Физические принципы работы и технологии полупроводниковых транзисторов

 

 

Содержание

 

1. Введение
2. Физика работы транзистора
3. Технология диффузионных процессов для легирования эмиттерной области
4. Эпитаксиальные процессы для формирования базовой области
5. Заключение
6. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Полупроводниковые приборы ( диоды и транзисторы) благодаря малым габаритам и массе, незначительному потреблению электроэнергии, высокой надёжности и долговечности широко применяются в различной радиоэлектронной аппаратуре. В настоящее время почти вся бытовая радиоэлектронная техника, включая телевизоры, приёмники, магнитофоны и др., работает на полупроводниковых приборах и микросхемах. Применение полупроводниковых приборов в электронных вычислительных машинах позволило решить проблему достижения высоких эксплуатационных параметров ЭВМ при обеспечении требуемой надёжности. Для конструирования надёжных схем на транзисторах, то есть для правильного выбора типа транзистора, грамотного расчёта схем, выбора оптимального теплового и электрического режимов, необходимо располагать подробными сведениями, характеризующими эксплуатационные свойства транзисторов.

Действие  транзистора можно сравнить с  действием плотины. С помощью  постоянного источника (течения  реки) и плотины создан перепад  уровней воды. Затрачивая очень небольшую  энергию на вертикальное перемещение  затвора, мы можем управлять потоком  воды большой мощности, т.е. управлять  энергией мощного постоянного источника

   Срок службы полупроводниковых  триодов и их экономичность  во много раз больше, чем у  электронных ламп. За счёт чего  транзисторы нашли широкое применение  в микроэлектронике — теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно  же, в компьютерах. Они заменяют  электронные лампы во многих  электрических цепях научной,  промышленной и бытовой аппаратуры.

Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами - те же, как и у полупроводниковых  диодов - отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его  разогрева. Кроме того, транзисторы  сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические  лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях  и более высоких частотах.

   Но наряду с положительными  качествами, триоды имеют и свои  недостатки. Как и полупроводниковые  диоды, транзисторы очень чувствительны  к повышению температуры, электрическим  перегрузкам и сильно проникающим  излучениям (чтобы сделать транзистор  более долговечным, его помещают  в специальные  корпуса ).

Основные  материалы из которых изготовляют  транзисторы — кремний и германий, перспективные – арсенид галлия , сульфид цинка и широко зонные проводники .

   Существует 2 типа транзисторов: биполярные и полевые.  

 Биполярный  транзистор представляет собой  транзистор, в котором используются  заряды носителей обеих полярностей.

 

 

 

Физика  работы транзистора

 
 
Биполярный  транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В  зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам. 
 
Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу. 
 
Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему? 
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».  
 
Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы. 
 
Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился. 
 
Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор. 
 
Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.  
 
Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.  
 
Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления. 
 
Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению. 
 
Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.  
 
Также параметрами биполярного транзистора являются:

• обратный ток коллектор-эмиттер
• время включения
• обратный ток колектора
• максимально допустимый ток

 
Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Рассмотренный выше вариант представляет собой  нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора. 

1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

 

Технология диффузионных процессов  для легирования эмиттерной области.

Диффузионные резисторы на основе базового слоя биполярного транзистора имеют поверхностное удельное сопротивление порядка 100—300 Ом, на основе эмиттерного слоя — порядка 0,5 Ом/П. Обычно диапазон . сопротивлений таких резисторов ограничивается значениями от 10 Ом до 50 кОм, а занимаемая площадь для верхних значений диапазона составляет примерно 0,125 мм2, что в 40—50 раз превышает площадь интегрального транзистора. Диффузионные резисторы с изолирующими р-п-переходами работают вплоть до частоты 20 МГц.  
 
мах, тонколенточные резисторы совмещенных и гибридных интегральных схем и толстопленочные резисторы (объемные). Однако наибольшее распространение получили диффузионные резисторы на основе электронно-дырочных переходов. Устройство такого резистора показано на 3.44, а. В качестве резистора используется область полупроводника с ^-электропроводностью, образованная в результате диффузии акцепторной примеси в полупроводник /г-типа; п-р-переход, отделяющий резистор от  
 
Диффузионные резисторы. Сопротивление диффузионного резистора зависит от степени легирования исходного материала (кремния), примесями (от удельного сопротивления материала) и от геометрических размеров резистора. Для расчетов резисторов, образованных тонкими пленками, удобно ввести новое понятие — сопротивление слоя. Рассмотрим сущность этого понятия.  
 
