Разновидности биполярных транзисторов (БТ)
Разновидности
биполярных транзисторов (БТ)
Промышленность выпускает
большое число разновидностей БТ, отличающихся своими эксплуатационными
свойствами и параметрами. Поскольку реальные свойства ЗТ зависят от множества
эксплуатационных и конструктивных факторов, дать их полную и строгую
классификацию затруднительно. Поэтому сделаем лишь общий обзор основных
разновидностей БТ, при выделении которых учитывались только основные
структурные, технологические и эксплуатационные показатели.
По типу рабочего
материала выделяют группы германиевых, кремниевых и арсенидгаллиевых БТ. Основное
различие между приборами указанных групп - в допустимой рабочей температуре, что
связано с различиями исходных материалов в ширине запрещенной зоны. При этом
если германиевые транзисторы могут работать при Тр<70...90 °С, то для
кремниевых и арсенидгаллиевых транзисторов этот показатель достигает
соответственно 120... 150 и 200...250 °С. При эксплуатации в области нормальных
пабоч1х температур кремниевые и арсенидгалиевые транзисторы имеют при прочих
равных условиях большие значения Тр.
По механизму передачи
тока в структуре различают бездрейфовые и дрейфовые транзисторы. Свойства
бездрейфовых БТ подробно рассмотрены ранее.
Дрейфовое транзисторы -
это такие БТ, в базовых областях которых создано электрическое поле, ускоряющее
движение носителей от ЭП к КП. Действие ускоряющего поля в базе приводит к
уменьшению времени пролета носителей через базу tпр и к соответствующему
увеличению предельных частот fa и fb. Одновременно
о этим существенно улучшаются и усилительные свойства БТ, поскольку при меньшем
времени пролета большая часть инжектированных носителей успевает дойти до
коллектора без рекомбинации. По остальным показателям дрейфовые БТ аналогичны
ранее рассмотренным бездрейфовым приборам.
Ускоряющее поле в базе
дрейфовых транзисторов имеет диффузионную природу и создается в результате
неравномерного распределения примесей в их базовых областях. Структуры и методы
формирования дрейфовых БТ описаны далее. По электропроводности рабочих областей
различают транзисторы р - п -р и /2 -р - п -чипов. Различие в свойствах этих
транзисторов предопределяется тем, что рабочими носителями в п -р - п.
-структурах являются электроны, которые имеют более высокую подвижность по
сравнению с дырками. Поэтому транзисторы п - р- п. -типов всегда имеют лучшие
усилительные и частотные свойства.
Технологические
разновидности БТ. При производстве дискретных БТ чаще всего используются приемы
сплавной, диффузионной и эпитаксиальной технологии. Среди множества известных
конструктивно-технологических разновидностей БТ наиболее широко применяются
сплавные, диффузионно-сплавнне, пленарные, мезапланарные и
планапно-эпитаксиальные.
Сплавные транзисторы
изготовляют методом вплавления р-п переходов; В качестве исходного материала
для таких транзисторов обычно используют германий. Типичная отпуктуоа сплавного
транзистора и распределение в ней легирующих примесей показаны на рис.1,а,б.
При оценке свойств
сплавных БТ прежде всего необходимо учесть, что при их производстве
используются исходные полупроводниковые кристаллы (подложки) с равномерным
распределением примесей. Поскольку после вплавления эмиттера и коллектора они
образует базу транзистора, распределение примесей в базе сплавного транзистора
оказывается равномерным (см. линию NqБ на риc.1,б). Такие транзисторы -
классический пример БТ о бездрейфовым механизмом передачи тока от эмиттера к
коллектору.
