Расчёт и проектирование маломощных биполярных транзисторовТоропчин В. И. САРАТОВ 1999г. Оглавление. TOC o '1-3' h z Оглавление. .................................................................................................... PAGEREF _Toc469756976 h 1 1. Введение ............................................................................................... PAGEREF _Toc469756977 h 2 2. Цель задания ........................................................................................ PAGEREF _Toc469756978 h 2 3. ОБЩАЯ ЧАСТЬ .......................................................................................... PAGEREF _Toc469756979 h 2 3.1 Техническое задание. ........................................................................ PAGEREF _Toc469756980 h 2 3.2 Параметры, выбранные самостоятельно. .......................................... PAGEREF _Toc469756981 h 2 3.3 Перечень используемых обозначений ............................................... PAGEREF _Toc469756982 h 3 4. Выбор технологии изготовления транзистора ...................... PAGEREF _Toc469756983 h 5 4.1 Сплавно-диффузионные транзисторы. .............................................. PAGEREF _Toc469756984 h 5 4.2 Структура сплавно-диффузионного p-n-p .......................................... PAGEREF _Toc469756985 h 7 5. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ................................................................................... PAGEREF _Toc469756986 h 8 5.1 Расчёт толщины базы и концентраций примесей. ............................. PAGEREF _Toc469756987 h 8 5.2 Расчет коэффициента передачи тока ............................................... PAGEREF _Toc469756988 h 11 5.3 Расчет емкостей и размеров переходов .......................................... PAGEREF _Toc469756989 h 11 5.4 Расчет сопротивлений ЭС и граничных частот ............................... PAGEREF _Toc469756990 h 12 5.5 Расчет обратных токов коллектора .................................................. PAGEREF _Toc469756991 h 14 5.6 Расчет параметров предельного режима и определение толщины элементов кристаллической структуры ......................................................................... PAGEREF _Toc469756992 h 15 5.7 Расчёт эксплутационных параметров .............................................. PAGEREF _Toc469756993 h 15 6. Выбор корпуса транзистора ............................................................. PAGEREF _Toc469756994 h 16 7. Обсуждение результатов ................................................................... PAGEREF _Toc469756995 h 18 8. Выводы: ..................................................................................................... PAGEREF _Toc469756996 h 18 9. Список используемой литературы ............................................ PAGEREF _Toc469756997 h 20 1. Введение Используемые физические свойства полупроводника известны и используются с конца 19 века. При изобретении радио А.С. Поповым был применен порошковый когерер, в котором использовались нелинейные свойства зернистых структур. В 1923-1924 гг. Лосев О.В. обнаружил наличие отрицательного дифференциального сопротивления и явление люминесценции в точечных контактных сопротивлениях карбида кремния. В 1940 году был изготовлен первый точечный диод. В 1948 году американский физик Дж. Бардии, а также И.Браштейн разработали и изготовили точечно-контактный транзистор, в 1952 г. впервые были созданы промышленные образцы плоскостных транзисторов. В 1956 г. началось производство транзисторов с базой, полученной методом диффузии. В начале 60-х годов была применена планарная технология изготовления транзисторов. В настоящее время рабочие частоты транзисторов достигают 50 ГГц. По уровню рассеиваемой мощности транзисторы делятся на маломощные, средней и большой мощности. 2. Цель задания Задачей выполнения курсового проекта является разработка маломощного биполярного транзистора в диапазоне, средних и высоких частот. Целью работы над проектом является приобретение навыков решения инженерных задач создания дискретных полупроводниковых приборов, углубление знаний процессов и конструктивно технологических особенностей биполярных маломощных транзисторов. 