WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНЗИСТОРЫ Пособиедля студентовспециальности 014100 «Микроэлектроника и полупроводниковые приборы». Часть 2.

Воронеж 2003 г.

2 Утверждено научно-методическим советом физического факультета.

Протокол № 6 от 24.06.03 г.

Составители: ПетровБ.К., Воробьев В.В.

Пособие подготовлено на кафедре физики полупроводников и микроэлектроники физического факультета Воронежского государственного университета.

3 Во второй части пособия к лабораторному практикуму по основным курсам «Физика полупроводниковых приборов» и «Твердотельная электроника и интегральные схемы» специальности 014100 «Микроэлектроника и полупроводниковые приборы» для студентов 4 курса рассматриваются три лабораторные работы по транзисторным структурам: биполярные транзисторы, полевые транзисторы суправляющим p-n переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы). Представлены теоретические основы работы данных приборов, даны методики и задания по измерению статических ВАХ и импульсных характеристик биполярных транзисторов, снятию ВАХ и определению малосигнальных параметров полевых транзисторов.

4 СОДЕРЖАНИЕ 1. Биполярные транзисторы 5 Введение 5 1.1 Принцип работы биполярного транзистора 5 1.2 Конструкция планарного транзистора 10 1.3. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора 12 1.4. Частотные свойства биполярных транзисторов 14 1.5. Переходные процессы в ключе на биполярном транзисторе 16 1.6. Описаниелабораторного макета 18 1.7. Практическоезадание 19 1.8. Контрольные вопросы 20 Литература 20 2. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом 21 Введение 21 2.1 Принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n переходом 21 2.2. Выходная ВАХ полевого транзистора суправляющим p-n переходом 25 2.3. Малосигнальные параметры полевых транзисторовсуправляющим p-n переходом 2.4. Практическая часть 2.5. Контрольные вопросы Литература 3. МДП транзисторы Введение 3.1. Принцип действия и конструкция МДП транзистора 3.2. ВАХ МДП транзистора синдуцированным каналом 3.3. Дифференциальные низкочастотные параметры полевых МДП транзисторов 3.4. Практическая часть 3.5. Контрольные вопросы Литература 1. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ВВЕДЕНИЕ Полупроводниковый триод (транзистор) является одним из самых распространенных элементов электронных схем. С развитием технологии изготовления и совершенствованием конструкций биполярных транзисторов связан целый этап развития микроэлектроники. Появилась возможность изготовления малогабаритной, надежной радиоэлектронной аппаратуры с высокими энергетическими характеристиками, а также быстродействующей вычислительной техники. Новые технологические процессы, разработанные для создания биполярных транзисторов, стали основой производства интегральных схем, а изучение физики явлений в них привело к созданию новых видовполупроводниковых приборов.

В настоящее время область применения биполярных транзисторов несколько сузилась, однако они продолжают успешно конкурировать с другими полупроводниковыми приборами в усилительных и ключевых устройствах.

Наибольшее распространение получили биполярные транзисторы, изготовленные по планарной технологии, которая позволяет конструировать приборы сразными электрическими параметрами на основе кремния.

1.1. Принцип работы биполярного транзистора Схематическое изображение структуры биполярного транзистора приведено на рис Видно, что транзистор состоит из двух p-n-переходов,.1.

включенных навстречу друг другу. Каждый из p-n-переходов может быть смещен либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают четырережима работы транзистора:

1) режим отсечки – оба p-n-перехода смещены в обратном направлении, при этом через транзистор протекают малые токи;

2) режим насыщения – оба p-n-перехода смещены в прямом направлении, при этом через транзистор проходят относительно большиетоки;

3) нормальный активный режим – один из p-n-переходов (эмиттерный) смещен в прямом направлении, а другой (коллекторный) – в обратном направлении;

4) инверсный активный режим – эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный – в прямом.

В режиме отсечки и режиме насыщения управлениетранзистором почти отсутствует. В активном режиме можно управлять током, протекающим через транзистор, и использовать его в качествеактивного элемента электрических схем для усиления, переключения, генерирования сигналови т.п.