Сплавные транзисторы
(см.рис.1,6) имеют резкие р-п. переходы, образованные сильнолегированными
областями эмиттера и коллектора. Такие переходы имеют небольшую ширину и
отличаются сравнительно невыcокими пробивными напряжениями. Вторая вытекающая
отсюда особенность - повышенные значения барьерной емкости коллектора. Благодаря
примерному равенству концентраций акцепторной примеси Nаэ Nак соответственно в
эмиттерной и коллекторной областях оба перехода сплавного транзистора имеют
примерно одинаковые инжекционные свойства. Поэтому по сравнению с другими
типами БТ эти транзисторы более приспособлены к работе в активном инверсном
режиме.
При вплавлении р - п переходов
очень трудно обеспечить однородность их фронтов. Так как расплавленная лигатура
в одних местах внедряется в кристалл глубже, а в других - на меньшую глубину, то
профиль р - п. Перехода реального сплавного транзистора отличается от идеальной
плоской формы. Получить в этом случае БТ с очень тонкой базой невозможно ввиду
опасности сплавления эмиттерной и коллекторной областей. По этой причине
сплавные транзисторы, особенно при больших площадях переходов, имеют базовые
области шириной порядка 10...15 мкм, что сравнимо с размером диффузионной длины
носителей в кристалле. Поэтому сплавные транзисторы, как правило, являются
низкочастотными. Другая причина ограничения диапазона рабочих частот сплавных
транзисторов - инерционность бездрейфового механизма передачи тока между
переходами и значительные емкости переходов.
Дифузионно-сплавные БТ
являются простейшим БТ с дрейфовым механизмом передачи тока. Их структуру
формируют в следующем порядке: сначала в исходной пластине полупроводника Р
-типа методом диффузии создают базовую IX -область глубиной 10... 15 мкм, а
далее в этой области методом обычной сплавной технологии фопмируют ЭП.
Как и раньше, в
диффузионно-сплавных транзисторах трудно создать тонкую базу. Основное их
преимущество - наличие ускоряющего поля в базовой области, что улучшает их
частотные свойства по сравнению со сплавными БТ. Это поле имеет диффузионную
природу и возникает благодаря неравномерности распределения примесей. Второе
преимущество диффузионно-сплавных транзисторов - высокая электрическая
прочность КП, что объясняется малой концентрацией примесей в коллекторе.
Планарные транзисторы являются
вторым примером дрейфовых БТ, при производстве которых используетcя
диффузионная технология. Отличительная особенность их структуры - наличие
выхода всех рабочих областей на одну и ту же сторону кристалла. технологические
этапы формирования планарного транзистора показаны на рис.2,а-д. В основе
технологии планарных БТ лежит локальная диффузия примесей через защитные маски
из пленок SiO2. Процесс завершается нанесением омических контактов. При этом
возможны два варианта их размещения.
В первом из них (рис.2,е)
омические контакты располагают с двух сторон подложки. Такие транзисторы обычно
отличаются низкими уровнями омических потерь (сопротивление 7^). Двухсторонняя
система контактов характерна для дискретных БТ.
Во втором варианте
планарного транзистора (рис.2,ж) все омические контакты формируются на верхней
поверхности кристалла. Такая структура характерна для БТ, используемых в составе
полупроводниковых интегральных схем, и отличается повышенным сопротивлением rкк
(до сотен Ом).
В планарном транзисторе
границы р-п переходов выходят на поверхность под слоем диэлектрика, который
служит защитой от внешних воздействий и обеспечивает практически полное
отсутствие токов утечки. В целом пленарная технология позволяет существенно
улучшить практически все параметры транзисторов, особенно их частотные
характеристики. Последнее можно объяснить тем, что благодаря применению
локальной диффузии примесей удается точно выдержать размеры и глубины залегания
рабочих областей транзистора. При этом получают БТ с толщиной базы в десятые
доли микрометра и имеющие рабочие частоты (РЧ) порядка 10...20 ГГц.
Мезапланарный транзистор
(рис.3,а) изготовляют по планарной технологии. Для уменьшения площади КП с
целью снижения его емкости вытравливают определенные участки кристалла, так что
активная часть транзистора имеет вид столообразной мезаструктуры, в которую
удаётся уменьшить емкость коллектора до долей пикофарады, что также
способствует существенному повышению РЧ транзистора.
