Курсовая работа по Твердотельной электроники ФИНИШШШ 2. Расчет бездрейфового сплавного биполярного транзистора
 Скачать 0.87 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (Г0СУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)» КАФЕДРА ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине Твердотельная электроника НА ТЕМУ Расчет бездрейфового сплавного биполярного транзистора (вариант 13) Выполнил: студент 3 курса гр. ЭНб-19-2 направления подготовки "Электроника и наноэлектроника" Хаминов А.В. Проверил: ст. преп. каф.ЭП Асланов М.А. Владикавказ 2022 Задание .Рассчитать бездрейфовый сплавной биполярный транзистор Исходные данные: Uк=-9 B, Iэ=0,8 мА, w1=70 мкм, w2= 100 мкм, w3=170 мкм, Rэ=0,45 мм, Rк=0,65 мм, 2Rб=3 мм, ρэ=0,003 Ом·см, ρб=1,5 Ом·см, ρк=0,003 Ом·см, Lэ= 5 мкм, τб=30 мкс, Lк=6 мкм, S=1200 см/с. Составить программу для расчета на языке Python. Выполнить чертеж корпуса транзистора в среде КОМПАС 3D. Содержание
Введение Биполярный транзистор - электронный полупроводниковый прибор, состоящий из трех слоев полупроводника с чередующимся типом электропроводности. Соответственно различают pnp- npn-структуры (рисунок Транзистор называется биполярным, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Для pnpструктуры дырки являются основными, а электроны - неосновными носителями заряда. Для npn-структуры наоборот, электроны являются основными, а дырки - неосновными носителями заряда. Условные обозначения n-p-n и pn-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.Полупроводниковые области прибора и металлические выводы от них называются одинаково: Э – эмиттер – предназначен для эмиттирования (инжектирования, внесения) потока основных носителей заряда. В этом слое самая большая концентрация примеси. К – коллектор – служит для собирания (отсюда и название, от англ. collect) основных носителей, прошедших через базовый слой. Здесь концентрация примеси меньше чем в эмиттере, но больше чем в базовом слое. База – слой с самой маленькой концентрацией примеси. Вследствие этого большая часть ширины обоих pn-переходов располагается именно здесь. От каждого слоя полупроводника делаются металлические отводы – электроды, называемые эмиттером (Э), базой (Б) и коллектором (К). Рассмотрим структуру npn. Для её получения в беспримесной полупроводник нужно ввести акцепторную и донорную примеси следующих концентраций: Nэ – концентрация донорной примеси, вносимой в эмиттерный слой; Nб – концентрация акцепторной примеси, вносимой в базовый слой; Nк – концентрация донорной примеси, вносимой в коллекторный слой. Независимо от типа транзистора (pnp- или npn-), соотношение концентраций примесей будет следующим: Nэ > Nк > Nб. То есть всегда концентрация примеси в эмиттере будет самой большой, в базе – самой маленькой, в коллекторе – промежуточное значение между ними. На границе между эмиттерным и базовым слоем начнутся процессы диффузии и дрейфа, и образуется эмиттерно-базовый pn-переход. На границе между базовым и коллекторным слоем начнутся процессы диффузии и дрейфа, и образуется коллекторно-базовый pn-переход. Ширина pn-перехода со стороны коллектора lк будет иметь промежуточное значение между шириной со стороны эмиттера и со стороны базы. Данная структура является идеальной моделью. Технологии получения биполярных транзисторов Транзисторы изготовляют из германия или кремния, причём в начале производственного цикла нужно иметь очень чистый полупроводник, обладающий безукоризненной кристаллической структурой. Биполярный транзистор – несимметричный прибор. У коллектора — большая площадь pn-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы. В связи с перечисленными особенностями нельзя путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить абсолютно аналогичный исходному биполярный транзистор. Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время биполярные транзисторы изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. По конструкции и технологии изготовления различают биполярные транзисторы сплавные, эпитаксиально - диффузионные, планарные. Сплавная технология Сплавной плоскостной транзистор представляет собой тонкую пластинку германия, в которую с разных сторон вплавлены две таблетки из индия, образующие эмиттер и коллектор. Расположение трех элементов, образующих транзистор Следовательно, чтобы из полученной заготовки для базы изготовить транзистор, нужно по обе стороны базы иметь примеси типа, противоположного тому, какой содержит база. Для этого на производстве поступают следующим образом. Тонкие германиевые пластинки, тщательно протравленные для удаления повреждений, вызванных разрезанием, загружаются в многогнёздный держатель. Индиевые таблетки засыпаются в распределитель, который кладёт по одной таблетке на каждую пластинку. Всё устройство перемещается через водородную печь; при этом в пластинку вплавляется эмиттер. Этот процесс происходит при температуре 600°C, при которой индий начинает плавиться (германий же обращается в жидкость лишь при нагревании до 940°С). Атомы индия вкрапляются в германий; проникновение это облегчается тепловым движением. Затем пластинки переворачивают, и процесс повторяется с несколько более крупными таблетками для коллектора. Водород нужен для очистки поверхности германия от окисла. Длительность обработки в печи и температуру подбирают так, чтобы толщина базы составляла примерно 0,025 мм. Так, с одной стороны базы образуется эмиттер, а с другой — коллектор. Последний должен иметь больший, чем эмиттер, объём, так как токи рассеивают на нём большую мощность. К каждому из этих трёх электродов необходимо припаять проволочный вывод. Устройство биполярного транзистора Биполярный транзистор – это активный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя выводами. Работа биполярного транзистора обеспечивается носителями зарядов двух типов – электронов и дырок. Устройство биполярного транзистора показано схематически на рисунке 1. Он представляет собой пластину полупроводникового материала, в которой созданы три чередующиеся области (слои) c различной электропроводностью. Для транзистора n-p-n-типа средняя область имеет дырочную электропроводность, а две крайние области – электронную. Для транзистора p-n-p-типа средняя область имеет электронную электропроводность, а две крайние области – дырочную. Средняя область транзистора называется базой (Б), одна крайняя область – эмиттером (Э), другая – коллектором (К). Таким образом, в транзисторе имеются два p-n-перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между коллектором и базой. Как правило, эмиттер является наиболее сильно легированной областью. Область базы должна быть 6 очень тонкой. Это является условием хорошей работы транзистора. К каждой области припаивают металлические выводы для включения транзистора в электрическую цепь.  Рисунок 1 - Структуры и условные графические обозначения биполярных транзисторов p-n-p (а) и n-p-n (б) типов Для величин, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору, применяют в качестве индексов буквы «б», «э» и «к». Токи в проводах базы, эмиттера и коллектора обозначают соответственно iб, iэ, iк.. Напряжения между электродами обозначают двойными индексами, например, напряжение между базой и эмиттером uб-э, между коллектором и базой uк-б, между коллектором и эмиттером uк-э. На условном графическом обозначении транзисторов p-n-p и n-p-n стрелка показывает условное (от плюса к минусу) направление тока в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе. 1.2 Принцип работы биполярного транзистора Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, то есть участка база – эмиттер (uб-э), существенно влияет на токи эмиттера и 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 uб-э, то есть входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении. Если к эмиттерному переходу приложить прямое (uб-э), а к коллекторному – обратное напряжения (рисунок 2), то через эмиттерный переход в область базы будут инжектироваться электроны, образуя эмиттерный ток транзистора iэ. Часть инжектированных в область базы электронов рекомбинирует с основными для этой области носителями заряда – дырками, образуя ток базы iб. Другая часть инжектированных электронов, которая достигает коллекторного перехода, с помощью электрического поля, создаваемого напряжением uк-б, подвергается экстракции в коллектор, образуя через переход коллекторный ток i'к. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление и соответственно увеличивается ток коллектора. Ток коллектора связан с током эмиттера выражением i'к = α iэ, (1) где α – коэффициент передачи тока эмиттера, α = 0,950 … 0,998. Таким образом, эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу; коллектором – область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. Базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда. Через запертый коллекторный переход будет создаваться обратный ток iк0, образованный потоком из коллектора в базу неосновных для коллекторной области носителей заряда (дырок). Этот ток называется начальным током коллектора (или неуправляемым током коллектора) и измеряется при отключенном проводе эмиттера.  