Область транзистора, расположенную между p-n-переходами, называют базой. Примыкающиек базе области обычно делают неодинаковыми. Одну из областей изготавливают так, чтобы из нее наиболее эффективно происходила инжекция носителей в базу, а другую – так, чтобы соответствующий p-nпереход наилучшим образом осуществлял экстракцию носителей из базы.

p+ n pЭмиттер Коллектор База а) p n+ nКоллектор Эмиттер База б) Рис. 1. Схематическоеизображениеструктур биполярных транзисторов и их условноеизображение: а - p-n-p-типа; б - n-p-n-типа.

Область транзистора, основным назначением которой является инжекция неосновных носителей в базу, называют эмиттером, соответствующий p-nпереход – эмиттерным. Область транзистора, основным назначением которой является экстракция неосновных носителей из базы, называется коллектором, соответствующий p-n-переход – коллекторным.

Основные характеристики транзистора определяются процессами, происходящими в базе.

Рассмотрим распределение потоков носителей в n-p-n-транзисторе в активном режиме (рис. 2).



Через эмиттерный переход транзистора происходит инжекция носителей заряда (электронов в базу. Инжектированные носители (ток IЭn) частично ) рекомбинируют в объеме базы, на ее поверхности и омическом контакте с базой (ток IБ.рек), остальные пересекают базу, доходят до коллекторного перехода и вытягиваются его полем в коллектор. К этой составляющей тока коллектора добавляется ток тепловой генерации в базе, коллекторе и коллекторном p-n- переходе IК0. Величина n=InK/InЭ<1 называется интегральным коэффициентом переноса. Она характеризует долю инжектированных в базу носителей, дошедших до коллектора.

UКБ UЭБ + + p n n IК IЭ + Э К IБ.рек IБ.инж IК.IБ Б Рис. 2. Распределениестационарных потоковносителей заряда в n-p-n-транзисторев активном режиме ( - электроны, - дырки).

Через эмиттер протекает также ток носителей (дырок), инжектируемых из базы в эмиттер IЭp=IБ.инж. В области эмиттера эти носители оказываются неосновными и рекомбинируют с электронами. Интегральный коэффициент инжекции эмиттера n=InЭ/(InЭ+IpЭ)1.

Ток, проходящий через вывод базы, представляет собой сумму токов инжекции в эмиттер IЭp=IБ.инж, рекомбинации IБ.рек и обратного тока коллекторного перехода IК 0.

Усилительные свойства транзистора будут тем лучше, чем большая доля тока эмиттера дойдет до коллектора. Прежде всего стараются сократить потери носителей заряда, инжектируемых в базу. Для этого:

1) толщину базы wБ делают небольшой по сравнению с диффузионной длиной неосновных носителей заряда (для электронов в n-p-n- транзисторе LnБ>4wБ0), что снижает потери на рекомбинацию вобъеме базы;

2) площадь коллектора SК делают больше, чем площадь эмиттера SЭ (SК>3SЭ), чтобы собрать весь поток носителей, идущих из эмиттера (по этой причине инверсный активный режим никогда не используется);

3) для уменьшения инжекционного тока из базы в эмиттер IЭp концентрацию примесей в базе NаБ делают значительно меньшей, чем концентрацию донороввэмиттере NdЭ(103105)NaБ.

В результате получается, что токколлектора вактивном режиме близок к току эмиттера: Iк=(0,950,99)IЭ, а ток базы значительно меньше как тока эмиттера, таки тока коллектора: IБ=IЭ-IК=IК/(20100).

Рассмотрим, как происходит усиление в транзисторе по току, напряжению и мощности в нормальном активном режиме.

Различают три схемы включения транзистора: с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором (рис. 3). Общим называют электрод, относительно которого измеряют и задают напряжения. Усилительные свойства транзистора проявляются, если всхеме с общей базой вкачествевходной цепи использовать эмиттерную, а в качествевыходной – коллекторную. Для схемы с общим коллектором входной является цепьбазы, а выходной – цепьэмиттера.

Наибольшее усилениепо мощности получают в схеме с общим эмиттером.

