Файл: Кремниевые планарные транзисторы..pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.04.2024

Просмотров: 196

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

расширения токоведущих выводов и самого корпуса. Наконец, важным требованием является и простота изготовления пластмас­ сового корпуса, поскольку при пластмассовой герметизации необ­ ходимо залить все элементы транзисторной сборки и придать кор­ пусу вполне определенную конфигурацию. В связи с этим материал пластмассового корпуса должен допускать операции литья под

давлением, либо прессоваться и отвердевать без образования

пустот

и значительных усадок.

 

Вышеизложенные требования практически реализуют

при­

менением двух компонентов, один из которых достаточно пласти­ чен и обладает нужными электрическими свойствами, а другой —

механически прочен

и влагостоек.

В

качестве

пассивирующего

состава в настоящее

время

применяют

кремнийорганические сое­

динения,

например

силиконовый

каучук; в качестве

пластмассы

самого корпуса — составы

на основе

эпоксидных

смол.

На рис. 11.16 дан пример пластмассовой герметизации мало­

мощного

планарного

транзистора.

Заготовка на

выводной рамке

с присоединенными выводами (а) вначале покрывается

силиконовым

каучуком (б), а затем герметизируется эпоксидной смолой (е). Мощные транзисторы в пластмассовом корпусе обычно имеют

теплоотвод, не защищенный пластмассой (рис. 11.17). Гермети­ зация производится так же, как и в предыдущем случае, однако требования к пластмассе здесь жестче.

В заключение следует отметить, что простым смешением ком­ понентов трудно получить пластмассы с необходимыми свойствами, поэтому в настоящее время ведутся поиски составов, которые смогли бы отвечать всем требованиям, предъявляемым к транзисторам в специальных условиях.

Приложение

КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ В Ы С О К О Ч А С Т О Т Н Ы Х

ПЛ А Н А Р Н Ы Х ТРАНЗИСТОРОВ СРЕДНЕЙ

МО Щ Н О С Т И

В данном разделе мы рассмотрим методику конструктивного

расчета

для простого

случая транзисторов

средней мощности ( Р р а с

<

3 Вт), рассчи­

танных на работу в усилительных схемах с рабочими

 

частотами fT <

500

МГц.

При

разработке

таких

транзисторов

обычно

 

заданы

следующие

пара­

метры: Рк М акс» ' к

м а к с ^кб макс > ^кэ макс > ^эбѴакс > ff ^ко

(при

заданном

(/„б), (иногда

С а

0 для

с/Э б =

0)

и U K 9 B

(при

/ к н / / б

=

5—10

и

заданном

/ к н ) .

Конструктивный

расчет

можно

проводить

следующим

образом:

1. Прежде

всего

выбирается

удельное сопротивление

высокоомного

коллекторного слоя, исходя из данного значения

 

с/к бмакс-

Полагаем, что

пробивное напряжение

UKQ 0

должно быть, по крайней мере,

на 20%

больше

максимально

допустимого

напряжения

£/К б макс, т -

 

е. UKQ0=

 

1,2

с/к б макс-

Затем из

рис.

8.3

для

І/ П р

=

2,4 £/к б макс

находим

концентрацию

примесей

в высокоомном слое NK.

Полагаем с запасом, что с / п р

»= 2 С/Кб о по

следующей

причине. В гл. 8 показано, что для планарных транзисторов различные ме­

тоды повышения пробивного напряжения в местах закруглений коллектор­

ного р-п перехода на поверхности (метод охранного кольца,

расширенной

базовой металлизации и т. п.) обычно не дают возможности получить значение

напряжения

UKQ 0 свыше

половины

пробивного

напряжения

ступенчатого

плоского р-п

перехода, т.

е. £/к д 0 <

0,5 £ / п р п л .

