Виды и устройство биполярных транзисторных структур и дискретных транзисторов

Биполярная транзисторная структура - полупроводниковая структура с одним или несколькими взаимодейстсвующими электронно-дырочными переходами и тремя и более выводами, усилительные свойства которой обусловлены явлениями инжекции и зкстракции неосновных носителей заряда. В транзисторных структурах используются носители заряда обоих знаков – электроны и дырки.

По числу p – n переходов различают однопереходные, двухпереходные и многопереходные биполярные транзисторные структуры (транзисторные структуры). Наибольшее распространение нашли транзисторные структуры с двумя p – n переходами и тремя выводами, которые и будут рассмотрены ниже.

Основу транзисторной структуры составляют две диодные полупроводниковые структуры с электронно-дырочными переходами, имеющие общую базовую область. В зависимости от типа электропроводности базовой области возможны два варианта транзисторных структур:

p – n – p и n – p – n. Принцип действия структур одинаков. Однако в дальнейшем в качестве примера будем рассматривать структуру p – n –p, так как для нее направление движения носителей заряда (дырок), определяющих инжекционный ток через эмиттерный переход, совпадает с направлением тока, что позволяет снизить смысловую нагрузку при объяснении физических процессов в структуре.

На рис.1 показаны схемы и условные графические обозначения указанных структур и в качестве примера на рис.1б - распределение концентрации примесей в областях p – n –p структуры. Структуры содержат три области – эмиттер, базу и коллектор, снабженные соответствующими электрическими выводами (Э, Б, К). Переход на границе областей эмиттер – база называется эмиттерным, а на границе база – коллектор - коллекторным. Эмиттерный переход является источником подвижных носителей заряда, инжектируя последние в базу структуры. Коллекторный переход, в свою очередь, экстрагирует (собирает) оказавшиеся около него инжектированные в базу неосновные носители. На схеме обозначены напряжения, действующие между электродами структуры ( , , ), и токи, протекающие через ее электрические выводы, - эмиттера , коллектора и базы

Для реализации усилительных свойств транзисторной структуры необходимо, чтобы инжектированные в базу носители заряда практически без значительных потерь из-за рекомбинации достигали коллекторного перехода и база обеспечивала влияние электрического поля коллекторного перехода на процесс движения (перенос) инжектированных в базу носителей заряда в направлении эмиттер – коллектор. Это становится возможным, если толщина базы будет много меньше диффузионной длины инжектированных носителей заряда, т.е., чтобы << . Кроме того, концентрация примеси в эмиттере должна быть значительно больше концентрации примеси в базе (электропроводность эмиттера больше электропроводности базы), т.е. концентрация >> . В этом случае ток диффузии через эмиттерный переход и соответственно прямой ток будут определяться носителями заряда, инжектированными из эмиттера в базу (носителями, инжектированными из базы в эмиттер, можно пренебречь). Площадь коллекторного перехода, в свою очередь, для эффективного сбора инжектированных в базу носителей заряда должна быть больше площади эмиттерного перехода, а концентрация примеси в коллекторе с точки зрения увеличения максимально допустимого напряжения коллектора, ограничиваемого пробоем коллекторного перехода, зависящим от толщины запирающего слоя, устанавливается меньше концентрации примеси в эмиттере , но больше, чем в базе , т.е. > > .

По характеру распределения атомов примеси базе в направлении эмиттер – коллектор и соответствующим распределению механизму движения через базу инжектированных носителей заряда транзисторные структуры разделяют на бездрейфовые и дрейфовые.

В бездрейфовой структуре концентрация примеси в базе (рис.1б, линия 1) в направлении эмиттер – коллектор распределена равномерно и инжектированные в базу носители заряда движутся под действием градиента концентрации, создаваемой за счет инжекции носителей заряда эмиттерным переходом и экстракции их коллекторным переходом.

В дрейфовой структуре концентрация примеси убывает

в сторону коллектора (рис.1б, линия 2), что приводит к появле-

нию в базе внутреннего электрического поля, способствующего движению инжектированных в базу носителей заряда в сторону коллектора. Появление электрического поля в базе связано с наличием в ней градиента концентрации основных носителей заряда, приводящего к их диффузии в сторону коллектора и образованию возле эмиттера заряда нескомпенсированных атомов примеси. Между этими нескомпенсированными атомами и зарядами, образовавшимися возле коллектора, и возникает внутреннее электрическое поле с напряженностью .

Технология изготовления транзисторных структур и дискретных транзисторов имеет много общего с технологией производства диодных структур и дискретных диодов.

На рис.2 приведены примеры изготовления транзисторов методами сплавления (а), диффузионным (б) и планарно-эпитаксиальным (в).

Рис.3 поясняет так называемый метод двойной диффузии, посредством которого изготавливаются диффузионные дрейфовые транзисторные структуры.

Этот метод дает возможность получить толщину базы порядка 1 – 2 мкм. Он основан на различии коэффициентов диффузии донорной и акцепторной примесей. Например, в исходную пластину Ge типа р вносят путем диффузии сплав двух примесей – пятивалентной сурьмы и трехвалентного галлия. У

сурьмы коэффициент диффузии в 100 раз больше, чем у галлия. При нагреве атомы сурьмы диффундируют быстрее, чем атомы галлия, обгоняют их и образуют область n, а галлий образует область типа р. В результате в кристалле создается структура типа р - n – р с двумя плавными переходами и изменяющейся в базе концентрации примеси, создающей в базе внутреннее электрическое поле .