Другиесхемы включения используются обычно для согласования усилительных каскадовпо входному и выходному сопротивлению. Усиление Епит Епит К Епит Б Э К К Э Б Б Э Б Э Рис. 3. Схемы включения биполярных транзисторов:

а - с общей базой; б - с общим эмиттером; в - с общим коллектором.

по токухарактеризует статический коэффициент передачи тока всхеме с общей базой (ОБ) h21Б=IК/IЭ=0,950,99, а в схеме с общим эмиттером (ОЭ) h21Э=IК/IБ20.

В схеме с общим эмиттером входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь коллектора. Так как ток базы значительно меньше тока коллектора, то малые изменения тока базы приводят к большим изменениям тока коллектора. Если в коллекторную цепь включить резистор соответствующей величины, то можно получить на нем изменениенапряжения, близкое к напряжению источника питания, величина которого составляет обычно десятки Вольт. В то же время во входной цепи для большого изменения входного тока (в несколько раз) достаточно изменить напряжение на эмиттерном p-n-переходе на 2550 мВ. Таким образом, изменениекак тока, так и напряжения ввыходной цепи значительно больше, чем во входной.

RI K Н KU = >10. (1) UЭБ Коэффициент усиления по мощности на переменном сигнале в схеме с ОБ равен:

Коэффициент усиления по напряжению для схем с ОБ и ОЭ равен:

5,0 ( ) RI RI НК K Н K = KU >= 10, (2) уp 5,0 UI U БЭ Б а в схеме с ОЭ 5,0 ( ) RI RI K Н K = = h21Э K Н 21Э Kh >>= 10, (3) уp U 5,0 UI U ЭББ ЭБ где h21Э=IK/IБ – коэффициент передачи (усиления) тока в схеме с ОЭ на малом сигнале.

В режиме насыщения транзистор находится тогда, когда напряжение коллектор-эмиттер UКЭ становится меньше напряжения эмиттер-база UЭБ. Это происходит при низком напряжении питания Eпит

UЭБ UКБ - + + npn IЭ IК IБ.рек Э К IБ.инж.К IБ.инж.Э IБ Б Рис. 4. Распределениестационарных потоковносителей заряда в транзисторев режиме насыщения.

коллекторный p-n-переход перестает вытягивать из базы неосновные носители.

Из-за повышения их концентрации возрастает скорость рекомбинации вбазе и увеличивается ток базы. Возникает также и дополнительная составляющая базового тока вследствие инжекции дырок из базы в коллектор, где они рекомбинируют с электронами. В результате ток базы становится сравнимым с током эмиттера, а токколлектора оказывается небольшим по сравнению сними и определяется величиной последовательного сопротивления в цепи коллектора. Транзистор перестает управляться. Режим насыщения используется обычно в ключевых устройствах из-за малого падения напряжения на транзисторе (падения напряжения на коллекторном и эмиттерном p-nпереходах компенсируют друг друга). Однако накоплениезаряда в транзисторе приводит к длительному выключению, посколькутранзистор перейдет в режим отсечки только послеисчезновения заряда в базе.





На рис. 5 показано распределениепотоковносителей в режиме отсечки в n-p-n-транзисторе. При этом в транзисторепротекают очень малые обратные токи эмиттерного и коллекторного переходов возникающие вследствие, тепловой генерации в области эмиттера, базы, эмиттерного и коллекторного переходов, а также коллектора на расстоянии диффузионной длины.

UЭБ UКБ + + n p n IЭIКЭ К IББ Рис. 5. Распределениестационарных потоковносителей заряда в транзисторев режиме отсечки.

1.2. Конструкция планарного транзистора На рис. 6 показана типичная конструкция планарного n-p-n-транзистора.