3. ОБЩАЯ ЧАСТЬ Техническое задание. Техническое задание содержит требования к параметрам и условиям эксплуатации практикуемого прибора. В данном случае наиболее существенны следующие параметры: 1. I к ном =9мА. 2. U к ном =13В 3. f a =90МГц 4. Р к мах =60мВт 5. U к мах =18В 6. I к мах =12мА 7. к мах =74 ° С 8. =65 Параметры, выбранные самостоятельно. 1. ср =5мкс 2. Ge 3. p - n - p 4. к =2пФ 5. F Х 1 =1,3 6. N б Х 2 = 500 7. N ОЭ / N б =3 8. h дс = мкм 9. S рек = слус Перечень используемых обозначений A k - площадь коллектора; А э - площадь эмитера; a - градиент концентрации примесей; Другими элементами конструкции являются корпус, кристаллодержатель, выводы. В зависимости от технических требований предъявляемых к параметрам транзистора, применяются различные методы формирования транзисторной структуры. Низкочастотные транзисторы изготавливаются по сплавной технологии, высокочастотные – с обязательным использованием процесса диффузии примесей. Основными разновидностями технологии изготовления высокочастотных транзисторов являются: диффузионная, планарная. Чисто диффузионная технология используется для изготовления транзисторов с f не превышающими 50-100 МГц, сплавнои мезодиффузионная – для диапазонов 50-100 МГц, соответственно, планарная–для f =0,5-5ГГц. Так как граничная частота f составляет 250 МГц, то для изготовления выберем сплавно-диффузионную технологию. 4.1 Сплавно-диффузионные транзисторы. При диффузионной технологии неоднородность эмиттерной поверхности приводит к неоднородности толщины базовой области, что ухудшает возможные частотные свойства транзистора . В сплавно-диффузионной технологии диффузией формируется лишь базовая область а КП и ЭП формируются вплавлением эмиттерной навески, под которой образуется рекристализационная зона. При этом в эмиттерную навеску вводится примесь, формирующая под эмиттером активный диффузионный слой базы. Коэффициент диффузии этой примеси должен значительно превышать коэффициент диффузии примеси, формирующей эмиттер и ЭП в рекристализационной зоне. Структура сплавно-диффузионного p - n - p транзистора изображена на рис.1. На рис.2 приведены некоторые этапы получения сплавно-диффузионного транзистора. После получения исходной рпластины Ge , протравливают в ней лунку, углубляясь в исходную рпластину (рис.2.1). травление лунок осуществляется методом фотолитографии. На окислённую пластину наносят фоторезистивную плёнку, её освещают через маску ультрофиолетовым светом. Экспонированные места фоторезиста поляризуются. Незаполимеризованные части фоторезиста смывают так, что он остаётся только на облучённых местах. Затем производят травление. После получения лунки проводят щдиффузию донарной примеси (рис.2.2) затем необходимо отшлифовать поверхность исходной пластины, т.о., чтобы диффузионный слой остался лишь в лунке. Диффузия донорной примеси приводит к образованию базового n - слоя (рис.2.3). С помощью электрохимического метода через маску вводят навески вплавляемого материала 1 и 4 (рис.2.4). Навеска 1 является эмиттерной, содержащая спал Ni + Al + In , а навеска 2- базовой. Затем пластину помещают в печь и нагревают до температуры, близкой к температуре плавления германия (около 900 С). При такой темпиратуре сплавы не только переходят в жидкое состояние, но имеет место диффузия примесей из жидкой фазы в прилежащую твёрдую фазу. При этом комплексный характер сплава, находится в лунках, обеспечивает одновременное образование двух слоёв: базового и эмиттерного, благодаря резко коэффициентам диффузии донарной и акцепторной примесей в германии: донарная примесь «обгоняет» акцепторную. Под эмиттерной навеской образуется робласть, которая является эмиттером (рис.2.5). Затем получеснную структуру припаивают к кристаллодержателю. Он является выводом коллектора (рис.2.6). 