Главная » Книги и журналы

1 ... 7 8 9 10 11 12 13 ... 24

.V -

j - v-

лавинного раэмножещ1я. Во втором олучае отсутствуют эффекты усиления тока в объеме коллектора; три этом

а*=1, а коэффициент WB называют коэффициентом переноса через барьер (barrier-transit-time factor). Рассмотрим оба этих режима работы в отдельности.

Время пролета носителей через запирающий слой коллектора. Процесс, связанный с умножением носителей заряда в коллекторном запирающем слое, важен не только потому, что происходит усиление тока коллектора, но также и потому, что при сравнимых толщинах базы и запирающего слоя коллектора (т. е. в транзисторах с очень тонкой базой) становится заметным эффект запаздывания коллекторного тока по отношению к току эмиттера также и за счет конечного времени пролета носителей через область объемного заряда коллектора. Это ведет к ухудшению динамических свойств транзистора.

Время пролета носителей через запирающий слой коллектора не может быть меньше определенного значения, так как максимальная скорость движения носителей заряда под действием электрического поля v, ограничивается предельной скоростью насыщения tnm:

(6.47)

Скорость насыщения достигается при приложении к коллектору напряжепня порядка нескольких вольт. Так, если в первом прнблпжеппи принят!*, что внутри запирающего слоя электрическое поле постоянно, то минимальное папряженне, при котором tc - iim, можно рассчитать, зная толщину запирающего слоя по формуле

UcByum= \ E\jWsc-

Для описания процесса пролета поентеля заряда q через запирающий слои коллектора можно воспользоваться моделью процесса пролета носителя заряда между обкладками плоского конденсатора. Силовые линии, исходящие из заряда, оканчиваются на обкладках конденсатора и связывают поверхностные заряды, изменение которых во времени вызывает протекание наведенного тока во внешней цепи.

Величина этого тока может быть рассчитана из следующих соображений. Энергия, получаемая носителем заряда от электрического поля на отрезке dx, равна

qE<ix\ энергий, от-бираемая от источника, равна UnVdt. При однородном поле в запирающем слое наведенный ток равен

(6.48)

на в

Сер W

Если рассматривается движение не единичного заряда,

а переменный ток i,e через запираюищй слой, то

общий заряд, находящийся в единице объема в момент времени t, равен

с'р^ о

(6.49)

где tc - время пробега носителя; to - переменная интегрирования.

Наведенный ток составляет

на в

SC J

(6.50)

Расчет ведет к следующему отношению токов:

ыав

(6.51)

Природа наведенного тока та же самая, что и природа тока смещения, поскольку оба обусловлены изменением во времени потока силовых линий в запирающем слое. Однако наведенный ток может иметь и значительный действительный компонент тока вследствие движения носителя непосредственно через запирающий слой, что и учитывается коэффициентом переноса через барьер. То, что ток, вытекающий из запирающего слоя, имеет другую величину и фазу, следует понимать так, что рассматривается взаимосвязь этого тока и дырочного тока /с^р, втекающего в запирающий слой, и не учитывается дополнительный компонент наведенного тока а также ток базы.

Коэффициент переноса через барьер входит как множитель в общее выражение для коэффициента передачи тока, и его частотная зависимость оказывает влияние на частотную характеристику коэффициента а, ограничивая предельные частоты, прежде всего тогда, когда значение Шс приближается к единице или даже превышает ее. ь современных транзисторах, однако, такие высокие частоты, соответствующие малому времени пролета носи-



z-

телей (4--10i c), встречаются весьма редко. Если же рассматривать область (более низких частот, то из разложения в ряд (6.51) можно получить

(6.52)

т. е. в этих условиях можно учитывать лишь сдвиг по фазе коллекторного тока, обусловленный данным механизмом.