Для изготовления прибора обычно используется низкоомная кремниевая подложка n+-типа (знак + обозначает высокую концентрацию примеси Nd см-3) с выращенным на ней высокоомным эпитаксиальным n--слоем (знак - означает низкую концентрацию примеси Nd 10141015 см-3). Степень легирования этого слоя и толщина выбираются таким образом, чтобы коллекторный p-n-переход транзистора выдерживал необходимое пробивное напряжение UКБ0 проб, а толщина Эмиттер База База была немного больше ширины p-nAl n+ SiOперехода. В зависимости от типа транзистора толщина составляет 10100 мкм. Толстая низкоомная p подложка (около 300 мкм) обеспечивает механическую nпрочность кристалла.

Область p-базы транзистора формируется в высокоомном эпитаксиальном слое с помощью n+ диффузии (например, бора). Это дает возможность контролировать распределениепримеси и глубину залегания коллекторного p-nперехода с точностью до 10 %.

Эмиттер получают с Коллектор использованием еще одной диффузии или ионной Рис. 6. Конструкция планарного транзистора.

имплантации (например, фосфора) с последующей кратковременной диффузией (разгонкой). При ионной имплантации можно получить более крутой фронт распределения примеси, что улучшает частотные свойства прибора. Толщина базы wБ0 составляет 0,13 мкм в разных типах транзисторов (wБ00,1 мкм вСВЧ триодах и wБ03 мкм вНЧ приборах).

Поверхность кристалла защищают окислом SiO2, этот же окисел используется в качествемаски при диффузии.

Отличительной особенностью планарного транзистора является наличие встроенного электрического поля в базе, которое заметно влияет на время пролета неосновных носителей. Это поле возникает из-за неравномерности распределения примеси и определяется по формуле:

kT d (xE ) ln[ (xN )-= Nda (x)]. (4) q dx Под действием градиента концентрации дырки уходят кграницам базы, а в области максимума концентрации примеси остается отрицательный заряд неподвижных акцепторов. Вблизи эмиттера поле тормозит ижектированные электроны, а со стороны коллектора ускоряет. Общее время пролета будет тем меньше, чем короче участок тормозящего поля и длиннее участок ускоряющего. Для этого надо иметь крутые фронты распределения примесей, что можно получить только при небольшой глубине диффузии. Отношение этих участков (xm-xэ0)/(xк0-xm) 1/2 1/5 (рис.7).

Nd,Na Nds n p n 1.3. Вольт-амперные характеристики Ndэ биполярного транзистора Nas Обычно рассматривают входную и База Коллектор Эмиттер выходную характеристики.

Na На рис 8 показана входная.

Ndк статическая характеристика всхеме с общим эмиттером.

xэ0 x Общий характер этой а) зависимости определяется pn-переходом эмиттера, /Nd-N/ a Эмиттер Коллектор База поэтому входные Nds p n характеристики похожи на n прямую ВАХ диода.

Отличие заключается в том, что напряжение на E E коллекторе влияет на -концентрацию носителей -+ около него и уменьшает + толщину базы из-за + + изменения ширины коллекторного перехода. Это xэ0 xэ xm xк0 x xк 0 xэ приводит к увеличению б) градиента концентрации неосновных носителей в базе Рис. 7. Распределениеконцентрации прии увеличению тока эмиттера месей и образованиеэлектрического поля с ростом напряжения на в базе планарного транзистора:

а - распределениепримесей при диффузии;

коллекторе Как показано в.

б - результирующее распределениепримесей;

[1], выражение для тока 1 - участок тормозящего поля;

эмиттера транзистора имеет 2 - участок ускоряющего поля.

вид:

qnS qU qU Э i ЭБ ЭБ IЭn = exp Aexp, (5) xк kT kT xN )( - Nda (x) dx xD )( xэ n где xэ”,xк' – границы эмиттерного и коллекторного p-n-переходов с pбазой; Dn(x) – коэффициент диффузии электронов в базе; ni – концентрация носителей в собственном полупроводнике.

Это выражениесправедливо вбольшом диапазоне токов, за исключением очень больших и очень малых.

IЭ n n+ p UКЭ2UКЭUКЭUКЭUКЭ2UКЭ x x (UКЭ2) xк(UКЭ1) xэ0 x UЭБ к э Рис.8. Входные статическиехарактеристики n-p-n-транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (а), и распределение концентрации электронов в базе при разных коллекторных напряжениях (б).

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.