Как делают транзисторы

1 Введение

В начале 1948 г. американские физики У. Шокли, Дж. Бардин и У. Браттейн предложили, а затем получили прибор, способный усиливать электрические сигналы. Они назвали это устройство транзистором (от английских слов ”transfer” – преобразователь и “resistor” – сопротивление).
Транзистор – это электронный прибор с двумя p-n переходами из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.
В настоящее время широкое распространение получили два вида транзисторов: диффузионные и дрейфовые транзисторы. Это разделение произведено по механизму переноса носителей в базе. В данном курсовом проекте рассматривается диффузионный транзистор.
Диффузионные транзисторы широкое применение получили в аналоговой технике. Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, диффузионные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.
Первые диффузионные транзисторы были плоскостными. Для изготовления плоскостных транзисторов в 1950 г. существенно усовершенствовались методы выращивания монокристаллов германия и кремния. Всё это позволило в 1952 г. создать первые образцы плоскостных германиевых транзисторов. В 1952 г. были созданы сплавные транзисторы, получившие в дальнейшем широкое распространение. В настоящее время получение p-n переходов сплавным методом все меньше и меньше является актуальным.

2 Полупроводниковые материалы

К полупроводниковым материалам, применяемым для изготовления транзисторов, предъявляются следующие требования:

Большая ширина запрещённой зоны. При этом в диапазоне рабочих температур собственная проводимость кристалла незначительна, обратные токи переходов малы.
Малая энергия ионизации примесей. В этом случае все примесные атомы ионизируются при низких температурах, проводимость материала в рабочем диапазоне температур постоянна и определяется только концентрацией примесей.
Большая подвижность носителей. При этом увеличивается скорость переноса носителей в базовой области и улучшаются частотные свойства транзистора.
Относительная простота методов очистки от примесей и легирования, т.е. добавления примесей для получения нужного удельного сопротивления и типа проводимости.
Большое время жизни неравновесных носителей, т.е. малая скорость поверхностной и объёмной рекомбинаций, что необходимо для увеличению коэффициента усиления.
Возможность очистки поверхности полупроводника травлением для уменьшения поверхностной рекомбинации, предотвращения поверхностных утечек p-n переходов и поверхностного пробоя.

Всем этим требованиям в достаточной степени удовлетворяют только два элементарных полупроводника, широко применяемых для изготовления транзисторов – германий и кремний.
Германий по внешнему виду похож на металл. Он не встречается в природе в свободном состоянии. Это редкий элемент. Его получают из побочных продуктов, образующихся при выплавлении цинка, или золы каменного угля, которая содержит до 1% германия. Исходные продукты для получения германия сначала подвергаются химической обработке. При этом получают порошкообразный германий, после расплавления и медленного затвердевания которого образуются слитки поликристаллического германия. Эти слитки подвергают очистки от примесей металлургическими методами (физические методы очистки) и выращивают монокристаллы германия нужного типа проводимости и удельного сопротивления.

Германий является наиболее подходящим по технологическим свойствам материалом для транзисторов, так как обладает хорошими электрическими характеристиками, легка сплавляется и подвергается химической обработки.
Кремний является вторым после кислорода элементом по распространению в природе. Изготавливается из кварцевого песка. Химическими методами получают поликристалличес-
кий кремний, который затем подвергают металлургической очистки. Очистка кремния очень сложна из-за высокой температуры плавления (1450 ?С) и высокой химической активности этого элемента при температуре плавления. Требования к степени очистки кремния являются более высокими, так как удельное сопротивление чистого кремния выше, чем у германия, а концентрация посторонних примесей должна быть меньше концентрации носителей чистого полупроводника.
Последние годы успешно разрабатываются и внедряются ИМС на основе арсенида галлия. Данный полупроводниковый материал способен обеспечивать работу ИМС при более высоких температурах, чем кремний, а также позволяет изготовлять элементы ИМС с высоким быстродействием, малыми шумами и другими полезными свойствами.
Германий по сравнению с кремнием имеет меньшую ширину запрещённой зоны и более высокую подвижность носителей. Поэтому германиевые транзисторы обладают лучшими частотными свойствами, но меньшими температурными пределами (80-100?С). кроме того, германий легче обрабатывается и легче очищается от примесей.

3 Технологии изготовления транзисторов

В настоящее время в полупроводниковой электронике применяются плоскостные, точечные и поверхностно-барьерные переходы.
Плоскостной переход образуется в объёме кристалла на границе полупроводников с разной электропроводностью. Наиболее широко применяется плоскостной электронно-дырочный переход, который образуется между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет проводимость p-типа, а друга n-типа. Встречаются электронно-электронный переход (n+-n переход) и дырочно-дырочный (p+-p переход).
Точечный переход образуется между полупроводниковым кристаллом и сформированным или прижимным контактом металлической иглы. Первые транзисторы представляли собой приборы с точечными переходами. В настоящее время такие приборы применяются только в приборах сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, где для уменьшения ёмкости перехода стремятся сократить его площадь. Наиболее существенными недостатками точечных переходов являются их ненадёжность (из-за низкой механической прочности) и плохая воспроизводимость параметров.
Поверхностно-барьерный переход возникает между полупроводником и инверсным слоем, образуемым на поверхности кристалла соответствующей технологической обработкой.
Существует несколько методов изготовления переходов