Планарно-эпитаксиальные
БТ имеют структуру, схема которой показана на рис.3,б. Их основу образует
коллектор, состоящий из двух слоев - низкоомного п- и высокоомного п - типа.
Высокоомный слой необходим для получения широкого КП с малой емкостью и
достаточно большим допустимым коллекторным напряжением. Низкоомный п. -слой
позволяет снизить сопротивление области коллектора с целью уменьшения потерь
мощности на нем.
В процессе изготовления
БТ высокоомный п. -слой коллектора создают методом эпитаксиального наращивания
исходного п. -слоя. Поскольку эпитаксиальная технология допускает возможность
высокоточного контроля толщины и сопротивления-пленки, этим обеспечивается
существенное улучшение параметров транзистора. Эпитаксиально-планарные
транзисторы имеют малый разброс параметров от одного прибора к другому и хорошую
их стабильность во времени.
Мощные БТ. В зависимости
от допустимой рассеиваемой мощности Рдоп все БТ разделяют на три группы: малой
(Рдоп <0,3 Вт), средней (Рдоп»1.5…3.0 Вт) и большой (Рдоп>1.5...3.0 Вт) мощности. Особенностью
мощных БТ является то, что их конструкция должна допускать возможность работы
при больших уровнях рабочих токов и напряжений, а также обеспечивать
эффективный отвод теплоты в окружающую среду. Последнее возможно лишь при
небольшом значении теплового сопротивления БТ.
Для уменьшения теплового
сопротивления подложки мощные БТ монтируют на кристаллодержателях из материалов
о хорошей теплопроводностью. В большинстве случаев для этой цели используют
проводящие материалы, поэтому коллектор мощного БТ, обычно имеет гальваническое
соединение с корпусом. При необходимости мощные БТ должны снабжаться
дополнительными радиаторами. Поэтому конструкция их корпусов должна
предусматривать возможность такого варианта эксплуатации.
В диапазоне НЧ в качестве
мощных частот применяют германиевые сплавные транзисторы. Они имеют
значительные площади ЭП и КП, что необходимо для получения больших токов. При
производстве таких транзисторов необходимо предусмотреть меры, предупреждающие
нежелательные последствия эффекта вытеснения тока эмиттера. С этой целью
эмиттеру придают форму узких полосок или колец (рис,4).
Если при производстве
мощных БТ используют приемы планарно-диффузионной технологии, эмиттерной
области можно придать более сложную .конфигурацию, например в виде гребенки
(рис. 5). Возможно также использование многоэмиттерных структур, когда в единой
базовой области имеется до нескольких десятков или сотен эмиттерннх областей, объединяемых
в единое целое системой пленочной разводки (рис.6).
Высоковольтные транзисторы.
Для получения больших мощностей нужно также повышать рабочие напряжения на
переходах транзисторов. Эти напряжения, как известно, ограничиваются явлением
пробоя переходов. В реальных структурах пленарных транзисторов пробой
коллекторного р - п перехода имеет обычно лавинный характер и значение
пробойного напряжения находится в пределах нескольких десятков вольт. Пробой ЭП
соответствует туннельному механизму и происходит при напряжениях порядка единиц
вольт.
В БТ с идеально плоскими
переходами напряжение пробоя должно зависеть только от концентрации и характера
распределения примесей в р-п переходе. 3 реальных ПТ пробою способствует ряд
дополнительных факторов, главными из которых являются:
а) изгибы фронта р - п
перехода, в которых резко возрастает напряженность электрического поля;
б) рост концентрации примесей
с приближением к поверхности, что приводит к уменьшению ширины и соответственно
наппяжения пробоя р - п переходов;
в) образование паразитных
проводящих каналов в местах выхода переходов на поверхность, которые снижают их
электрическую прочность.