Эффективность коллектора. При протекании большого тока через коллектор р-п-р транзистора дырочный ток fcp вызывает появление в нейтральной области коллектора электрического поля порядка

Е jd, (6.53)

которое, в свою очередь, вызывает появление дополнительного компонента дрейфового электронного тока, пропорционального гоку дырок и направленного из коллектора б базу:

Л t V

(6.54)

Отношение общего тока Ic = Icn-Icp к дырочному составляет

(6.55)

Таким образом, коэффициент передачи тока умножается на величину Л*. Произведение AnA возрастает довольно значительно с ростом температуры независимо от того, какими причинами вызван рост температуры (саморазогревом или внешним нагревом). Для кремниевых транзисторов эта температурная зависимость выражена слабее, чем для германиевых. При определенной температуре произведение Л^Л* становится равным I и возникает опасность того, что транзистор станет неуправляемым прибором (рис. 6.16). Этот эффект наиболее ярко выражен в транзисторах с большим соцротивлением коллекторной нейтральной области (главным образом в меза-транзисторах), да и то при низких частотах. Для сплавных транзисторов этот эффект не играет существенной роли.

ЭффЙй усйле-ния тока в объеме койлёктоа заставляет с особым вниманием относиться к методам обеспечения тепловой стабильности транзистора.

Эффект лавинного размножения. Причиной усиления тока непосредственно в запирающем слое коллектора чаще всего являет1ся эффект ла1винного пробоя (см. § 1.5). Так как максимальное напряжение на транзисторе зависит от применяемой схемы включения, то этот


0С890

0C92i


ОС 87?

О

20 0 60 80

WO f20 бу.Т

Рис. 6.16. Измеиекие коэффициента передачи тока за счет усиления тока в объеме коллекторной области при различных температурах в различных транзисторах.

oc890 - германиевый меэ£~транзистор; ос921 - кремниевый бездрейфовый трлн:истор; ос872 - германиевый безлрейфовый транзистор.

эффект более детально рассматривается во второй части монографии, где подробно описаны эксплуатационпые характеристики транзистора (§ 9.2). Предварительно следует заметить, что эффект умножения носителей заряда оказывает влияние не только на максимально допустимое напряжение на коллекторе, но также и иа коэффициент передачи тока и на ход всей совокупности вольт-амперных характеристик.

Эффект л-йБИНного пробоя протекает с очень малыми постоянными времени и поэтому может быть использован для быстрого переключения при относительно больших токах. Транзисторы, которые предназначены преимущественно для этой цели, называются лавинными.

6.7. Тиристорный эффект

Если в контакте коллекторной области с металлом образуется запирающий слой, то этот слой может иметь внутри себя р-п переход, образовавшийся вследствие инверсии типа проводимости. Таким образом, в целом образуется р-п-р-п структура, причем в этой структуре



второй слой р-тша проводимости (бывшая нейтральная область коллектора) не имеет никакого внешнего электрода.

Если через дополнительный переход протекает ток, то при этом во внутреннюю /-область инжектируются электроны, которые после прохождения коллекторного перехода в конце концов попадают )В пнбазу. Легко понять, что IB этом случае отношение первоначального дырочного тока к общему будет больше, чем 1 (т. е. А^>

>1).

Этот эффект не всегда приводит к переключению транзистора (В неуправляемое состояние, но всегда создает неста'бильность рабочей точки и характеризуется наличием изломов на семействе вольтамперных характеристик 1с{Усе)- в оиределенных областях этого семейства наблюдаются падающие характеристики.

6.8. Видоизменения структуры запирающего слоя коллектора

Предположение, что ширина запирающего слоя коллекторного перехода зависит только от приложен hoi о напряжения, справедливо при широких по сравнению с толщиной базы запирающих слоях (некоторые дрейфовые транзисторы, меза-транзисторы, транзисторы с эпитаксиальным слоем) и становится несправедливым при больших плотностях токов.

Область объемного заряда коллектора обычно образуется ионами примесных атомов, внедренных в кристал-пическую решетку и расположенных по обе стороны от геометрической плоскости перехода от одного типа примесных атомов к другому. Поэтому при расчете параметров этой области в уравнении Пуассона пренебрегается концентрацией подвижных носителей заряда (р, п) по сравнению с Л^л и Л^л-*

Njx)].

Но если учесть плотность тока носителей (дырок), протекающих через запирающий слой,

Sp = qvjpp,

то можно предположить, что при неизменной дрейфовой скорости движения носителей заряда в каждой точке запирающего слоя будет стационарно поддерживаться

шрщттщя концентрация дыррк, и уравнение Пуассона приббретает ©ид

(6.56)

гдеЛ(л;) = Jd{x)-Na{x).