Определив

концентрацию

примесей в высокоомном слое, находим удельное сопротивление этого слоя

при

Т =

300

К по формулам

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pn =

(q\inNdK)~1

Для п-р-п

 

транзисторов,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pp = (qHpNaK)~1

для р-п-р

 

транзисторов,

 

 

 

 

 

 

 

причем

с точностью порядка

10%

|An = H-n макс = 1300

см2

В

и

[ір =

р-р макс=*

= 450 с м 2 / с ,

 

как

видно

из

рис. 3.8,

а

и

б

при

 

обычно

используемых

на

практике

 

концентрациях

NdK,

ІѴа к < 5-101 5

с м - 3 .

 

 

Іп0

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

Толщину

высокоомного

коллекторного

слоя

полагаем

равной

ширине

коллекторного

р-п

перехода

S £ K

P . N

при

напряжении

| £ / к р _ п | =

= ^кбмакс

плюс

небольшой

запас Д/ = 5 м к м

на толщину

эмиттерного

 

слоя

хэ0

и

базового

слоя

WQQ, ибо

обычно

Хэо +

^бо

=

* к о ^ 5 мкм.

Величину

р-п

(^кб макс^ н а х ° Д и м

п 0

формуле

для

ступенчатого резкого

асимметрич­

ного

р-п

 

перехода:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р-п

(^кб м а к с ) ^ 2 ^

"«б

« а к с Л к -

 

 

 

 

 

( П Л )

 

Справедливость использования этой формулы для коллекторного

 

р-п

перехода

 

в

планарных

транзисторах

следует

из

того,

что обычно

 

35кр.пХ

X ( L / K 6 M

a

K C

) > 10

мкм,

La = W6oiln(Na(xao)INdK)ttO,2W6o

 

 

=

 

0,2

— 0,4

 

мкм

при

типичных

значениях

WQ0—^—

2 мкм,

£/к д м а

к с

 

20 В.

В

результате

ве­

личиной

Ьа

в точной

формуле (3.20)

можно

пренебречь

и

приходим

к

фор­

муле (П.1). Итак,

 

 

 

 

 

 

 

 

г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1по=Ѵ2ее0 £/к бмакс/<7Л^к -г-5 мкм

 

 

 

 

 

 

(П . 2)

где 8 = 1 2 ,

е 0

= 8 , 8 5 - 1 0 - 1 2 Ф / м =

8,85-10-1 4

Ф/см,

q=

1,6-10~1 8

К л .

 

 

 

319

3.

Максимально

допустимое

напряжение эмиттерного р-п

перехода

^эб маке

полагаем

равным

0,8

[ / 8 б в . Напряжения

£/э д „ = ] ,2

£/э д м а к с

можно достигнуть, подбирая

режимы диффузии базовой

примеси —

загонки

и разгонки с одновременным окислением так, чтобы поверхностное сопротив­

ление пассивной

базы было

равно Rsïl

=

100—300 Ом/квадрат.

При таких

значениях

Rs п ,

как

показывает практика,

величина напря­

жения

пробоя £/э б о изменяется

в пределах

£/Э б о =

5—7

В.

4.

Режимы

диффузии

эмиттерной

и

базовой

примеси подбираются

экспериментально таким образом, чтобы ширина технологической базы была

равна 1 Г б о ~ 1—2 мкм,

а

поперечное сопротивление

активной

базы Rs

а

=

=5—10 кОм/квадрат. В этом случае, как показано в

§3.2, концентрация

ак­

цепторов в базе на границе эмиттерного р-п

перехода

п-р-п транзистора ока­

зывается равной Na (хэ)

~

5* 1017 с м - 3 .

С

помощью

формулы

(8.37)

легко

проверить, что напряжение смыкания

/7к б 0

« 500—1000 В, т. е. превышает

заданное напряжение (/к б макс, которое обычно не превосходит

300—400

В .

