Главная Диоды и транзисторы



IOOO


ISO too

Рис. 20. Зависимость обратного тока коллектора от температуры

Ток утечки 1у обусловлен проводимостью поверхности кристалла (характером ее обработки), связан с нарушением кристаллической решетки, наличием окисных пленок, шунтирующих переход, загрязнением поверхности и является основной причиной нестабильности 1овр во времени. При повышении напряжения ток 1у растет почти линейно и слабо зависит от температуры. Обычно у реальных кремниевых диодов

1у>1о + 1т.

Небольшой наклон вольт-ампериых характеристик

:Ez rrrz:- диодов свидетельствует о том, что основная составляю-

/ V \ I \ щая обратного тока -не зависящий от напряжения ток 1б. Если же характеристики имеют большой наклон, то основными составляющими являются токи (т н 1у. Большой ток 1у у диодов нарушает указанный выше закон удвоения, т. е. увеличение 1овр ослабляет его зависимость от температуры.

Транзисторы характеризуются обратными токами переходов эмиттер -база Ьво и коллектор - база 1кБо, а также обратным током между коллектором и эмиттером, значение которого, как и пробивное напряжение между коллектором и эмиттером (см. § 2.4), зависит от условий во входной цепи транзистора. На рис. 7 показаны направления обратных токов р-п-р транзистора. Следует отметить, что 1ябо<1кэ8<1и8х<1кэн<3 <1кэо.

Обратный ток коллектора 1кбо экспоненциально увеличивается с ростом температуры. Считается, что он изменяется приблизительно на 6...8% у германиевых приборов и на 8...10% у кремниевых при изменении температуры на 1 °С (рнс. 20).

Для отечественных приборов обратные токи обычно определяются при максимальных обратных напряжениях. Большие обратные токи переходов свидетельствуют о недостаточно хорошем качестве приборов.

2.13. ОБЛАСТИ РАБОТЫ И ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРОВ

Для транзисторов принято различать четыре области работы (рис. 21): отсечки, активную (усиления), насыщения и лавинного пробоя (умножения), а также три схемы включения: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Транзисторы работают в прямом и инверсном включениях.

При прямом включении в области отсечки оба перехода (эмиттерный и коллекторный) смещены в обратном направлении и через них протекают очень малые токи 1кво и 1вво. В активной области транзистор работает как усилительный элемент (эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном). Б области насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, через транзистор протекает большой ток, а остаточное напряжение насыщения коллектор « эмиттер \Jk9 вас характеризует его как переключатель в замкнутом состоянии. В области умножения коллекторный переход находится в состоянии лавинного (электрического) пробоя.

При инверсном включении, в отличие от прямого, эмиттер смещен в обратном направлении, а коллектор -в прямом. Транзистор работает в активной области, не


Область отсечки

Рис. 21. Выходная вольт-амперная характеристика транзистора

его усилительные свойства хуже (например, hjie iiiv=0,1...0,8). Дрейфовые (диффузионные) транзисторы редко используются в таком включении, так как из-за асим-=метрии конструкции (большого различия площадей эмиттера и коллектора) инверсное усиление мало. Инверсный режим может иметь место во время переходных процессов в импульсных схемах.

Вольт-ампериые характеристики, приводимые в справочниках, дают информа-Цию о работе транзисторов во всех областях и режимах работы на большом я малом сигналах при различных допустимых сочетаниях токов и напряжений. По ним можно определить ряд основных параметров транзистора, выбрать оптимальное Положение рабочей точки, рассчитать нелинейные искажения, цепи смещения и стабилизации режима. Для анализа режимов и расчета схем обычно широко используются два семейства статических характеристик: входных и выходных для схем с ОБ н ОЭ. При необходимости по ним можно построить переходные характеристики (прямые и обратные). По входным характеристикам определяются параметры Ум и Ьцэ, по выходным - (1225, -пй, Ь21о, Yjia, Y2ie (в зависимости от режима).

Наклон начального участка выходных характеристик определяет сопротивление Гкэяас. Кроме того, на выходных характеристиках обычно указывают область безопасной работы транзисторов.

2.14. ИМПУЛЬСНЫЙ И КЛЮЧЕВОЙ РЕЖИМЫ РАБОТЫ

Рабочие токи, напряжения или мощности при работе в импульсном и ключевом режимах могут значительно превышать номинальное значение, установленное Лля режима постоянного тока.