Рисунок 2 – Принцип работы транзистора Таким образом, полный ток коллектора iк = i'к + iк0 =α iэ + iк0 (2) Во многих случаях iэ>> iк0 и можно считать, что ток коллектора определяется выражением: iк = α iэ(3) Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа представляет собой ток базы iб = iэ – iк(4) Заменив iэ в (4) его значением из (3), получим iб = iк/α – iк = [(1 – α)/α] iк. Отсюда iк/iб = α/(1 – α) = β или iк = β iб, (5) где β – коэффициент передачи тока базы (β >> 1). Согласно формуле (2) биполярный транзистор является усилительным элементом, управляемым током: малый ток базы управляет (преобразуется) значительно большим током коллектора. При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда (в результате ударной ионизации). Это явление и туннельный эффект способны вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой перехода. Электрический и тепловой пробои коллекторного перехода в транзисторе происходят в основном так же, как и в диоде. Но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе может возникать тепловой пробой без предварительного электрического пробоя, то есть без повышения напряжения на коллекторном переходе до пробивного. Это явление, связанное с перегревом коллекторного перехода в какой-то его части, получило название вторичного пробоя. Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопровождается 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. 1.3 Режимы работы биполярного транзистора В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы его работы: активный (линейный или усилительный), инверсный, насыщения и отсечки. Активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Этот режим является основным режимом, так как при нем обеспечиваются максимальное значение коэффициента передачи тока эмиттера при минимальных искажениях усиливаемого сигнала, и транзистор работает как усилительный элемент. На выходной характеристике биполярного транзистора (рисунок 3, б) активному режиму соответствует линейная область. Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Исходя из реальной структуры несимметричного транзистора, этот режим работы приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока эмиттера по сравнению с работой транзистора в активном режиме, и поэтому на практике применяется крайне редко. Для симметричного транзистора (с одинаковыми площадями эмиттерного и коллекторного переходов) коллектор и эмиттер взаимозаменяемы. Инверсный режим работы такого транзистора используется в двунаправленных ключах. Режим насыщения (двойной инжекции) – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера (порядка единицы – десятки милливольт) этот режим используется для замыкания электрических цепей. На выходной характеристике биполярного транзистора (см. рисунок 3, б) режиму насыщения соответствует область, расположенная слева от линейной области. Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулюи его сопротивление имеет максимальное значение, то этот режим используется для размыкания электрических цепей. На выходной характеристике биполярного транзистора (см. рисунок 3, б) режиму отсечки соответствует область, расположенная ниже характеристики, соответствующей iвх = 0. Транзисторные ключи находят широкое применение в различных электронных устройствах: измерительных усилителях для коммутации сигналов, в силовых преобразователях частоты и др. Во всех этих применениях транзистор попеременно переводится из режима насыщения в режим отсечки и обратно.  Рисунок 3 – Обобщенные статические характеристики биполярного транзистора: a – входная; б – выходная; в – прямой передачи; г – обратной связи 1.4 Статические характеристики Биполярный транзистор при работе в электрических цепях рассматривают как активный четырехполюсник (рисунок 4), при этом образуются две цепи: входная и выходная. Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка. Для величин, относящихся к входной и выходной цепями, применяют соответственно индексы «вх» и «вых» или «1» и «2».  