При

толщинах

базы

We0 = 1 —• 2 мкм предельная

частота

транзистора

f'T

(без учета влияния емкостей эмиттерного и коллекторного р-п

перехода)

согласно

формуле

(5.40)

для типичных

значений

Dn (х"э) ж

7 с м 2 / с

(при

Na(x';)xb-

10" с м - 3 ) ,

L a = W6oi\nNa(xl)/NdK=0,15WQ0

=

0,l5

—

0,30

 

мкм

(при Na(xl)/NdKœ

Ю 3 и

^ 6 ^ 0 , 5 ^ 6 0 =

0 , 5 - 1

мкм) равна fT

=

Dn

 

(х"э)І2ШаХ

X W6 = 500—2000 МГц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно,

если

заданная частота

fT < 500 МГц,

то

при WQ0 =

= 1—2 мкм предельная

частота разрабатываемого транзистора будет опреде­

ляться главным образом граничной частотой эмиттерной цепи соѵ [(см. формулу

(5.14)] и

предельной частотой коллекторной цепи ш к [(см. формулу

(5.46)],

а не предельной частотой /г, учитывающей конечное время пролета

носите­

лей через

базу.

 

5. Выбираем топологию коллекторного р-п перехода. Обычно исполь­ зуется простейшая геометрия для коллектора •— квадрат со стороной h и зак­

руглениями в углах

с радиусом порядка 10—15 мкм,

чтобы избежать обра­

зования сферических

р-п переходов с пониженным

напряжением

пробоя

(см. § 8.1) на углах маски. Площадь коллекторного р-п

перехода о н

находим

исходя из данного значения емкости коллектора при заданном обратном сме­

щении

С к 0 . Поскольку

обычно заданное

смещение

( | с / к б | ^> 5—10

В, то для

ширины коллекторного р-п

 

перехода

5?к p_7 t (£/к д)

 

используем

 

формулу

(П.1). Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С к

=

S K „ „ ( U K 0 ) = V 2 s e 0 | t / K 6 | / Ä -

 

( П ' 3 )

 

Из формулы

(П.З),

полагая

с

запасом

СК

=

0,8СКО,

находим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^

—

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( П

А )

 

 

 

 

 

 

ееу - ^ г -

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку

SK

=

hxh,

то

из

(П.4)

определяем размер

 

 

коллектора

в

плане

 

 

 

 

 

 

і / 0 . 8 С к о [ Ф ] і

 

f

2S8Q 1 Цкб

j [В]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

V

 

 

еео

 

V

 

 

3

3

I

'

 

( П

'

5 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

«<7/Vс мd K [-cM

]-

 

 

 

где 8 =

12,

8 0 =

8,85-10~1 4

Ф/см.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.

Определяем критическую

плотность тока / м [см. (4.44)], при

которой

коллекторный

р-п переход оказывается

при

нулевом смещении, т. е.

 

транзис­

тор еще не вошел в режим насыщения, что привело бы к резкому уменьшению

320

коэффициента

ß C T (§ 4.2) и предельной

частоты

/ г

(§ 5.4). Величину

/ к

1

на­

ходим

 

по

формуле

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/кі ~

(^кэ мин — иэ

р.п)І9п

lno>

 

 

 

 

 

(П.6)

где рп

•— найденное выше

удельное сопротивление

высокоомного

коллектор­

ного слоя, а / п 0 — толщина этого слоя [равенство

(П.2)], напряжение Ua Р_п

ж

Ä 0,70

В . Напряжение і / К Э м и н находим

из

уравнения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^кэ мин — Рк макс/^к макс >

 

 

 

 

 

( П . 7)

где Рк

м

а к с

и Ік

макс — заданные

максимально

допустимая

мощность,

 

рас­

сеиваемая в коллекторном р-п переходе,

и

максимально допустимый

 

ток

коллектора

соответственно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

формуле

(П.6) не

учитывается

боковое

растекание

тока

в

коллек­

торном

высокоомном

слое,

поскольку

обычно

ширина

эмиттерных

полосок

/ э или радиус кругового эмиттера

Rä

больше толщины

слоя

Іпо.

Кроме

того,

обычно

с/цэ М акс < 5

В,

/ п 0

> 10 мкм,

так что

Есл

=

UK3

м и н / / п о

<

5 х

X 103

В/см и насыщение дрейфовой скорости носителей в высокоомном слое еще

не наступает

(рис. 4.8), так что справедлива

формула

(4.44), а не (4.46).

