полупроводниковые приборы». – М.: Энергоатомиздат, 1972. – 265 с.
10. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/TRANZISTOR.html
11. http://www.salonav.com/Praktika/6.2003/HTM/tranz.htm
12. www.5ballov.ru