Разновидностибиполярных транзисторов (БТ)
Промышленность выпускаетбольшое число разновидностей БТ, отличающихся своими эксплуатационнымисвойствами и параметрами. Поскольку реальные свойства ЗТ зависят от множестваэксплуатационных и конструктивных факторов, дать их полную и строгуюклассификацию затруднительно. Поэтому сделаем лишь общий обзор основныхразновидностей БТ, при выделении которых учитывались только основныеструктурные, технологические и эксплуатационные показатели.
По типу рабочегоматериала выделяют группы германиевых, кремниевых и арсенидгаллиевых БТ. Основноеразличие между приборами указанных групп — в допустимой рабочей температуре, чтосвязано с различиями исходных материалов в ширине запрещенной зоны. При этомесли германиевые транзисторы могут работать при Тр
По механизму передачитока в структуре различают бездрейфовые и дрейфовые транзисторы. Свойствабездрейфовых БТ подробно рассмотрены ранее.
Дрейфовое транзисторы — это такие БТ, в базовых областях которых создано электрическое поле, ускоряющеедвижение носителей от ЭП к КП. Действие ускоряющего поля в базе приводит куменьшению времени пролета носителей через базу tпр и к соответствующемуувеличению предельных частот fa и fb. Одновременноо этим существенно улучшаются и усилительные свойства БТ, поскольку при меньшемвремени пролета большая часть инжектированных носителей успевает дойти доколлектора без рекомбинации. По остальным показателям дрейфовые БТ аналогичныранее рассмотренным бездрейфовым приборам.
Ускоряющее поле в базедрейфовых транзисторов имеет диффузионную природу и создается в результатенеравномерного распределения примесей в их базовых областях. Структуры и методыформирования дрейфовых БТ описаны далее. По электропроводности рабочих областейразличают транзисторы р — п -р и /2 -р — п -чипов. Различие в свойствах этихтранзисторов предопределяется тем, что рабочими носителями в п -р — п.-структурах являются электроны, которые имеют более высокую подвижность посравнению с дырками. Поэтому транзисторы п — р- п. -типов всегда имеют лучшиеусилительные и частотные свойства.
Технологическиеразновидности БТ. При производстве дискретных БТ чаще всего используются приемысплавной, диффузионной и эпитаксиальной технологии. Среди множества известныхконструктивно-технологических разновидностей БТ наиболее широко применяютсясплавные, диффузионно-сплавнне, пленарные, мезапланарные ипланапно-эпитаксиальные.
Сплавные транзисторыизготовляют методом вплавления р-п переходов; В качестве исходного материаладля таких транзисторов обычно используют германий. Типичная отпуктуоа сплавноготранзистора и распределение в ней легирующих примесей показаны на рис.1, а, б.
/>
При оценке свойствсплавных БТ прежде всего необходимо учесть, что при их производствеиспользуются исходные полупроводниковые кристаллы (подложки) с равномернымраспределением примесей. Поскольку после вплавления эмиттера и коллектора ониобразует базу транзистора, распределение примесей в базе сплавного транзистораоказывается равномерным (см. линию NqБ на риc.1, б). Такие транзисторы — классический пример БТ о бездрейфовым механизмом передачи тока от эмиттера кколлектору.
Сплавные транзисторы(см.рис.1,6) имеют резкие р-п. переходы, образованные сильнолегированнымиобластями эмиттера и коллектора. Такие переходы имеют небольшую ширину иотличаются сравнительно невыcокими пробивными напряжениями. Вторая вытекающаяотсюда особенность — повышенные значения барьерной емкости коллектора. Благодаряпримерному равенству концентраций акцепторной примеси Nаэ Nак соответственно вэмиттерной и коллекторной областях оба перехода сплавного транзистора имеютпримерно одинаковые инжекционные свойства. Поэтому по сравнению с другимитипами БТ эти транзисторы более приспособлены к работе в активном инверсномрежиме.
При вплавлении р — п переходовочень трудно обеспечить однородность их фронтов. Так как расплавленная лигатурав одних местах внедряется в кристалл глубже, а в других — на меньшую глубину, топрофиль р — п. Перехода реального сплавного транзистора отличается от идеальнойплоской формы. Получить в этом случае БТ с очень тонкой базой невозможно ввидуопасности сплавления эмиттерной и коллекторной областей. По этой причинесплавные транзисторы, особенно при больших площадях переходов, имеют базовыеобласти шириной порядка 10...15 мкм, что сравнимо с размером диффузионной длиныносителей в кристалле. Поэтому сплавные транзисторы, как правило, являютсянизкочастотными. Другая причина ограничения диапазона рабочих частот сплавныхтранзисторов — инерционность бездрейфового механизма передачи тока междупереходами и значительные емкости переходов.
Дифузионно-сплавные БТявляются простейшим БТ с дрейфовым механизмом передачи тока. Их структуруформируют в следующем порядке: сначала в исходной пластине полупроводника Р-типа методом диффузии создают базовую IX -область глубиной 10… 15 мкм, адалее в этой области методом обычной сплавной технологии фопмируют ЭП.