 

 

 

 

7. Теперь

определяем

 

минимальную

площадь

и

геометрию

эмиттера

с учетом эффекта вытеснения эмиттерного тока

(§ 4.1). Следует

заметить,

что в зарубежных работах*) обычно рассчитывают

не площадь

эмиттера

Sg,

а

периметр

эмиттера

£Р, исходя из эмпирического значения

0,16

мА/мкм

(160 мА/мм), найденного в лаборатории

В. Шокли в 1959

г., и заданного

тока

/кмаксЭтот

подход

был справедлив и оправдан для мощных

транзисторов

с

гребенчатым

эмиттером

 

с

довольно

 

широкими

эмиттерными

 

зубцами

( А

75

мкм), где существен эффект эмиттерного вытеснения, и для

определен­

ного

удельного

сопротивления

коллекторного

слоя. Дл я

высоковольтных

транзисторов

средней

мощности

(і/ к б о £. 150 В) с удельным

сопротивлением

коллекторного

слоя

рп ~ 10 Ом-см

экспериментальные

значения

токов

^кмакс

оказываются

всегда

меньше рассчитанных по

формуле

/ к м а к с 3

=

0,16 [мА/мкм]-^° [мкм].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор минимальной площади эмиттера зависит от геометрии

 

эмиттера.

Круговая

геометрия

применяется

только

в маломощных

транзисторах и

транзисторах средней мощности с Рк м а к с < 1 Вт, поскольку для нее ха­ рактерен очень сильно выраженный эффект вытеснения эмиттерного тока,

что

приводит к нерациональному использованию рабочей площади эмиттера.

 

 

 

Как легко

проверить

с помощью

формулы (4.38а), при

Rsa =

=

5

-

103 Ом/квадрат

и при

типичных

значениях

рп = 5—10

Ом-см,

Іп0

=

20—30 мкм, характерных

для приборов П307,

П308, КТ602,

КТ604,

КТ312, при радиусе эмиттера Rg = 75 мкм можно получить рабочие токи

^кмакс

< 50 мА, при которых Вст и / г еще не убывают заметно с ростом

тока / к

. Поэтому для транзисторов с токами / к м а к с > 5 0 мА предпочтительно

использовать более удачную полосковую геометрию (гребенчатую или многоэмиттерную).

 

Выбираем размеры

эмиттерной

полоски:

ширину

Іэ

(обычно

Ід

ж 20—

50 мкм) и длину Z a >

5/э

< h. Значения Іэ >

50 мкм нежелательно

исполь­

зовать ввиду

заметного

эффекта

вытеснения

эмиттерного

тока,

а

значения

Іэ <

10 мкм

обычно

характерны

для СВЧ транзисторов

с fT

>

300 МГц,

для

которых

необходимо

создавать

предельно малые

площади

эмиттерного

S a

и коллекторного

р-п

переходов

SK.

 

 

 

 

 

 

 

*) 1)

L'Onde Electrique, 1965,

v. 45, №

456, p.

283—295.

 

 

 

 

2)

См. т а к ж е

[156].

 

 

 

 

 

 

 

 

321

 

 

 

Затем определяем величину эмиттерного тока

 

/ 8

1 ,

приходящегося

на

одну

эмиттерную

полоску

с выбранными

 

размерами

/ э

и Zg,

из

трансцен­

дентного

уравнения

 

(4.23):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

 

/

^

-

^

-

=

sin

[ ] / 0 2 / э ' і ] Л - / э 1

0 2

/ / э і ] ,

 

 

 

( П . 8

 

где

/э і =

/ э 2 э

/ к і ,

G2

= / э

#sa/2Э

8<Pr ßc/г ~

 

1000/Э /2Э

А/см 2

 

при

ф г

= 0,026 В

 

(7 , ==300К), типичных значениях

ß C T

= 50,

Rsa=

ЮООО Ом/квадрат,

a

j K

1

находится

из

равенства

(П.6)

