Ім'я файлу: Лаб №5 Формирование биполярного транзистора методом диффузии_00
Розширення: docx
Розмір: 119кб.
Дата: 22.01.2021
Пов'язані файли:
Алергічні_захворювання_методичка_4_к.docx
Лаб №5 Формирование биполярного транзистора методом диффузии_00

Лабораторная работа N•.5. Формирование биполярного транзистора с помощью диффузии



Теоретическая часть
При формировании структуры биполярного транзистора необходимо создать два p-n перехода. Схема дискретного вертикального биполярного транзистора, сформированного по стандартной планарной технологии, показана на рисунке 1. Такой транзистор можно сформировать, например, если в кремний ввести сначала акцепторную примесь, а затем донорную примесь.
Al




Рисунок 1 Схема биполярного транзистора, сформированного по стандартной планарной технологии
Так как донорные и акцепторные примеси диффундируют в полупроводник с различными скоростями, можно, создав надлежащую поверхностную концентрацию этих элементов, получить электронно-дырочную структуру пугем одновременной диффузии обоих элементов из паровой фазы. Так, в германии при одинаковой температуре донорные примеси имеют большие коэффициенты диффузии, чем акцепторные примеси из того же ряда периодической системы. Например, коэффициент диффузии мышьяка при 845° С равен 4-10 ' ' си’/сек,а индия 4-10 '2 см’/сек.Поэтому при одновременной диффузии мышьяка и индия в германий дырочной проводимости с необходимым удельным сопротивлением получаются p-n-pструктуры.

Для получения диффузионньт переходов в кремнии, наряду с методом одновременной диффузии примесей, например, из соединений II I—V групп, применяют метод последовательной диффузии донорные и акцепторные примесей или их сплавов или соединений, в особенности окислов.

Первый метод, хотя и отличается простотой, не допускает раздельного регулирования концентрации примесей или температуры. Поэтому обьтно предпочитают второй метод, допускающий раздельное регулирование концентрации и температуры. Сначала в полупроводник вводят медленно диффундирующую примесь (донор), так как иначе будет трудно управлять распределением быстро диффундирующей примеси (акцептора). Для лучшего контролирования процесса нужно, чтобы оба примесньт элемента присутствовали в полупроводнике только во время второй диффузии. В том случае, когда можно задавать концентрации независимо от температуры, проведение обоих диффузионных циклов при различньп температурах обеспечивает больиіую гибкость процесса. Даже когда коэффициенты диффузии донора и акцептора одинаковы, то можно управлять процессом путем различной продолжительности первого и второго цикла.

Как уже упоминалось, в случае многокомпонентных систем полагают, что каждая примесь диффундирует независимо от другой. Это согласуется с опытными данными. Чтобы показать соотношение между концентрациями примесей в пол упроводнике при различных коэффициентах их диффузии и поверхностных концентрациях, рассмотрим одновременную диффузию двух примесей при постоянных поверхностных концентрациях Cs. Распределение примесей для этого случая показано на рисунке 2. Концентрация донора представлена кривой CD. Предполагается, что донор более растворим и менее подвижен, чем акцептор (кривая САМ. Прямая C°D соответствует постоянной концентрации донора в исходном полупроводнике.

Первый p-n переход bi возникает, когда кривая, отвечающая суммарной концентрации донора CD+C°D, пересечет акцепторную кривую, а второй переход bz, когда кривая Сл пересечет прямую C°D. Зависимость разности концентраций CD А от расстояния показана для этого случая на рисунке 2, а. Наклон кривой CD-C л--f(x) в р-области или в базовой области характеризует внутреннее электрическое поле, возникающее в базовой области транзистора. Это поле ускоряет перемещение электронов к переходу Ьz в той части базовой области, которая лежит правее минимума на кривой; наличие такого поля является одним из важных преимуиtеств диффузионных структур. Тормозящее поле, которое имеется в левой половине базовой области, должно быть возможно меньшим.




Рисунок 2 Распределение примесей при одновременной диффузии донора CDи акцептора Слв

полупроводник с исходной концентрацией донора Со (а) и зависимость разности концентраций

CВA ОТ глубины (б): p-n переводы возникают на глубине biи b2от поверхности.
Базовую диффузию обычно осуществляют в две стадии: первая стадия стадия загонки, вторая стадия стадия разгонки. Стадию загонки проводят в течение короткого времени, при этом количество примеси cтpom регламентируется. Распределение концентрации примеси описывается егfс-функцией:

С(х)——Czerfc

2

Концентрация примесных атомов, введенных во время первой стадии описывается выражением:

Q —„С

где Д — поверхностная концентрация введенной примеси;

поверхностная концентрация примеси при загонке;

D t , (2)

D1коэффициент диффузии примеси;

ti время загонки примеси.

Вторую стадию проводят более длительное время, а распределение примеси при этом подчиняется экспоненциальному распределению:

exp(— ) ,

4 • D 2 ' z

где Dзкоэффициент диффузии примеси при разгонке;

t— время разгонки примеси.

Глубина залегания p-n перехода рассчитывается с помощью выражения:

Х 2 (4)
где С-,концентраіщя примеси в исходном полупщводнике.

Диффузию эмиттерной области обычно проводят из источника с постоянной поверхностной концентрацией, поэтому распределение примеси описывается егfс-функцией:


(5)

где коэффициент диффузии эмиттерной примеси;


ts

время диффузии эмиттерной примеси.


Глубина залегания эмиггерного р-п перехода определяется точкой инверсии типа проводимости.

Для расчета глубины залегания p-n перехода необходимо решгіть уравнение


С(х)+С,-Co (•) (6)

Точный расчег в аналигическом виде весьма затрудиителен, поэтому в работе глубина залегания p-n перехода вычисляется численным меюдом.