3.3 Электрохимический способ

Электрохимический способ изготовления р-п переходов был разработан в связи с необходимостью уменьшения размеров сплавных переходов. Суть этого способа заключается в следующем. На поверхности полупроводниковой пластины электрохимическим путем вытравливают углубление (лунку) небольших размеров, определяющих площадь перехода. Затем электролитическим осаждением соответствующего металла в углублении создают эмиттер или коллектор. Исходная же пластина образует базовую область. Таким путем изготовляют поверхностно-барьерный переход, представляющий собой контакт металл — полупроводник.
Разновидностью этой технологии является изготовление микросплавных p-n переходов, у которых примеси n- или р-типа осаждают в вытравленных углублениях и затем вплавляют в исходную полупроводниковую пластинку. По своей конструкции такой переход аналогичен сплавному, отличаясь от последнего меньшими размерами, что способствует уменьшению емкости перехода и соответственно улучшению его высокочастотных свойств.

3.4 Диффузионный метод

Диффузионный метод является наиболее эффективным и современным способом изготовления р-n переходов. В этом случае р-n переход получают путем диффузии примесей в исходную полупроводниковую пластину. Диффузия примесей может происходить как из внутренних областей кристалла, так и через поверхность из внешних источников. В первом случае диффузия примесей происходит из жидкой фазы (или, как иначе говорят, диффузия из расплава), а во втором — из газовой фазы.
В настоящее время широкое распространение получили приборы, изготовленные диффузией из газовой фазы через окисную маску, под которой образуется переход. При этом полупроводниковые пластинки с защитным окисным слоем подвергаются фотолитографической обработке в следующей последовательности: наносится слой фоторезиста, защищающего окисел от травления; производятся его сушка, а затем засвечивание через фотошаблон с рисунком заданной конфигурации и проявление для удаления незасвеченных участков окисного слоя, через которые путем вытравливания вскрываются «окна». После фотолитографии через «окна» в слое окисла» производят диффузию примесей и получают р-n переход. Таким путем изготавливают одновременно на одной пластине несколько десятков и даже сотни р-n переходов.

4 Анализ исходных данных, выбор материала

По техническому заданию (ТЗ) требуется рассчитать диффузионный транзистор с резким p-n переходом. На основании ГОСТ 15133-77 (СТ СЭВ 2767-80), диффузионный транзистор – биполярный транзистор, в котором перенос неосновных носителей заряда через базовую область осуществляется в основном посредством диффузии. Так как по ТЗ эмиттерный и коллекторный p-n переход должен быть резким, то будет произведен расчет БТ с эмиттерным и коллекторным p-n переходом, полученные методом сплавления. При изготовлении сплавных транзисторов наиболее распространение получил германий . Материал для навески был выбран индий (In). Индий получил наибольшее распространение для вплавления в германий, так как имеет низкую температуру плавления (1560С) и удовлетворительную растворимость. Работа при низких температурах исключает возможность конверсии германия. Но индий обладает недостатком – малым коэффициентом разделения. Поэтому если необходимо получения высокого коэффициента инжекции, то индий неприемлем.
Для выбора марки германия нужно рассчитать удельное сопротивление. Расчет приведен в разделе 5. По результатам расчета выбран германий электронный легированный фосфором, удельное сопротивление , ГЭФ(0,32/0.78•10-3см).

5 Расчет параметров БТ

Для расчета геометрического размера рассчитаем площадь эмиттерного p – n перехода:

где: jдоп – допустимая плотность тока, для германия jдоп=102А/см2.
При изготовлении сплавных транзисторов SЭ = 0,7SК , значит:
SК = 0,0075/0,7=0,01мм2
Диаметр p – n переходов находим из формулы:
,
где: S – площадь p-n перехода
d — диаметр p – n перехода
Для расчета параметров транзистора необходимо знать концентрацию примеси, подвижность носителей. Для нахождения концентрации примеси в базе воспользуемся формулой напряжения пробоя, которое берется Uобр.доп=0,5Uпр.
,
где: ?E – ширина запрещенной зоны германия (?E=0.67эВ);
NБ – концентрация примеси в базе.
После некоторых преобразований и вычислений получаем:
NБ = 6.37 *1015 1/см3.
Концентрации примеси в эмиттере и коллекторе равняются предельной растворимости примесного вещества в кристалле. Так как примесью является индий то:
NЭ = NК = 4*1018 1/см3 .
Концентрации неосновных носителей рассчитаем исходя из закона действующих масс:
np = ni2,
где ni – собственная концентрация носителей.
Подвижность носителей находится по эмпирической формуле, связывающая подвижность с концентрацией.
,
где N+ — концентрация рассеивающих центров.