Устранение нежелательного
действия этих факторов позволяет повысить напряжение пробоя до нескольких сотен
или даже тысяч вольт. Это достигается в структурах высоковольтных транзисторов
о охранным кольцом и расширенным контактом базы (рис.7,а). При ее создании базовую
область создают в два приема. Сначала по контуру будущего КП проводят глубокую
диффузию охранного кольца и затем проводят диффузию в центральной области базы.
Использование такой двухступенчатой технологии позволяет уменьшить крутизну КП
в местах изгиба и уменьшить опасность возникновения в них лавинного пробоя.
Структура транзистора о
расширенным базовым контактом показана на рис.7,б. Введение расширенного
базового контакта позволяет понизить опасность пробоя коллектора в
приповерхноотной области. Базовый контакт в предпробойном режиме находится под
большим отрицательным потенциалом по отношению к коллекторной области (р - П
-структура). В связи о этим под базовым контактом создаетоя электрическое поле,
которое "оттесняет" электроны в глубь кристалла. В результате
увеличивается ширина КП и устраняется причина преждевременного пробоя в области
выхода его на поверхность кристалла.
ВЧ- и СВЧ-транзисторы. По
ширине диапазона рабочих частот БТ подразделяются на следующие группы: низкочастотные
- НЧ ( f<3 МГц), среднечастотные СЧ ( f< 30 МГц), высокочастотные ВЧ
(f< 300 МГц) и сверхнизкочастотные СЗЧ ( у > 300 МГц) .
ВЧ- и СВЧ-транзиоторы -
это транзисторы с дрейфовым механизмом передачи тока и имеющие обычно структуру
п - р- п -типа. Особо перспективным материалом для этих групп БТ является GаАs,
который отличается особо высокой подвижностью электронов. Поскольку ВЧ- и СВЧ
1-транзисторы должны иметь предельно тонкую базу, пои их эксплуатации нередко
возникает явление прокола базы.
Особую сложность
представляет производство мощных ВЧ- и СВЧ-транзисторов с большой допустимой
мощностью рассеяния, высокой граничной частотой fa малыми емкостями ЭП и КП, малыми постоянными времени
цепи CK и rБ. Мощные ВЧ- и СВЧ-транзисторы зачастую изготовляют методами
планажно-эпитаксиальной технологии, позволяющей формировать области транзистора
сложной формы с высокой точностью. При этом широко используются структуры с
гребенчатыми эмиттерами (см.рис.5) и многоэмиттерные БТ (см.рис.6) .
В конструкциях корпусов
мощных СВЧ-транзисторов предусматривают не только малое тепловое сопротивление,
эффективный теплоотвод, но и малые индуктивности выводов, а также малые емкости
между выводами и корпусом. 13 случае необходимости корпусу СВЧ-транзистора
придают форму, удобную для установки в волноводные тракты.
Мощности СВЧ-транзисторов
достигают единиц ватт на частотах в единицы гигагерц.
Транзисторы с повышенным
усилением. В простершем варианте усилительный элемент с повышенным усилением
может быть получен благодаря использованию составных транзисторов (рис.8). Они
могут собираться из элементов с однотипной (рис.8,а) либо взаимодополняющей
(комплементарной) структурой. Если b1 и b2, -
усиление тока в "одинарных" транзисторах, усиление составной пари bЕ » b1b2 и может достигать величин, превышающих
103...104 . Составные транзисторы могут иметь единое конструктивное оформление.
Очень высокое усиление (b ~ 104 ...105) получают с помощью так
называемых бета-транзисторов. Эти транзисторы имеют очень тонкую базу и
эмиттерную область, созданную методом ионной имплантации. Последнее
обеспечивает повышение эффективности ЭП к уровню g~1
Малошумящие БТ
предназначены для построения первых каскадов высокочувствительных усилительных
схем. Обычно это маломощные БТ, в паспорте которых нормируется коэффициент
шума. В лучших образцах малошумящих БТ коэффициент шума не превышает 3...6 дБ.
3.7.