Таким образом, плотность объемного заряда является функцией тока и координаты. Для оценки минимального подлежащего учету значения коцентрации дырок, переносимых током, предположим, что дрейфовая скорость этих дырок во всех тачках равна предельной скорости iiim~6*10 см/с. Тогда на основании соотношения

р

qviimN (х)

(6.57)

можно составить следующую таблицу:

р, А/см 10 100 1000 ЮООО

/V, см 1013

10*4 10*5

Для получения малой зарядной емкости коллектора и большого запирающего напряжения концентрация примеси в современных транзисторах не должна превышать 10 см~ а в обычном режиме вполне реальны плотности токов порядка 10- А/см; как показывает таблица, в этом случае уже нельзя пренебрегать коппентрацнен свободных носителей заряда.

В принципе, хотя бы ориентировочно, можно провести расчет структуры запирающего слоя коллектора с учетом подвижных носителей. Однако мы воспользуемся для качественного объяснения лишь моделями, представленньшй на рис. 6.17, которые характеризуют структуру коллектора энитаксиального транзистора. Сначала при малых плотностях токов (Л^(л:) >5р/удр) концентрацию подвижных носителей можно не учитывать. Тогда положительный объемныйзаряд сосредоточивается в п-области, а отрицательный - в широком эпитаксиальном слое. На границе раздела электрическое поле имеет максимум. По мере роста плотности тока дырок отрицательный объемный заряд в эпитаксиальном слое все больше и больше компенсируется зарядом ды-



pOTc. Отрицательйьй объемный заряд двойного слоя; в основном сосредоточивается на краю коллекторной области, а в эахитаксиалшом же слое, постепенно освобождающемся от объемного заряда, электрическое поле будет постоянным. При далынейшем увеличении тока в конце концов положительная часть области объемного заряда продвигается все дальше вправо, а ширина базы увеличивается при это'м на величину tsW.

Область базы

j Обла сть I коллектора



1 he

I Зпитак-сиальнь/й слоЛ


>

Piic. П, 17. Видоизменения структуры запирающего слоя коллектора ilnnакснллг.ного транзгготора под влиянием коллекторного тока:

о) 1)!С1ределгм:1!С плотности объемного з?-ряда: (V) p;iCi]-.cje;i4n:0 элсктрнч.ского поля.

В прби/ЬШ диффузий ат<Шав примесей в р-о^ласть при создании эмиттерной /г-области п-р-п транзистора базовая область под плоскостью эмиттера вытесняется в направлении к коллектору и тем самым на некоторых участках обла1сть объемного заряда коллектора уменьшается (рис. 6.18) (emitter-dip-effect).

Рис. 6.18. к пояснению эффекта вытеснения базы эмиттером (emUter-dip-

effect).


Эффект вытеснения базы

Для объяснения этого аномального диффузионного явления имеется ряд гипотез, однако удовлетворительного объяснения все еще нет. Весьма вероятным представляется объяснение, основывающееся на представлении об аномально быстрой диффузии бора при высоких концентрациях его вблизи коллектора. Вследствие про-явле1шя этого эффекта снижается npooniuioe напряжение коллектора.

Зависимость ширины базы от тока в режиме высоких плотностей тока приводит к тому, что диффузионная емкость коллектора будет зависеть от тока (аналогия ; эффектом Ирли) и, кроме того, граничная частота Ihfh также будет зависеть от тока.

6.9. Эффект вытеснения базы эмиттером

В кремниевых планарных п-р-п транзисторах в последнее время было обнаружено новое явление, которое характеризуется следующими закономерностями:

;0б




рабочие teWne:}iaTyj)M до §dd**C, хотй из-за меньшей подвижности носителей (лри одной и той же теометрии) они будут иметь худшие чаютотные характеристики, чем германиевые, как это показа1но на рис. 7.1 на примере максимальной частоты генерации /макс- Замена структуры р-п-р типа на п-р-п не дает существенного улучшения частотных характеристик; эти структуры различаются главным образом из-за технологических методов изготовления. Значительное распространение транзисторов а основе кремния однозначно связано с расирост-

1000


Рис. 7.1. Зависимость от температуры максимальной частоты генерации /макс транзисторов, изготовленных из различных полупроводниковых материалов.