4.2 транзистора Задачи расчёта В результате расчёта должны быть определены электрофизические и геометрические параметры транзисторной структуры, параметры эквивалентной Т-образной схемы транзистора по переменному току, его эксплуатационные параметры. Часть электрофизических и геометрических параметров при расчёте задаётся исходя из соображений номенклатурного порядка. В конце расчёта выбирается тип корпуса транзистора. В итоге должны иметься все геометрические и электрофизические параметры, необходимые для исполнения конструкторской и основной части технологической документации. Особенно это касается состава диффузантов, навесок и припоев. 5.1 Действующая толщина базы определяется соотношением (1). Задавшись величиной перепада концентраций примеси на границах базы х=200, выразим среднее значение концентрации примеси на границах базы по формуле (3). Коэффициент передачи тока можно записать как: a 0 = g 0 c 0 a * (16). Далее, рассчитываем коэффициент инжекции g 0 : g 0 =1 Добавив к нему 250 мкм находим с с = (250 + 150) * 10 -4 = 400 * 10 -4 см 1. Зарядная емкость эмитерного перехода. C зэ и величина поверхности эмитерного перехода S э : Эмитерный переход резкий, поэтому: C зэ = S э Размеры металлических выводов определяются величиной S э и и глубиной вплавления электрода в кристалл h э : R э = - h э + Задача: определить диффузионное и омическое сопротивление коллектора. Для плавного коллекторного перехода: Определив величины зарядных емкостей переходов и сопротивлений ЭС, зная время пролета базы ННЗ можно найти величину f a : f a = [2 p (t пр + С зэ r э + С зк r б ’ )] -1 (36), где, r э =1,438889, С э =1,677762 * 10 -11 f a = 103,7305 МГц. Найдём величину максимальной частоты генерации, воспользовавшись выражением (37): f max = Рассчитаем граничную частоту коэффициента передачи тока в схеме ОЭ по формуле (38) Тепловое сопротивление транзисторной структуры R TСТ : R T = R T СТ + R T к (47). R T находим из формулы (46) R T = D T / Р к = 0,783334 К/мВт. D T = T k.max – T окр.ср = 70 – 25 = 45 о . Из соотношения (47) находим R TСТ : R T СТ = R T - R T к = 0,683333 К/мВт. 2. R TСб = Основание включает в себя: фланец, изолятор и выводы. Баллон представляет собой чашечку с буртиком. Для маломощных биполярных транзисторов наиболее подходящие металостеклянные корпуса типов КТ-1 и КТ-2. Корпус КТ-1, металлостеклянный, герметизируемый электроконтактной сваркой. Фланец основания представляет собой металлическую чашку, заполненную стеклом (изолятор), через которое проходят выводы, имеющие буртик для герметизации электроконтактной сваркой. Корпус имеет корпусной вывод, который приварен ко дну фланца. Баллон корпуса представляет собой полый цилиндр с дном, который надевается на наружный диаметр чашки фланца. Такая конструкция полностью гарантирует отсутствие попадания выплесков при сварке внутрь рабочего объема корпуса. Данный корпус обладает высокой надежностью за счет удачной конструкции металлостеклянного изолятора, имеющего большую протяженность спая, и относительно большого объема стекла, размещенного внутри полого металлического фланца, фланец корпуса и выводы изготавливаются, как правило, из сплава 29НК (ковар), стекла марки С48-2. Заготовка стекла представляет собой таблетку с отверстиями. Баллон изготавливается из стали или никеля. Металлические детали корпуса в зависимости от типов транзисторов, для которых может быть применен этот корпус, покрываются никелем или золотом, а наружные концы выводов облуживаются. Сам корпус после герметизации для защиты от внешних климатических воздействий может иметь гальваническое или лакокрасочное покрытие. В этом корпусе как у нас, так и за рубежом выпускается много типов маломощных транзисторов с рабочими частотами до 1,5 ГГц, предназначенных как для бытовой, так и для специальной аппаратуры. Возможность монтажа в корпусе планарного или сплавно-диффузионного перехода, то есть кристалл припаивается коллекторным выводом непосредственно к фланцу, и корпус является коллекторным внешним выводом. При этом максимальные размеры кристалла могут быть 1,8х1,8 мм. Конструкция корпуса позволяет производить напайку кристалла как мягкими припоями, так и эвтектическими припоями золото-кремний и золото-германий. Возможность монтажа кристалла, когда необходимо, чтобы он был электрически изолирован от корпуса или когда необходимо иметь малые значения емкости коллектор - база С к . В этом случае напайка кристалла производится