Транзисторные ключи работают в насыщенном (режим переключения) или не-аасыщеииом режиме (в импульсных усилителях). В первом случае рабочая точка иа семействе выходных характеристик циклически перемещается из области отсечки в область насыщения через активную область и обратно. Во втором случае рабочая точка проходит только через две области - отсечки и активную.

В режиме переключения (рис. 22, а) транзистор как ключевой элемент меняет свое состояние от закрытого (высокое напряжение и малый ток) до открытого ч(иизкое наприжение и большой ток). Насыщенные ключи имеют меньшую мощ-люсть рассеяния Рк во включенном состоянии и хорошую помехоустойчивость, но /





Рис. 22. Выходные напряжение и ток (а) и выходная мощность (б) импульсного транзистора


Рис, 23. Форма токов базы и коллектора импульсного транзистора

инх хуже быстродействие, так как переход из области насыщения происходит с задержкой, и больще мощность рассеяния на базе при больших степенях насыщения. Увеличение быстродействия транзисторов достигается уменьшением времени жизни неосновных носителей путем легирования активных и пассивных областей структуры атомами золота. Но для таких транзисторов велика вероятность возникновения лавинного пробоя. Поэтому для увеличения быстродействия часто параллельно переходу коллектор - база подключается диод Шотки, что предотвращает насыщение транзистора (отсутствуют режимы накопления и рассасывания зарядов). Такие транзисторы более устойчивы ко второму пробою в случае больших запирающих токов (например КТ635).

Для переключательных транзисторов в справочниках приводятся импульсные значения максимально допустимых параметров или графики, позволяющие опредс лить импульсную рассеиваемую мощность Ри в зависимости от соотношения длительности импульса 1и, скважности Q и частоты. Значения Ри на фронте или срезе импульса могут превышать Ри шах (рис. 22,6). Ток 1и, и max обычно определяется экспериментально для заданной длительности импульса и ограничивается Рк max. Формы входного и выходного импульсов тока представлены на рис. 23. Как видно, выходной импульс сдвинут относительно входного на 1зд, а фронт и срез имеют конечную длительность. Задержка фронта обусловлена зарядом входной емкости, равной сумме барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов.

Время переключения транзистора, т. е. его быстродействие, состоит из времен включения 1вкл и выключения 1выкл. В свою очередь, время включения состоит из времен задержки 1зд и нарастания tap, а время выключения - из времен задержки выключения tpac (времени рассасывания) и спада ten. Время переключения опредг-ляется как свойствами самого транзистора, так и выбранной схемой включения транзистора и параметрами управляющего сигнала. Оно является функцией частоты trp и эмиттерного и коллекторного токов. Получить высокое быстродействие при большом токе трудно.

Для высокочастотных транзисторов (с frp>100 МГц) задержка включения определяется в основном емкостью Сэ. Кремниевые транзисторы имеют большие зна-


чеР1Ия 1зд, чем германиевые. Время задержки может быть уменьшено путем увеличения мощности включающего сигнала. Для времени нарастания влияние емкости Сз незначительно, но играют роль frp и входной ток. Как уже отмечалось, на длительности фронта и среза значительное влияние оказывает емкость Ск. Время ten зависит от 1к и от отношения 1к/1б.

Время рассасывания зависит от конкретной схемы включения и режима измерения. При больших степенях насыщения (или больших запирающих токах) и существенных отклонениях режима использования от указанного в справочнике время рассасывания может принимать значения, отличающиеся от номинального.

Параметры tpac, Ск, Сэ, frp, h2ia дают возможность сравнивать переключатель, ные свойства транзисторов при одинаковых режимах измерения.

Для зарубежных приборов, параметры

,1вкл и 1вы«п приводятся ЧЗСТО, ДЛЯ ОТСЧвСТ-

венных -реже, лишь для некоторых типов

; транзисторов, используемых при предельном

«быстродействии. Эти времена определяются

(ДЛЯ конкретной (типовой) электрической схе-

,цы, зависят от элементов внешних цепей (со-

.противления нагрузки, сопротивления входной цепи, реактивных сопротивлений) и используются как справочные или рекламные сведения.