Как и раньше, вдиффузионно-сплавных транзисторах трудно создать тонкую базу. Основное ихпреимущество — наличие ускоряющего поля в базовой области, что улучшает ихчастотные свойства по сравнению со сплавными БТ. Это поле имеет диффузионнуюприроду и возникает благодаря неравномерности распределения примесей. Второепреимущество диффузионно-сплавных транзисторов — высокая электрическаяпрочность КП, что объясняется малой концентрацией примесей в коллекторе.
Планарные транзисторы являютсявторым примером дрейфовых БТ, при производстве которых используетcядиффузионная технология. Отличительная особенность их структуры — наличиевыхода всех рабочих областей на одну и ту же сторону кристалла. технологическиеэтапы формирования планарного транзистора показаны на рис.2, а-д. В основетехнологии планарных БТ лежит локальная диффузия примесей через защитные маскииз пленок SiO2. Процесс завершается нанесением омических контактов. При этомвозможны два варианта их размещения.
/>/>/>/>
В первом из них (рис.2, е)омические контакты располагают с двух сторон подложки. Такие транзисторы обычноотличаются низкими уровнями омических потерь (сопротивление 7^). Двухсторонняясистема контактов характерна для дискретных БТ.
Во втором вариантепланарного транзистора (рис.2, ж) все омические контакты формируются на верхнейповерхности кристалла. Такая структура характерна для БТ, используемых в составеполупроводниковых интегральных схем, и отличается повышенным сопротивлением rкк(до сотен Ом).
В планарном транзистореграницы р-п переходов выходят на поверхность под слоем диэлектрика, которыйслужит защитой от внешних воздействий и обеспечивает практически полноеотсутствие токов утечки. В целом пленарная технология позволяет существенноулучшить практически все параметры транзисторов, особенно их частотныехарактеристики. Последнее можно объяснить тем, что благодаря применениюлокальной диффузии примесей удается точно выдержать размеры и глубины залеганиярабочих областей транзистора. При этом получают БТ с толщиной базы в десятыедоли микрометра и имеющие рабочие частоты (РЧ) порядка 10...20 ГГц.
Мезапланарный транзистор(рис.3, а) изготовляют по планарной технологии. Для уменьшения площади КП сцелью снижения его емкости вытравливают определенные участки кристалла, так чтоактивная часть транзистора имеет вид столообразной мезаструктуры, в которуюудаётся уменьшить емкость коллектора до долей пикофарады, что такжеспособствует существенному повышению РЧ транзистора.
/>/>
Планарно-эпитаксиальныеБТ имеют структуру, схема которой показана на рис.3, б. Их основу образуетколлектор, состоящий из двух слоев — низкоомного п- и высокоомного п — типа.Высокоомный слой необходим для получения широкого КП с малой емкостью идостаточно большим допустимым коллекторным напряжением. Низкоомный п. -слойпозволяет снизить сопротивление области коллектора с целью уменьшения потерьмощности на нем.
В процессе изготовленияБТ высокоомный п. -слой коллектора создают методом эпитаксиального наращиванияисходного п. -слоя. Поскольку эпитаксиальная технология допускает возможностьвысокоточного контроля толщины и сопротивления-пленки, этим обеспечиваетсясущественное улучшение параметров транзистора. Эпитаксиально-планарныетранзисторы имеют малый разброс параметров от одного прибора к другому и хорошуюих стабильность во времени.
Мощные БТ. В зависимостиот допустимой рассеиваемой мощности Рдоп все БТ разделяют на три группы: малой(Рдоп 1.5...3.0 Вт) мощности. Особенностьюмощных БТ является то, что их конструкция должна допускать возможность работыпри больших уровнях рабочих токов и напряжений, а также обеспечиватьэффективный отвод теплоты в окружающую среду. Последнее возможно лишь принебольшом значении теплового сопротивления БТ.
Для уменьшения тепловогосопротивления подложки мощные БТ монтируют на кристаллодержателях из материалово хорошей теплопроводностью. В большинстве случаев для этой цели используютпроводящие материалы, поэтому коллектор мощного БТ, обычно имеет гальваническоесоединение с корпусом. При необходимости мощные БТ должны снабжатьсядополнительными радиаторами. Поэтому конструкция их корпусов должнапредусматривать возможность такого варианта эксплуатации.
В диапазоне НЧ в качествемощных частот применяют германиевые сплавные транзисторы. Они имеютзначительные площади ЭП и КП, что необходимо для получения больших токов. Припроизводстве таких транзисторов необходимо предусмотреть меры, предупреждающиенежелательные последствия эффекта вытеснения тока эмиттера. С этой цельюэмиттеру придают форму узких полосок или колец (рис,4).
/>/>
Если при производствемощных БТ используют приемы планарно-диффузионной технологии, эмиттернойобласти можно придать более сложную.конфигурацию, например в виде гребенки(рис. 5). Возможно также использование многоэмиттерных структур, когда в единойбазовой области имеется до нескольких десятков или сотен эмиттерннх областей, объединяемыхв единое целое системой пленочной разводки (рис.6).