Рисунок 4 – Транзистор как активный четырехполюсник Зависимости между токами и напряжениями (вольтамперные характеристики) в транзисторах выражаются статическими характеристиками транзисторов, снятыми при постоянном токе и отсутствии нагрузки в выходной цепи. Характеристики необходимы для рассмотрения свойств транзисторов и для практических расчетов транзисторных схем. В транзисторах взаимно связаны всегда четыре величины: iвх, iвых, uвх, uвых – входные и выходные токи и напряжения. Для более точного определения свойств транзисторов необходимо несколько семейств статических характеристик: входныхiвх=f(uвх)|uвых=const, выходныхiвых=f(uвых)|iвх=const; прямой передачи iвых=f(iвх)|uвых=const; обратной связи uвх=f(uвых)|iвх=const . Обобщенный вид характеристик приведен на рисунке 3. Поскольку напряжения и токи транзисторов типов n-p-n и p-n-p имеют разные знаки (имеют противоположное друг другу направление), то иногда характеристики строят с учетом этого, то есть отрицательные значения напряжения и тока откладывают на осях влево и вниз. Но, как правило, удобнее отображать статические характеристики транзистора с осями вправо и вверх, причем полярность напряжений на транзисторе и направление токов в его цепях всегда определяются соответственно типу транзистора независимо от того, как изображены его характеристики. Для каждой из трех схем включения транзистора существует свое семейство характеристик. Пользуясь характеристиками, необходимо обращать внимание к какой схеме они относятся. Для однозначного установления зависимости между токами и напряжениями транзистора достаточно иметь два семейства характеристик (входных и выходных), остальные могут быть получены путем перестроения. Входные и выходные характеристики аналогичны характеристикам полупроводникового диода и имеют ярко выраженный нелинейный характер. Входные характеристики относятся к эмиттерному переходу, который работает в активном режиме при прямом напряжении. Поэтому входные характеристики аналогичны характеристике прямого тока диода. Выходные характеристики подобны характеристике обратного тока диода, так как они отражают свойства коллекторного перехода, работающего при обратном напряжении. Семейство входных характеристик (рисунок 3, а) выражает зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном значении выходного напряжения. Значение выходного напряжения может увеличиваться как вправо (uвых1 < uвых2 < uвых3), так и влево (uвых1 > uвых2 > uвых3) в зависимости от конкретного вида схемы включения транзистора. Часть характеристик (при uвых> 0) необязательно выходит из начала координат и может быть смещена по оси входного напряжения вниз. Наклон входной характеристики в любой рабочей точке определяет соответствующее значение входного сопротивления. Очевидно, что входные характеристики зависят от выходного напряжения. Анализ входных характеристик показывает, что при изменении выходного напряжения входное сопротивление меняется незначительно, но при изменениях входного напряжения изменяется в широких пределах. Типовые значения входного сопротивления для маломощных транзисторов в пределах от 500 до 2000 Ом. Семейство выходных характеристик определяет взаимосвязь между выходным током и выходным напряжением при постоянном входном токе. Наклон кривых определяет выходную проводимость транзистора. Типовое значение выходной проводимости 50·10-6 См. Первая характеристика (iвх = 0) соответствует сквозному выходному току. Остальные характеристики расположены в порядке возрастания входного тока, то есть iвх1 < iвх2 < iвх3. Ниже первой характеристики расположена область режима работы транзистора отсечки (заштрихованная область). Нелинейный участок в начале характеристик соответствует режиму насыщения, линейный участок – нормальному (активному) режиму работы транзистора (при этом выходной ток практически пропорционален входному). Характеристики могут быть смещены относительно оси выходного тока влево. Это также зависит от конкретной схемы включения транзистора. На рисунке 3, б также приводится кривая, обозначающая максимально допустимую рассеиваемую коллектором мощность. Для исключения режима теплового пробоя режим работы транзистора следует выбирать ниже этой кривой. На рисунке 3, б также приводится линия, при достижении соответствующего выходного напряжения происходит электрический пробой. Хотя для расчета схем с транзисторами достаточно иметь входные и выходные характеристики, иногда пользуются еще и характеристиками прямой передачи (или характеристиками управления). Эти характеристики выражают зависимость выходного тока