Транзистор (от английского слова transter оf resistor — преобразователь сопротивления) представляет собой полностью управляемый полупроводниковый прибор, обладающий свойством усиления электрических сигналов. Широко применяются биполярные и полевые (униполярные) транзисторы (рисунок 2.16).
Транзистор, как и любой другой прибор, имеет свой режим работы, свои электрические параметры, характеристики, но в своей реферативной работе я бы хотел затронуть саму сущность, особенности технологий изготовления транзисторов.
Имеются различные технологические способы изготовления полупроводниковых транзисторных структур: сплавления, , сплавно-диффузионный, меза-сплавно-диффузионный, эпитаксиально-диффузионный, эпитаксиально-планарный, метод ионной имплантации и т. д.
Методы и технологии изготовления транзисторов.
Диффузионный метод изготовления транзисторов основан на том, что скорости диффузии донорной и акцепторной примесей в германий и кремний резко различны: в германий быстрее диффундируют атомы донорной примеси, а в кремний — акцепторные. Поэтому при одновременной диффузии донорной и акцепторной примесей (двойная диффузия) за одно и то же время атомы этих примесей проникнут в исходную пластинку полупроводника (которая в дальнейшем становятся коллектором) на разную глубину. Атомы примеси, которые проникнут на большую глубину, образуют область базы и коллекторный переход с полупроводником исходной пластинки. Атомы примеси, имеющие меньшую скорость диффузии, проникнут на меньшую глубину и образуют область эмиттера и эмиттерный переход. На рисунке 3.27, а показана исходная концентрации примеси в пластинке и распределение концентраций в результате диффузии, а на рисунке 3.27 б— результирующая концентрация примесей Nа—Nд. Из рисунка 3.27 следует, что для получения необходимого градиента концентрации примеси в базе исходная концентрация примеси в пластинке должна быть небольшой, т. е. исходная пластинка полупроводника должна быть высокоомной. При данной технологии оба перехода транзистора образуются в результате процесса диффузия (без сплавления), который хорошо контролируется. Поэтому можно получить транзистор с очень тонкой базой (1 мкм).
Поскольку в германии область базы образуется донорной примесью, исходная пластинка должна быть изготовлена из Р-германия и транзистор может иметь только структуру PNР. Кремниевые транзисторы, изготовленные методом двойной диффузии, могут быть только структуры NPN. Это является недостатком данного метода. К недостаткам рассмотренного метода изготовления транзистора можно также отнести сложность подключения выводов к очень тонким слоям базы и эмиттера, что ограничивает применение диффузионного метода в производстве дрейфовых транзисторов.
Процесс диффузии
... в разных направлениях. Особенности процессов диффузии в условиях сварки плавлением Диффузию сопровождает изменение концентрации. Ее осуществление становится возможным исключительно в сплавах или металлах, имеющих повышенное содержание примесей. Такая диффузия ... этого, осуществление диффузионных процессов становится возможным по таким схемам: между фазами газового и жидкого типа; в фазе жидкого ...
Последний недостаток, однако, устраняется при сплавно-диффузионной технологии, сущность которой состоит в следующем. На пластинке, например, Р — германия с небольшой концентрацией примеси, с помощью ультразвука делают большое число (несколько сот) прямоугольных углублений размером примерно 0,4х0,15×0,1 мм. пластинку с кусочком сурьмы помещают в колбу и из последней удаляют воздух. Колбу нагревают в печи до высокой температуры, при которой происходит напыление сурьмы из паровой фазы и ее диффузия в глубь пластинки. При этом на поверхности пластинки образуется диффузионный слой N-типа толщиной около 20 мкм. Затем травлением этот слой удаляют со всей поверхности пластинки кроме углублений. На противоположных краях каждого углубления помещают таблетки. Одну (эмиттерную), содержащую как донорную, так и акцепторную примеси, а другую (базовую) только с донорной примесью и свинцом. Пластинку с таблетками подвергают термообработке в печи. При этом таблетки расплавляются и происходит диффузия примесей в пластинку.