/>
Высоковольтные транзисторы.Для получения больших мощностей нужно также повышать рабочие напряжения напереходах транзисторов. Эти напряжения, как известно, ограничиваются явлениемпробоя переходов. В реальных структурах пленарных транзисторов пробойколлекторного р — п перехода имеет обычно лавинный характер и значениепробойного напряжения находится в пределах нескольких десятков вольт. Пробой ЭПсоответствует туннельному механизму и происходит при напряжениях порядка единицвольт.
В БТ с идеально плоскимипереходами напряжение пробоя должно зависеть только от концентрации и характерараспределения примесей в р-п переходе. 3 реальных ПТ пробою способствует ряддополнительных факторов, главными из которых являются:
а) изгибы фронта р — пперехода, в которых резко возрастает напряженность электрического поля;
б) рост концентрации примесейс приближением к поверхности, что приводит к уменьшению ширины и соответственнонаппяжения пробоя р — п переходов;
в) образование паразитныхпроводящих каналов в местах выхода переходов на поверхность, которые снижают ихэлектрическую прочность.
Устранение нежелательногодействия этих факторов позволяет повысить напряжение пробоя до нескольких сотенили даже тысяч вольт. Это достигается в структурах высоковольтных транзисторово охранным кольцом и расширенным контактом базы (рис.7, а). При ее создании базовуюобласть создают в два приема. Сначала по контуру будущего КП проводят глубокуюдиффузию охранного кольца и затем проводят диффузию в центральной области базы.Использование такой двухступенчатой технологии позволяет уменьшить крутизну КПв местах изгиба и уменьшить опасность возникновения в них лавинного пробоя.
/>/>
Структура транзистора орасширенным базовым контактом показана на рис.7, б. Введение расширенногобазового контакта позволяет понизить опасность пробоя коллектора вприповерхноотной области. Базовый контакт в предпробойном режиме находится подбольшим 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 результатеувеличивается ширина КП и устраняется причина преждевременного пробоя в областивыхода его на поверхность кристалла.
/>/>
ВЧ- и СВЧ-транзисторы. Поширине диапазона рабочих частот БТ подразделяются на следующие группы: низкочастотные- НЧ ( f 300 МГц) .
ВЧ- и СВЧ-транзиоторы — это транзисторы с дрейфовым механизмом передачи тока и имеющие обычно структуруп — р- п -типа. Особо перспективным материалом для этих групп БТ является GаАs,который отличается особо высокой подвижностью электронов. Поскольку ВЧ- и СВЧ1-транзисторы должны иметь предельно тонкую базу, пои их эксплуатации нередковозникает явление прокола базы.
Особую сложностьпредставляет производство мощных ВЧ- и СВЧ-транзисторов с большой допустимоймощностью рассеяния, высокой граничной частотой fa малыми емкостями ЭП и КП, малыми постоянными временицепи CK и rБ. Мощные ВЧ- и СВЧ-транзисторы зачастую изготовляют методамипланажно-эпитаксиальной технологии, позволяющей формировать области транзисторасложной формы с высокой точностью. При этом широко используются структуры сгребенчатыми эмиттерами (см.рис.5) и многоэмиттерные БТ (см.рис.6) .
3 СЗЧ диапазонеиспользуются также многоструктурные транзисторы, которые состоят из несколькихмногоэмиттерных транзисторов, размещенных на одной полупроводниковой пластине иобъединены в единую систему. Отдельные элементы такой структуры размещеныдостаточно далеко один от другого, так что их тепловые потоки не перекрываютсяи рассеиваемая мощность возрастает.
В конструкциях корпусовмощных СВЧ-транзисторов предусматривают не только малое тепловое сопротивление,эффективный теплоотвод, но и малые индуктивности выводов, а также малые емкостимежду выводами и корпусом. 13 случае необходимости корпусу СВЧ-транзисторапридают форму, удобную для установки в волноводные тракты.
Мощности СВЧ-транзисторовдостигают единиц ватт на частотах в единицы гигагерц.
Транзисторы с повышеннымусилением. В простершем варианте усилительный элемент с повышенным усилениемможет быть получен благодаря использованию составных транзисторов (рис.8). Онимогут 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, превышающих103...104. Составные транзисторы могут иметь единое конструктивное оформление.
/>/>
Очень высокое усиление (b ~ 104 ...105) получают с помощью такназываемых бета-транзисторов. Эти транзисторы имеют очень тонкую базу иэмиттерную область, созданную методом ионной имплантации. Последнееобеспечивает повышение эффективности ЭП к уровню g~1
Малошумящие БТпредназначены для построения первых каскадов высокочувствительных усилительныхсхем. Обычно это маломощные БТ, в паспорте которых нормируется коэффициентшума. В лучших образцах малошумящих БТ коэффициент шума не превышает 3...6 дБ.3.7.