Одним из важньт параметров биполярного транзистора является максимальная концентрация примеси в базе и глубина ее залегания. Эти параметры рассчитываются тame численным меюдом..

C2 ( )+ С, —- С ( )

При расчете распределения концентрации базовой примеси и определении положения р-п переходов необходимо учесть перераспределение примеси в базовой области при диффузии эмиттерной примеси. При многократном воздействии на полупроводник повышенной температуры в расчете используется эффективное значение произведения Dt:

Dtqp¿ —— D t + D t + Dz -t. (7)
Как и в лабораторной работе № 2 при проведении диффузии следует учесть, что максимальная поверхностная концентрация легирующей примеси не может превышать ее максимальную растворимость в кремнии. Распределение концентрации примесей после проведения всех стадий диффузии показано на рисунке 3.





Рис. 3.3. Распределение концентрации примесей в p-n-p транзисторе.

Порядок выполнения работы




Констаты




Коэффициет диффузии В при 1200 С

Do В := 0.76

С





Коэффициет диффузии As при 1200 С


DoAs := 20




С





Энергии активации диффузии для В


EaB := 3.45


эВ


Энергии активации диффузии для As


EaAs := 4.1


эВ

Пов ерхностная концентрация В

No i := 3 1 0'


СМ



1 Создать в MatchCAD файл «Формирование биполярного транзистора». 2 Ввести необходимые константы

3



Пов epхностная концентрация As


ОНЦИ HTQd ЦИЯ IIQ ИМЖИ В ИС ХО ДНОМ i

Максимапь ная растворимость В в S i

Максималь ная PacтвoPимOcть As в Si

Rостоя нная Больцмана

1

NO . 1J

T

СМ

Nc .= i 17 1


0
MB := 4 1 20 1

СМ

MAs := 2 U



СМ
k := 8.625 10*’ ’‘

к

Введите тем пер а туру и время диф ф узи й



Загонка бора

Разгонка бора

Т := 273 + 1 100

t := 60 15
T2 = 273 + 1200

t2 '= 60 60


Т3 := 273 + 1 200 К

t3 := 60 15 с

  1. ПроВести МоделироВание раЗлиННых сТадий фО МИрОВаНия ТраНЗисТОра, следующиМ обраЗоМ:

1-я стади я - зar онка В



D(T) := DoB

D Т ) 1. 6923 1 0 1 3



N1(x) := No 1 erf if No < MB

MB 1 erf otherwise

Коли чество прu месн ых атомов
Q := No D Т t if No < MB

1 I I I
MB D Т t otherwise



N2(x) =


  1. я стадия - разгонка В




ех



  1. я стадия - диф фузия As



D$T2) 1. 223a 1 0



DAs(Т) := DoAs

EaAs

Р 6

D3 := DAs Т

-k Т

D3 = 1 .93х 1 0 1 3

:- 0, 1о

. 10 '

N3(x) := No-3 1 erf if No3 < MAs
MAs 1 erf otherwise



  1. ПОстрОиТь график распределеНия коНцеНТрации приМесей В пОЈІ ОВОQНике На

разЈіИН НБІХ еТа,QиЯХ.

  1. NOcT ОИТЬ ИТОFОВЫН II Офиль распределеНия коНцеНТрации приМесей В креМНиИ.

F1(x) := N3(x) N2(x) + Ne|

  1. ПOcT ОИТь графиК ОТношения КоНцентраций донороВ и аКцепторОВ.

N2(x) N3(x) + Nc

  1. РаСсНиТаТь МаКсиМПЈlЬНую коНцеНТрацию приМеси В базе и глубиНу ее залегаНия

DK(x) d К(х)

dx
х:= 8 1 0 хЗ:= root(DK(x) , х) хЗ = т F1(x3) = т

  1. Рассчитать глубину залегания эмишерного р—п перехода.




  1. Рассчитать глубину залегания коллекторного p-n перехода.



x2:= 2 D Т t + t

232

  1. Рассчитать ширину базы xl—x2

i i Сформировать биполярный транзистор с требуемой шириной базы и эмиггера используя раздельную диффузию заданных примесей (таблица 1).
Таблица 1


№ варианта

Примесь

Концентрация примеси, см

Ширина, мкм

базовая

эмиттерная

Максималь—

ная в эмишере

1

в исходном

кремнии

базы

эмиттера

1

В

Р




101a

1,5

1

2

Р

В

5x10"

10

1,5

1

3

В

As

5xl0"

10"

0,5

1,5

4

As

В

10“'

10"

0,5

1

5

В

Sb

8x10"

10

1

1

6

Sb

В

5xl0"

10"

1,5

0,5

12 Занести в отчет все полученные результаты и графики.

Контрольные вопросы

l. Какие примеси являются донорами, а какие акцепторами в кремнии?

  1. Как сформировать биполярный транзистор с помощью диффузии примесей?

  2. Чем определяется положение p-n переходов в биполярном транзисторе?

  3. Как выглядит распределение концентрации примесей в биполярном транзисторе?



Акцеторы

Доноры

Элемет

Do, см2/с

Ea, эВ

Элемет

Do, см2/с

Ea, эВ

В

5,1

3,7

Р

3,85

3,66

Al

1,385

3,39

As

24

4,08

In

0,785

3,63

Sb

12,9

3,98

Ga

0,374

3,41

Bi

1,08

3,85



Элемент

Максимальная

растворимость,

am/c м’

Температура

максимальной

растворимости, °С




2 10

i 150

в

4 1020

1200

Bi

чтo’

1300

Ga

4 10d

1250

in

i.io"

1300

As

2.102'

1150

Sb

i.io"

1300

Р

і,з. іо2'

i150

скачати

© Усі права захищені
написати до нас