Работа транзистора в режиме насыщения характеризуется также остаточным иапряже-

.иием коллектор - эмнттер Ukb вас или сопро-

(гивлением насыщения гкэнас. При сравнении

5транзисторов удобнее использовать параметр Гкэнас, а не Uffs нас, тзк как он слабо зависит от тока. Напряжение Икэ яао зависит от

;;Геометрических и физических параметров

транзистора. Его уменьшают, выбирают опре-

,деленную геометрию структуры, а также создавая конструкции с эпитаксиальными .слоями. С увеличением степени насыщения (в 3...5 раз и выше) иэ нао почти не /Меняется. С ростом температуры оно несколько увеличивается (рис. 24). Большое "сопротивление Гкэ нас транзистора и диода увеличивает потери мощности в приборах и снижает КПД устройств, особенно при работе на больших токах, i., Переключательные транзисторы (в отличие от усилительных) обычно имеют малые остаточные напряжения (икэнао, ивэнас), времена переключения и большие лВробивные напряжения Ukeo проб, Ubeo проб. Для этих транзисторов нет необходч-!;М0сти иметь большие Ьги. В общем случае мощность, выделяемая транзистором s ;Мючевом режиме, состоит из мощностей, выделяющихся на коллекторном переходе гв режиме насыщения (Рвкл), в режиме отсечки (Рвыкл), в процессе перехода трая-;#истора из одного режима в другой (Рвер), и управляющей мощности в цепи бази ..(Рупр). При небольших рабочих частотах (менее 1 кГц) основной составляющей, ; определяющей тепловые потери в транзисторе, является Рвкл. Мощностью Рпер лграничивается предельная частота работы транзистора. Следует отметить, что дм Надежного отпирания транзистора необходимо подавать напряжение, превышающее плавающее напряжение Uae пл - напряжение между выводами базы и эмиттера, .Обусловленное параметрами 1кво, гб и сопротивлением утечки.

Рис. 24. Зависимость напряжения насыщения коллектор - эмиттер от тока коллектора при различных значениях температуры



2.15. технология изготовления полупроводниковых приборов

Современный уровень электрических параметров полупроводниковых приборов обусловливается технологией их изготовления, связанной с разработкой эффективных методов эпитаксиального выращивания, техникой изготовления фотошаблонов, проведением процессов фотолитографии и диффузии примесей, совершенствованием стабилизирующих и защитных покрытий кристаллов.

Использование той или иной технологии при создании приборов диктуется различными соображениями, связанными с техническими и экономическими показателями, а также надежностью.

Для изготовления переходов полупроводниковых приборов применяются следующие технологические методы: вытягивание из расплава, электрохимические, электроформовка, сплавление (вплавление), диффузия и ионное внедрение примесей. Первые три метода в настоящее время практически не применяются.

Метод сплавления применяется в основном при изготовлении низкочастотных маломощных и мощных германиевых транзисторов и кремниевых диодов. Сплавные транзисторы имеют невысокий частотный предел (примерно 10...15 МГц), достаточно высокие напряжения иквопров и Uesonpoe (близкие по значениям), низкие напряжения насыщения, но большие емкости Ск (из-за большой площади перехода коллектор-база) и большой разброс параметров вследствие плохой воспроизводимости процесса сплавления. Метод сплавления имеет простую технологию.

С помощью диффузионных методов на германии и кремнии получают транзисторы со структурами р-п-р и п-р-п. При двусторонней диффузии на двух поверхностях пластины полупроводника вводятся примеси и тем самым создаются области эмиттера и коллектора с проводимостью, противоположной проводимости исходной пластины (базовой области). По своим характеристикам такие транзисторы близки к сплавным, т. е. имеют большие рабочие токи, но малую частоту fhjie. При двойной односторонней диффузии только через одну нз поверхностей пластины проводится сначала диффузия примеси для создания базовой области (перехода коллектор - база), а затем диффузия примеси другого типа. При этом получаетси трехслойная транзисторная структура, где исходная пластина является телом коллектора. Транзисторы с двусторонней диффузией (с диффузионными эмиттером и коллектором) по сравнению с транзисторами с двойной односторонней диффузией (с диффузионной базой) имеют меньшие значения Пкэ нас, меньший спад усиления, более высокую устойчивость ко второму пробою, но более низкую частоту fh2ie. Технология их изготовления более сложная (например, меза-планариая и планар-иая технологии). На германии с помощью двойной односторонней диффузии технологически легче получать р-п-р транзисторы, а иа кремнии - п-р-п транзисторы.