Донорная примесь из эмиттерной капли диффундирует быстрее, чем акцепторная, и вблизи границы первоначального N-слоя с Р-германием пластинки образует тонкий слой базы, электрически соединенный с N-слоем (рисунок 3.28).
Акцепторные примеси, проникшие на меньшую глубину, создают слой эмиттера. Из базовой капли диффундирует донорная примесь и образует электрический контакт с N-слоем и базой. Пластинка разрезается на элементы размером 1×1 мм, каждый из которых укрепляют на основании корпуса транзистора. Выводы базы и эмиттера припаивают к внешним выводам транзиcтора, а коллектор для лучшего теплоотвода обычно припаивают к основанию корпуса (рисунок 3.29).
Затем к основанию корпуса приваривают колпачок. Недостатком описанной технологии является сложность разделения пластинки на одинаковые по площади и контуру элементы, что приводит к значительному разбросу электрических параметров транзисторов.
Для устранения того недостатка была разработана меза-технология. Изготовление, например, германиевых дрейфовых транзисторов по меза-сплавнодиффузионной технологии производится следующим образом. В исходной пластинке Р-германия с небольшой концентрацией примеси, как и при рассмотренной выше сплавно-диффузионной технологии, создают слой с проводимостью N-типа. Этот слой оставляют только на одной стороне пластинки. Затем пластинку со стороны N-слоя покрывают светочувствительным лаком — фоторезистом. На пластинку накладывают фотошаблон с овальными отверстиями, через которые освещают фоторезист. Освещенные участки фоторезиста после проявления становятся нерастворимыми в травителе (негативный фоторезист).
При травлении участки пластинки, которые были под неосвещенным резистом, вытравливаются. В результате этого на пластинке образуются овальные выступы — столики (по испански mesa — стол).
Полевые транзисторы и их применение
... для последующего использования их при создании приборов твердотельной электроники и разработке технологии микроэлектроники. Полевой транзистор (field effect transistor - FET - англ.) - это полупроводниковый прибор ... О. Хейла № 439457. Прототип полевого транзистора с изолированным затвором. управляющий электрод (затвор); 2 - тонкий слой полупроводника(теллур, йод, окись меди, пятиокись ванадия; 3 ...
В этих выступах сплавно-диффузнонным методом получают слои базы и эмиттера. В этом случае разноразмерность элементов при разрезании пластинки не имеет значения, так как площадь и контур РN-переходов определяется сечением столиков (рисунок 3.30).
Метод создания рельефа на плоской поверхности полупроводника с применением фоторезистов и фотошаблонов называют фотолитографией. Этот метод стал одним из основных процессов наиболее совершенной технологии производства дрейфовых транзисторов — планарной. Рассмотрим основные этапы производства кремниевого дрейфового транзистора при планарной технологии (рисунок 3.31):
1. Пластинку из слабо легированного N-кремния (диаметром примерно 50 мм и толщиной 200 мкм) окисляют в атмосфере кислорода при температуре 1100°С. В результате на ее поверхности образуется слой двуокиси кремния SiО, толщиной 0,6… 0,8 мкм.
2. С помощью фотолитографии в окисном слое вытравливается большое число (несколько тысяч) круглых окон для создания баз транзисторов. На пластинку с нанесенным фоторезиcтом накладывают фотошаблон с круглыми отверстиями и освещают ее. В этом случае применяется позитивный фоторезист, который после освещения и проявления становится растворимым.
3. Через полученные окна в окисном слое производят диффузию бора, который является акцептором. При этом образуются базовые области с Р-типа. Поскольку диффузия происходит не только вглубь полупроводника, но и в стороны, базовая область оказывается расположенной и под краем окисной пленки. Диффузия бора происходит в атмосфере кислорода. Поэтому на поверхности пластинки одновременно образуется окисный слой.
4. Проводится вторая фотолитография, с помощью которой получают круглые окна меньшего диаметра для образования эмиттеров.