Обычно не выполняется ни одно из этих условий, причем при проектировании полупроводниковых ИМС возникают особенно большие трудности. Например, полупроводниковые диффузионные резисторы и конденсаторы имеют паразитные емкости относительно подложки, значения которых зависят от напряжения обратного смещения. Такие паразитные емкости носят распределенный характер и, следовательно, замена их дискретными емкостями может быть только приближенной. Если элементы схемы изолированы р-п-переходом, то для каждого из них характерно возникновение емкости, обладающей теми же свойствами.  
 
ф Резистивные элементы, используемые в полупроводниковых ИМС, можно подразделить на диффузионные резисторы, формируемые на основе эпитаксиаль-ного слоя, пинч-резисторы, пленочные резисторы на основе поликристаллического кремния, резисторы, получаемые методом ионного легирования.  
 
Наиболее широкое распространение в полупроводниковых ИМС нашли диффузионные резисторы, которые изготовляют на диффузионных слоях базовой или эмиттерной области транзисторной структуры и формируют непосредственно в процессе изготовления транзистора, а также пинч-резисторы.  
 
Диффузионные резисторы, применяемые в полупроводниковых ИМС, формируют на той же подложке, что и остальные элементы схемы (транзисторы, диоды, конденсаторы). Поскольку для изготовления транзисторной структуры требуется большое количество высокотемпературных процессов, резистивный элемент может быть получен одновременно с какой-либо из областей транзистора. В практических случаях, как было отмечено ранее, резистор чаще всего формируют на базовом слое транзисторной структуры. Выбор этого слоя представляет компромиссное решение между большими геометрическими размерами, которые были бы необходимы при использовании эмиттерного слоя, и высоким температурным коэффициентом сопротивления резистора, который получался бы при очень слабом легировании кремния, т. е. при выборе в качестве материала резистора коллекторного слоя транзистора. Следует, однако, отметить, что эмиттерный слой можно применять при формировании низкоомных термостабильных резисторов.  
 
Диффузионные резисторы. В качестверезистивного слоя в полупроводниковых ИМС используется изолированная область полупроводника, которая создается одновременно с какой-либо частью транзистора. Чаще всего применяется слой полупроводника, полученный одновременно с базой транзистора. Структура такого резистора изображена на 2.23, а. Если в качестве изоляции служит обратно-смещенный р—п переход, в структуре резистора возникают паразитные связи, которые учитываются общей эквивалентной схемой ( 2.24).  
 
сятся: неоднородность области базы — наличие в базе градиента концентрации примесей; работа транзисторов при высоких уровнях инжекции; вытеснение носителей к периферийной части эмиттера; пренебрежимо малый инверсный коэффициент усиления по току транзисторов; влияние паразитных транзисторов; сложность реализации достаточно точных резисторов и конденсаторов (скажем, с допусками менее 10 %) и в то же время малый относительный разброс параметров однотипных компонентов (например, все диффузионные резисторы, созданные на одном этапе фотолитографии, могут отличаться по номиналу от расчетных значений на одну и ту же относительную величину); более сильная температурная зависимость сопротивлений резисторов по сравнению с дискретными аналогами; зависимость (барьерных) емкостей от напряжений.  
 
Модели пассивных компонентов. К пассивным компонентам МДП-структур относятся резисторы и конденсаторы. В полупроводниковой подложке могут быть реализованы либо диффузионные резисторы, рассмотренные в гл. 2, либо резисторы на основе структуры МДП-транзистора, изображенные на 3.13 для случая транзистора с индуцированным р-каналом с использованием затвора в качестве электрода, управляющего сопротивлением резистора ( 3.13, а), и при объединенных выводах затвора и стока ( 3.13, б).  
 
Для изготовления полупроводниковых И С на биполярных транзисторах широко применяют планарно-эпитаксиаль-н у ю технологию с использованием диффузионных процессов и эпитаксиального наращивания монокристаллического кремния i[79].  
 
3. Диффузия из твердой фазы. Это диффузия из твердого раствора примеси в одной области полупроводника в примыкающую к ней другую область этого же полупроводника, свободную от примеси данного типа. При этой технологии используют структуры со ступенчатым начальным распределением примеси, которое получается при выращивании эпитаксиальных пленок. При проведении диффузионных процессов применяют два способа. Способ диффузии в «закрытой трубе» ( 3.5, а) заключается в-том, что пластины полупроводника / и источник 2 загружают в кварцевую лампу 3, которую герметизируют и помещают в печь 4.  
 