от входного тока при постоянном выходном напряжении (то есть коэффициент передачи тока). Также иногда применяется зависимость выходного тока от входного напряжения. Как видно из рисунка 3, в эта зависимость близка к линейной. Изменение выходного напряжения мало влияет на выходной ток. Помимо рассмотренных характеристик существуют еще характеристики обратной связи, которые показывают изменение напряжения на входе транзистора под влиянием изменения выходного напряжения при постоянном входном токе. В транзисторах всегда присутствует внутренняя обратная связь. Это объясняется влиянием поперечного сопротивления базы, явлением модуляции толщины базы, а также тем, что выходная и входная цепи электрически соединены. Характеристики обратной связи не применяются для расчетов и в дальнейшем не рассматриваются. 1.5 Параметры биполярных транзисторов Статическими характеристиками транзисторов пользуются, как правило, для определения режимов работы транзисторных схем, а также для графического анализа этих схем в режиме большого сигнала. При аналитическом методе расчета применяют эквивалентные схемы транзисторов для переменного тока. Так как значения напряжений и токов переменных сигналов значительно меньше, чем постоянного, то такие эквивалентные схемы часто называют малосигнальными. Малосигнальные эквивалентные схемы транзистора, представляющие собой линейные цепи, подразделяют на две большие группы: – эквивалентные схемы, построенные с учетом физических свойств структуры и геометрии транзистора (модели транзистора); – эквивалентные схемы активного линейного четырехполюсника (формальные эквивалентные схемы). Первые характеризуются физическими параметрами транзистора (их еще называют собственными, или первичными, или внутренними), вторые – параметрами транзистора, как четырехполюсника (характеристическими или вторичными параметрами). Обе группы названных эквивалентных схем могут быть использованы при анализе транзисторных схем, работающих в активном режиме.  Рисунок 5 – Упрощенная Т-образная эквивалентная схема транзистора Эквивалентная схема для области низких частот, содержащая параметры транзистора, может быть представлена для любой схемы включения транзистора. На рисунке 5 представлена упрощенная Тобразная эквивалентная схема транзистора. Эта схема в известной мере отражает структурное сочетание составных элементов в транзисторе. Основными первичными параметрами являются сопротивления rэ, rк и rб, то есть сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току. Цепь базы транзистора представлена в эквивалентной схеме общим сопротивлением объема базы. Модуляция толщины базы отражается наличием в схеме коллекторного сопротивления. Эмиттерный переход отражен наличием соответствующего сопротивления. Все системы вторичных параметров основаны на том, что транзистор рассматривается как активный четырехполюсник. Вторичные параметры связывают входные и выходные переменные токи и напряжения и справедливы только для данного режима транзистора и для малых амплитуд. 2 Расчет германиевого сплавного транзистора типа p-n-p Данные к расчету Транзистор германиевый сплавной:
Диаметр кристалла германия равен 3 мм. Расчёт коэффициента передачи по току α Коэффициент передачи по току транзистора в схеме с общей базой определяется результирующим действием нескольких физических факторов и состоит из трех компонентов:  (6)2.1.1 Расчёт эффективности эмиттерного перехода – γ Расчёт эффективности эмиттерного перехода γ производим по следующей формуле:  , (7)где μnэ - подвижность электронов в эмиттере; μpэ - подвижность дырок в эмиттере; ρэ - удельное сопротивление эмиттера; ω1 - толщина базы; Lэ - диффузионная длина неосновных носителей заряда в эмиттере; μnб -подвижность электронов в базе; μpб - подвижность дырок в базе; ρб - удельное сопротивление базы. Предварительно определим необходимые подвижности носителей по соответствующим номограммам: μnэ = 500 см2/В×с; μpэ = 230 см2/В×с; μnб = 3800 см2/В×с; μpб = 1800см2/В×с 2.1.2 Расчёт коэффициента β Коэффициент передачи неосновных носителей заряда через базу транзистора определяется соотношением:  ; (8)где S - скорость поверхностной рекомбинации; Aэ - площадь эмиттера; As -эффективная площадь поверхностной рекомбинации;Dp - коэффициент диффузии дырок; Lб - длина диффузии неосновных носителей заряда в базе. Aэ, As, Lб рассчитываются по формулам:  ; (9) ; (10) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||