Для изготовления транзисторных структур широко используются комбинированные методы; сплавление и диффузия или сочетание различных вариантов диффузии. В комбинации с методом сплавления были созданы диффузионио-сплавиые и сплавио-диффузиоиные приборы. Например, базовая область - диффузионная, а коллектор н эмиттер - сплавные. Диффузионно-сплавиые транзисторы имеют большое Uks вас я малые пробивные напряжения переходов иявопров и Usbo проб (несколько вольт), у них более высокая рабочая частота, чем у сплавных приборов. Транзисторы с большими рабочими токами (до десятков ампер) и частотой несколько десятков мегагерц получают методом сплавления - диффузии, так как этот метод позволяет создавать приборы, превосходящие сплавные по частоте.

В настоящее время наибольшие рабочие токн (кроме сплавных германиевых транзисторов) имеют кремниевые транзисторы, изготовленные с помощью двусторонней диффузии.

По технологии изготовления близкими к сплавно-диффузионным транзисторам являются конверсионные транзисторы.

Разновидностью сплавно-днффузионных и диффузионных транзисторов являют-си меза-транзисторы, имеющие структуру в виде выступа (т. е. эмиттерная и базовая области возвышаются над коллекторной и площадь перехода уменьшаетси за счет удаления боковых участков кристалла). Они предназначены для работы на частотах 500...1000 МГц и характеризуются малыми емкостями Ск и С» и сопротивлением базы. Большинство мощных кремниевых транзисторов, изготовленных о помощью двойной односторонней диффузии, представляет собой меза-планарные приборы. Необходимо отметить, что, в отличие от метода сплавления, способы получения диффузионных структур применимы для групповой технологии.

Наряду с диффузионными методами, указанными выше, применяются методы тройной диффузии (преимущественно для изготовления меза- и планарных транзисторов), например для создания высоковольтных транзисторов.

Мощные приборы с двойной диффузией и охранным кольцом, расположенным по периметру коллекторного перехода (для снижения токов утечки и исключения поверхностного пробоя), обладают высокой линейностью hjis и малым Пка вас. У приборов с тройной диффузией большая область безопасной работы, выше пробивные напряжения, но ниже усиление и frp.

Современные полупроводниковые приборы изготавливаются обычно по плаиар-ной технологии (у них переходы эмиттер - база и коллектор - база находятся в одной плоскости), являющейся модификацией диффузионной технологии. Электрические свойства биполярных и полевых транзисторов сильно зависят от свойств поверхности полупроводника и защитного слоя. Основные преимущества плаиарной технологии - обеспечение точных размеров переходов и их защита от воздействия внешней среды и загрязнений. В плаиарной структуре переходы находятся под защитным слоем двуокиси кремния, поэтому устраняются многие проблемы, связанные с поверхностными явлениями. В германиевых планарных транзисторах также применяются покрытия из двуокиси кремнии. В качестве дополнительного пассивирующего (защитного) слоя в планарных приборах может использоваться ичг-рид кремния (например, у ВС523), что увеличивает стабильность параметров транзисторов и позволяет им работать при более высоких температурах. Кроме указанных преимуществ плаиарные приборы имеют долговременную стабильность свойств, малые обратные токи, большое усиление при малых токах, хорошую воспроизводимость параметров. Планарная технология дает возможность изготчв-ливать в едином технологическом процессе большое число структур.

Имеются плаиариые транзисторы (например, отечественные КТ104, КТ201, КТ203, КТ208, КТ209, КТ214, КТ501), которые позволяют по совокупности параметров заменить в схемах германиевые и кремниевые сплавные транзисторы.

Для улучшения параметров меза-планарных и планарных транзисторов ис« пользуют методы встречной диффузии и эпитаксиального выращивания. С помощью эпитаксиальиой технологии реализуется двуслойная структура коллектора: низко-омиая исходная пластина и выращенный тонкий высокоомный слой. Для мало» мощных транзисторов эпитаксиальное выращивание практически полностью заме-аило встречную диффузию. Метод эпитаксиального выращивания считается бочее



0 1 2 3 4 [5] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66


0.0166