дом тройной диффузии путем проведения трех диффузионных процессов.  
 
Метод тройной диффузии в своем первоначальном виде в настоящее время не нашел широкого применения. Применение трех последовательных высокотемпературных диффузионных процессов не позволяет осуществлять жесткий контроль параметров прибора, в частности,  
 
Создание более сложных БИС выявило ряд недостатков, присущих этой структуре. Среди них можно выделить следующие: низкую плотность размещения компонентов на кристалле, обусловленную наличием разделительных диффузионных р-облас-тей, значительной толщиной эпитаксиальной пленки, трехмерностью диффузионных процессов, ограничениями процесса фотолитографии; большие паразитные емкости и токи утечки изолирующего р-п-пере-хода; невысокие пробивные напряжения изоляции; малая радиационная стойкость.  
 
Рассматривая возможные способы преобразования энергии, необходимо учитывать, что в соответствии с законами физики все энергетические процессы сводятся к трансформации одного вида энергии в другой. Здесь важно то обстоятельство, что плотности потоков энергии ограничиваются физическими свойствами среды. Это, в свою очередь, практически исключает применение в энергетике больших мощностей многих казалось бы эффективных процессов трансформации энергии. Например, в топливных элементах химическая энергия окисления водорода непосредственно превращается в электрическую. Такой способ получения электрической энергии, несмотря на очень высокий КПД, равный примерно 70%, на сегодня приходится признать непригодным для промышленности из-за малой скорости диффузионных процессов в электролите и, следовательно, малой плотности энергии. Так,  
 
Параметры и допуски диффузионных процессов  
 
Уменьшая скорость протекания диффузионных процессов в травителе, можно существенно усилить его полирующие свойства. Например, полирующие свойства травителя улучшаются при увеличении его вязкости за счет добавки гликолей, глицерина, полиспиртов; уменьшение температуры раствора также приводит к большему выравниванию процесса за счет снижения скоростей диффузии компонентов травителя. Интен-  
 
Отличие на несколько порядков значений коэффициентов диффузии различных примесей определяет жесткие требования к условиям проведения диффузионных процессов. Коэффициенты диффузии легирующих примесей (элементы III и V групп), широко используемых в технологии формирования р-л-перехот дов, на 6 —9 порядков меньше коэффициентов диффузии таких примесей, как медь, литий, серебро, золото, железо и др. Это требует обеспечения условий, исключающих попадание в рабочий объем диффузионной печи неконтролируемых примесей.  
 
Выражения (5.4), (5.5), (5.6), (5.7) впервые были получены в 1885 г. швейцарским ученым Фиком для описания диффузионных процессов в идеальных газах и растворах. В дальнейшем была показана применимость установленных законов для описания процессов диффузии в твердых телах. Уравнения (5.4), (5.5) и (5.6), (5.7) носят названия первого и второго законов Фика соответственно. 

Эпитаксиальные процессы для формирования базовой области

Эпитаксиальный процесс  выращивания германиевых и кремниевых пленок находит применение при изготовлении диодов туннельных, диодов параметрических и нск-рых видов транзисторов. Для последних пока применяется только при изготовлении коллекторов. Эпитаксиальные эмиттеры мало эффективны из-за несовершенства технологии. При изготовлении множества р - n - переходов ( твердая схема), в к-ром за основу взяты эпитаксиальные пленки ( см. также Микроминиатюризация), возникают две проблемы: нахождение условий, при к-рых получались бы качеств, эпитаксиальные переходы, не нуждающиеся в травлении; изготовление соединений для взаимной связи р - n - переходов.

Эпитаксиальный процесс  выращивания германиевых и кремниевых пленок находит применение при изготовлении диодов туннельных, диодов параметрических и нек-рых видов транзисторов. Для последних пока применяется только при изготовлении коллекторов. Эпитаксиальные эмиттеры мало эффективны из-за несовершенства технологии. При изготовлении множества р-га-переходов ( твердая схема), в к-ром за основу взяты эпитаксиальные пленки ( см. также Микроминиатюризация), возникают две проблемы: нахождение условий, при к-рых получались бы качеств, эпитаксиальные переходы, не нуждающиеся в травлении; изготовление соединений для взаимной связи р-га-переходов. 

Эпитаксиальным процессом называется получение монокристаллических полупроводниковых пленок на монокристаллической основе, когда растущая пленка ориентирована в том же кристаллографическом направлении, что и подложка. 