5. Проводится диффузия фосфора (донора), в результате которой образуются области эмиттера с электропроводностью М-типа. При этом также образуется окисный слой.
6. С помощью третьей фотолитографии над каждой структурой вытравливаются два окна: одно в виде кольца для подключения к базовой области, другое круглое с меньшим диаметром для подключения к эмиттеру,
7. Напыляется для получения невыпрямляющих контактов с базой и эмиттером.
8. В результате четвертой фотолитографии алюминий удаляется с поверхности пластинки, кроме окон, полученных в п. 6.
9. С обратной стороны пластинки сошлифовывается окисная пленка, и ее поверхность металлизируется для создания контакта с коллектором,
10. Пластинку разделяют на отдельные элементы, каждый из которых монтируют в корпусе. При данной технологии все три области структуры — база, эмиттер и коллектор — выходят на одну плоскость, лежащую под окисной пленкой. Отсюда и ее название — планарная, т. е. плоская. К преимуществам планарной технологии можно отнести:
1. Одновременность обработки больших групп структур (до 75 тыс. на пластинке диаметром 50 мм).
2. Универсальность. На одном и том же оборудовании, изменяя фотошаблоны и режимы, можно изготовлять различные по параметрам типы транзисторов,
3. В структурах, полученных с помощью планарной технологии, границы PN-переходов защищены от внешних влияний плотным окисным слоем. Это повышает стабильность параметров приборов и их надежность,
Организация коллективной работы учащихся в образовательной области ...
... о формах организации учебной работы; 3) апробировать коллективные формы работы организации учебного процесса на уроке технологии в основной школе. Предметом курсовой работы является коллективные методы обучения на уроках технологии. Объектом исследования является учебный процесс при коллективной форме обучения на уроках технологии в ...
Благодаря преимуществам планарная технология является основной при изготовлении как дрейфовых транзисторов, так и других полупроводниковых приборов.
Как отмечалось выше, для получения необходимого градиента концентрации примеси в базе дрейфового транзистора исходная (коллекторная) пластинка полупроводника должна иметь малую концентрацию примеси (рисунок 3.27).
Кроме того, при малой концентрации примеси в коллекторе коллекторный переход получается достаточно широким, в результате чего уменьшается емкость коллекторного перехода и повышается его пробивное напряжение. Таким образом, большое удельное сопротивление слоя коллектора — необходимое условие получения транзистора с высокими частотными свойствами. Поэтому дрейфовые транзисторы, изготовленные по всем рассмотренным выше технологиям, имеют сравнительно толстую область коллектора с большим удельным сопротивлением. Это затрудняет их использование в переключательных схемах (происходит относительно большое падение напряжения Uэк на транзисторе в режиме замкнутого ключа).
Указанный недостаток устраняется в транзисторах, изготовленных по эпитаксиально-планарной технологии, сущность которой состоит в следующем. В качестве исходной берут пластинку N-кремния, но не с малой, а с большой концентрацией примеси, т. е. низкоомную. На этой пластинке наращивают тонкий (20…25 мкм) высокоомный эпитаксиальный слой N-кремния, структура которого полностью соответствует структуре пластинки (подложки).
В полученном высокоомном слое с помощью планарной технологии создают NPN-структуру (рисунок 3.32).
Таким образом получают транзистор с хорошими частотными свойствами, но с сопротивлением в режиме замкнутого ключа в несколько раз меньше, чем у обычных планарных транзисторов.
Метод ионной имплантации связан с воздействием на поверхность кремниевой пластины ионов примеси, разогнанных в до энергий в несколько килоэлектрон-вольт. Это наиболее контролируемый и точный способ внедрения примеси.
Полупроводниковая структура (рис. 2.34, a), полученная диффузионно-сплавным способом, включает в себя низкоомный высоколегированный р»-кремний (диффузия, эпитаксия), области p — и n-типов (диффузия) с вплавленным электродом базы и область p-типа (сплавление) на границе с металлом вывода эмиттера. Выемка меза-структуры выполнена для ограничения активной области структуры для снижения собственной емкости.