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Наконец,

находим

 

общее

количество

эмиттерных

 

полосок

исходя

из

 

заданного

значения

тока

/К мак<>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

# = / к и а к о / ' к і .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( П . 9 )

 

 

 

 

Оцениваем

 

полную

площадь

эмиттера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sa

=

/3 Z3 JV,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(П . 10)

а

затем

вычисляем

емкость

эмиттерного

р

-

п

перехода

по

формуле

 

 

 

 

 

где

ширину

эмиттерного

C 8 (0) = 8 s 0 S a

/ 5 V * ,

нулевом

смещении

( П - 1 1 )

р - п перехода

 

при

(^эб —

=

0) Sßbр.„(0)

можно

в первом

приближении

положить

равной

 

5 6 э

р _ п { 0 ) х

Ä 0 , 1

м к м = 1 0 ~ 5

с м .

ЭТО значение

величины

5 ? э

р п ( 0 )

следует

из

формулы

(3.16)

при

типичных

значениях Na

(хэа)

= (3 —10)-101 8 с м - 3

,

ф к

э

=

0 , 8 5 В ,

L a

 

= 0 , 1 5 i r 6 o

= 0,15 —0,30 мкм,

L

a

ж

(1/3— 1/4)

L

a .

Если

величина

С э

(0),

рассчитанная

по

формуле

С э ( 0 ) = ее о

/ э 2 э

Л ^ / 1 0 -

5 [Ф],

оказывается

больше

заданного

значения

 

C s 0 ( 0 ) , то надо взять

меньшую

ширину

 

эмиттера

/ э

при

той

же длине

Z 8

 

и

повторить

расчет

числа полос ./V [см. формулу (П.9)],

пока

не

 

окажется,

что С э

(0) < Сэо

(0).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С

 

 

8.

Заданное

напряжение

насыщения

 

І / К 9 Н

обычно равно 0,3—1,5 В .

другой

стороны,

 

условия

измерения

/кн/^бі =

5—10

соответствуют

сог­

ласно

формуле

(7.17) степеням

насыщения

ѵ =

 

/бі^ст/^кн ~

5—10

при ти­

пичных

значениях

 

Вст Ä 50.

Поэтому

из

формулы

(7.21)

при

 

типичных

толщинах

высокоомного

эпитаксиального

 

слоя

Іп0

 

=

10—40

мкм,

значе­

ниях

концентрации

 

доноров

в

этом

 

слое

NdK — 3 - Ю 1 4 —5 - 10 1 6

с м -

3 ( р п

=

=

15—1 Ом-см для п-р-п

транзисторов) и заданных токах

/ к н

=

10 мА полу­

чаем

(У к э н

«

1 В .

 

Таким

образом,

 

для

 

транзисторов

с

эпитаксиальным

высокоомным слоем на низкоомной подложке измеренное значение

£ / к э

а

обычно

меньше

заданного

значения

( / к э

н

=

0,3—1,5 В .

 

 

прямоугольных

 

 

 

9. Базовые контактные площадки выбираем в

виде

полосок

длины

 

Zg

 

на

 

расстоянии

Àd =

 

10—20 мкм

от

краев

 

эмиттеров

(рис. П.1). Число этих полосок, очевидно, равно

 

(/V +

 

1). Ширину

этих

полосок

/б находим

 

из условия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nla4-(N-^

 

 

l ) / 6

+

2(/V - f

1) M = h [мкм]—204- 30 мкм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10.

 

Широкие

базовую

и

эмит­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

терную контактные

 

площадки,

к ко­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

торым

 

присоединяются

базовый

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

эмиттер ный

 

выводы,

выносим

за

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пределы

 

пассивной

 

базы

 

на

окисел

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

над коллекторным слоем. Д л и н у их

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

полагаем

равной

 

h,

а

ширину —

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

200—300

мкм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. ПЛ. Элемент структуры пленар­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ного

многоэмиттерного

транзистора.

Смотрите также файлы