Примеры эпитаксиальных процессов обнаруживаются не только при взаимодействии газов с твердыми телами, но и при осаждении многих материалов на монокристаллических поверхностях многих других материалов. 

Наряду с совершенствованием традиционных эпитаксиальных процессов все более прочные позиции в технологии создания кремниевых тонкопленочных эпитаксиальных структур завоевывает метод молекулярно-пучковой эпитаксии. Развитие метода идет не только по пути создания ультратонких многослойных гомо - и гетероэпитаксиальных структур на подложках большой площади, но и синтеза в едином технологическом цикле эпитаксиальных МДП-композиций, в том числе с использованием различных вариантов локальной эпитаксии. Создаваемая для этого аппаратура обеспечивает сочетание в едином технологическом цикле процесса эпитаксиального наращивания с процессами ионной имплантации в синтезируемый слой необходимых примесей, а также его лазерной или электронно-лучевой обработки, или быстрого термического отжига. Все это существенно расширяет возможности молекулярно-пучко-вой эпитаксии. Быстрыми темпами развивается также высоковакуумная химическая эпитаксия.

В полупроводниковом приборостроении  имеется тенденция к выделению эпитаксиальных процессов за рамки технологического цикла производства и к созданию предприятий, специализирующихся на выпуске эпитаксиальных структур с заданными свойствами.

Получение полупроводниковых  слоев химическим осаждением было подробно рассмотрено при описанииэпитаксиальных процессов роста.

Если для кремния задача получения особо чистых исходных летучих единений для осуществленияэпитаксиальных процессов решается до-таточно успешно, то для большинства полупроводниковых соединений ще много нерешенных проблем, прежде всего в применении к метал -: оорганическим соединениям, необходимая номенклатура которых рас-циряется с каждым годом. В силу существенно большей сложности, 1енее изученными ( чем для кремния) остаются пока для большинства оединений физико-химические процессы в газовой фазе у фронта кри-таллизации, а также процессы, протекающие на ростовой поверхности. Это в значительной степени тормозит разработку эффективных методов ттравления свойствами эпитаксиальных слоев, обусловленными наличи-м в них собственных точечных дефектов. В меньших масштабах ис-юльзуются методы математического и физического моделирования при [ сследовании процессов тепломассопереноса в рабочем эпитаксиальном акторе, а также элементарных процессов кристаллизации и дефекто - бразования при эпитаксиальном росте. И тем не менее, в настоящее: ремя высококачественные эпитаксиальные структуры важнейших полу-фоводниковых соединений производятся уже в достаточно широких [ ромышленных масштабах. 

Переходный слой представляет собой промежуточную область  между двумя срастающимися фазами, свойства которой определяются характером физико-химических взаимодействий в  той системе реагентов ( включая подложку), в которой протекает данный эпитаксиальный процесс. 

Одним из наиболее прогрессивных  методов полупроводниковой техники  для изготовления твердых схем является эпитаксиальное выращивание кристаллов. Эпитаксиальный процесс состоит из выращивания ПП кристалла из паровой фазы путем осаждения на ПП подложку. Этот метод позволяет изготовлять многослойные структуры, в к-рых с высокой точностью выдержаны заданные толщины слоев и их сопротивления. Эпитаксиальная технология особенно пригодна для микросхем с большим числом слоев сложной конфигурации. Примером, иллюстрирующим возможности эпитаксиалыюй технологии, являются разработанные фирмой Дженерал Электрик ( США) кремниевые логич. Кремниевая квадратная пластина со сторонами 25 4 мм содержит 1100 транзисторов или диодов и 4200 сопротивлений. 

Тенденция перехода на использование  многослойных тонкопленочных композиций, в том числе квантоворазмерных структур, в данном случае проявляется еще более рельефно по сравнению с кремнием. В связи с этим является первоочередной задача разработки и освоения низкотемпературных эпитаксиальных процессов. Используемые при этом принципиальные подходы аналогичны для кремния. Учитывая многообразие представляющих непосредственный практический интерес объектов, упор делается на разработку достаточно универсальных базовых технологических процессов и ростового оборудования, которые могли бы быть достаточно несложно трансформированы с учетом индивидуальных особенностей той или иной группы материалов. Такими базовыми процессами являются газофазная эпитаксия с использованием в качестве исходных материалов летучих металлоорганических соединений и гидридов соответствующих элементов ( МОС-гидридная эпитаксия), а также молеку-лярно-пучковая эпитаксия. Оба эти технологических процесса доведены До уровня достаточно широкого промышленного использования.