Планарная технология (от английского слова planar — плоский)— высокопроизводительный метод группового изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем с предварительным нанесением «маски» на кремний. Технология включает в себя следующие основные операции: нанесениетонкой диэлектрической пленки на поверхность кремния, удаление способом фотолитографии или электронно-фотолитографическим способом определенного участка этой пленки, введение в кристалл через образовавшиеся «окна» донорных или акцепторных примесей, металлизация области вывода электродов. Пленка наносится на исходную кремниевую подложку, чтобы предотвратить проникновение примеси в определенные области структуры. Наиболее удобна «маска» изслоя SiО2. Для этого кремниевая пластина помещается в печь и нагревается в атмосфере кислорода. Образуется пленка SiО, толщиной около 1 мкм.
Полупроводниковый транзистор свойства и
... полупроводников, виды полупроводниковых приборов, устройство транзистора, его назначение ... – работу тока. Для измерения напряжения используется вольтметр. Сила ... область - коллектором. Выделяют 2 основных режима работы транзистора: режим усилителя ... полупроводниковый прибор, работающий на основе зависимости сопротивления от различных параметров, ... газообразной фазы. Роль примесей также могут играть ...
Планарная полупроводниковая структура (рис. 2.34, б) получена диффузией алюминия в исходный кремний п-типа. Эмиттерный переход и п»-слой сформированы диффузией фосфора в исходный кремний п-типа со стороны вывода коллектора и в диффузионный р-слой через центральное «окно» в пленкe SiО2. Металлизация выполнена напылением алюминия. Подобная технология обеспечивает получение высокоомного коллектора, что по мере увеличения напряжения на коллекторе приводит к расширению объемного заряда в основном в сторону коллектора. Благодаря этому эффект модуляции базы выражен незначительно. Высокоомный слой в ключевом режиме транзистора вызывает значительное падение напряжения на коллекторе. Такая структура используется в высоковольтных транзисторах. В этом случае применяется кремниевая структура в форме диска (как в диодах), выполняется фаска. Для снижения толщины высокоомного слоя коллектора в низковольтных транзисторах применяется эпитаксиальное наращивание тонкого п-слоя на исходной пластине низкоомного п»-кремния.
Для уменьшения явления вытеснения эмиттерного тока в небольшой участок около базового вывода применяют специальную разветвленную сеть базовых и эмиттерных электродов мощных транзисторов. Применяется гребенчатая, эвольвентная и многоэмиттерная конструкция эмиттерных переходов. IПолупроводниковые структуры полевых транзисторов изготавливаются методом планарной технологии. Полупроводниковая структура транзистора обычно помещается в герметический корпус из металла (рис. 2.35, a), пластмассы или керамики. Транзисторы малой мощности могут изготавливаться в бескорпусном исполнении (рис. 2.35, б).
В транзисторе с металлическим корпусом полупроводниковая структура Г закрепляется на коваровом 2, электроды эмиттера и базы (истока и затвора) 3 выводятся из корпуса через стеклянные изоляторы 4. Герметический корпус 5 приваривается к фланцу швом холодной сварки б. Размеры транзистора такой конструкции могут иметь значения: Н = 2,5+12 мм и D = 3,7+30 мм. Мощные транзисторы на токи до сотен ампер имеют конструкцию, аналогичную силовым диодам, имеющую дополнительный третий вывод. На рис. 2.35, б показан один из видов бескорпусного транзистора, используемого в гибридных микросхемах с гибкими выводами. К полупроводниковому кристаллу I методом термокомпрессии припаивают к контактным площадкам гибкие выводы 2 из золотой проволоки диаметром 30—50 мкм. Выводы дополнительно механически закрепляют с помощью защитного компаунда 3.
Вывод
Список использованной литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/proizvodstvo-tranzistorov/
, , «Электронные приборы и усилители» (4-е издание, 2007) «Электронная техника и преобразователи» (1999) «Электроника. Курс лекций», Санкт-Петербург «КОРОНА принт», (1998)