непосредственно на один из изолированных выводов корпуса, конец которого расплющен и лежит на стекле изолятора. Это позволяет иметь значение С к в корпусе около 0,3 пф. Конструкция этого корпуса позволяет удобно монтировать транзистор в аппаратуре. Наличие гибких выводов и строгая цилиндрическая форма баллона позволяет монтировать транзистор непосредственно на печатную плату или фиксировать его в специальном гнезде. Кроме того, строгая цилиндрическая форма баллона позволяет надевать в случае необходимости специальный теплоотводящий элемент, улучшая тем самым отвод тепла от прибора и увеличивая рассеиваемую мощность транзистора. Корпус КТ-2, (TO-5 - зарубежное обозначение), металлостеклянный, герметизируемый электроконтактной сваркой, аналогичен по своей конструкции корпусу КТ-1 и имеет только несколько большие размеры. Его конструкция обладает такой же надежностью, отличается такой же простотой и технологичностью конструкции, как и корпус КТ-1. В этом корпусе можно монтировать все существующие типы переходов маломощных транзисторов, а также кремниевые транзисторы средней мощности (до 5Вт) при условии использования дополнительного теплоотвода. Возможность монтажа в корпусе планарной или сплавно-диффузионной структуры показана, когда кристалл своим коллекторным электродом напаивается непосредственно на фланец основания. При этом кристалл может иметь максимальные размеры 3,5 х 3,5 мм. Возможность монтажа в корпусе планарной или сплавно-диффузионной структуры, когда ее необходимо электрически изолировать от корпуса. В этом случае кристалл напаивается на один из изолированных выводов, конец которого расплющен. Вариант монтажа в этом корпусе славного перехода с кристаллом размером 2,6х2,6 мм с помощью кристаллодержателя. Этот корпус, так же как и КТ-1, удобен для монтажа в нем всех типов кристаллов, монтажа транзисторов в аппаратуре, позволяет легко надевать на цилиндрическую часть баллона дополнительный теплоотвод. Данный корпус нашел широкое применение за рубежом как для маломощных и средней мощности (до 5 Вт) транзисторов, так и для интегральных схем. |
Подобные работы
Расчёт и проектирование маломощных биполярных транзисторов
echo "Торопчин В. И. САРАТОВ 1999г. Оглавление. TOC o '1-3' h z Оглавление. .................................................................................................... PAGEREF _Toc469756976
Триоды. Устройство и принцип действия
echo "Объектом управления является пространственный заряд электро нов, эмиттированных катодом. Степень влияния определяется расстоянием соответствующего электрода к катоду. Управляющая сетка располо
Многокаскадные усилители
echo "Суммарный фазовый сдвиг, вносимый усилителем, равен сумме фазовых сдвигов каждого каскада. Сквозной коэффициент усиления K общ = k вх K общ где k вх = Z вх /(Z г + Z вх) – коэффициент передачи
Двухзеркальная антенна по схеме Кассергена
echo "Двухзеркальня антенна по схеме Кассегрена представляет собой систему состоящую из двух отражающих поверхностей – софокусных параболоида и гиперболоида – и облучателя, установленного во втором фо
Радиорелейная связь
echo "Развитие многоканальной радиорелейной связи относится к началу 40-х годов, когда появляются первые 12-канальные радиолинии, использующие тот же, что и для кабельных линий, способ частотного разд
Технология соединения деталей радиоэлектронной аппаратуры
echo "Кстати, не надо путать температуру припоя с температурой жала паяльника, для которого рекомендуется в среднем 315°С. Дело в том, что тепло в соединение передается не мгновенно, поэтому для подде
Влияние гистерезиса и вихревых токов на ток катушки с ферромагнитным сердечником
echo "Площадь, ограниченную контуром 3-4-5-3, нужно считать отрицательной. Энергия, пропорциональная этой площади, возвращается источнику. На участке 5-6-7 петли гистерезиса напряженность поля и прир
Диффузионные процессы в тонких слоях пленок при изготовление БИС методом толстопленочной технологии
echo "Причем только недавно были созданы экспериментальные методы , позволяющие изучать эффекты переноса вещества в столь малых пространственных масштабах. Основная цель доклада рассмотреть диффузион