Во псех случаях в расчетах принималось, что ширина базы W = I мкм, а кочцентрация примесных атомов (доноров)

-5 10 см-\

200 О,

ранением планарнои технологии, с возможностью создавать на поверхности полупроводника (Si) стабильный защитный слой Si02.

Попытка создать из элементов IV группы соединение с большой шириной запрещенной зоны привела к появлению карбида кремния (AU2,8 эВ), который является с этой точки зрения вполне подходящим материалом для создания транзисторов, хотя его частотные свойства (выраженные через максимальную частоту генерации) не особенно удовлетворительны (рис. 7.1).

С этой точки зрения обнадеживающими представляются полупроводниковые соединения элементов HI и V групп периодической системы, так называемые соединения АщВуу которые имеют высокую подвижность (InSb), большие диффузионные длины (GaAs, InP) при сравнительно большой ширине запрещенной зоны (AWoaAs


1,35 э1В;а#х*1р =11 эВ). Й'йфй^ййс'гф полупроводииков должны иметь более высокие значения рабочих температур и пряничных частот, однако эти приборы находятся пока в стадии разработки.

Серьезной проблемой для транаисторов на основе GaAs является относительно малое время жизни носителей заряда (<1 не), несмотря на то, что подвижность в GaAs выше, чем в Si. Этот недостаток арсенида галлия приводит к необходимости создавать очень узкую Ш1црину базы, что увеличивает опасность появления прокола.

В настоящее время уже известны GaAs-транзисторы, изготовленные в виде меза-транзисторов, планарных р-п-р и п-р-п транзисторов, образованных в результате двойной диффузии.

Карбид кремния, представляющий интерес с точки зрения температурных свойств, занимает среди активных полупроводниковых материалов второстепенное место, хотя имеются сведения и о полупроводниковых прибо-:)ах, выполненных на его основе.

В качестве легирующих веществ при создании транзисторов чаще всего применяются In, Ga, AI, В (как акцепторы) и Р, As, Sb (как доноры), причем для создания германиевых р-п-р iраизисторов наиболее широко распростра}1еп индий.

Для получения высокого коэффициента инжекцин, особенно при больших токах, применяются сплавы In-Al-Ga, In-.s для р-п-р и РЬ-As для п-р-п транзисторов.

Необходимо отметить, что при производстве транзисторов применяются многочисленные вспомогательные материалы. Однако по этому вопросу необходимо обратиться к специальной литературе.

7.2. Методы изготовления транзисторов

Если рассмотреть методы изготовления с физической точки зрения, то можно сделать вывод, что механизмы внедрения в полупроводник с контролируемым распределением в пространстве концентрации атомов примеси связаны: с расплавлением и последующей кристаллиза-цней с захватом атомов примеси основной решеткой; с диффузией примесных атомов в решетку при высоких температурах из твердого, жидкого или газообразного

И* 2И






- - f-

/

Л J -

СОСТОШИЯ и с ионной имплантацией (метод внедре-ния атомов примеси в решетку в процессе ионной бомбардировки полупроводника).

В техническом аспекте различают: методы вплавления, методы диффузии, методы вытягивания из расплава *>, электрохимические методы *>.

Часто встречаются также комбинированные методы (табл. 7.1).

В последнее время для изготовления высокоомных слоев были применены методы эпитаксии. Кроме того, недавно были предприняты успешные попытки получить легированные слои при бомбардировке ионами поверхности полупронодника и вообще применить электронно-ионную технологию для изготовления транзисторных структур с очень малыми размерами. Широкое распространение этих новых методов связано с возможностью решить как технические, так и экономические проблемы.

Метод вплавления. Этот широко распространенный метод применяется для изготовления р-п-р и п-р-п транзисторов. Например, в случае р-п-р структуры он состоит в том, что в топкую пластинку германия п-типа (для определенности с однородным распределением примеси и проводимостью x0,l-f-2 Ом--см-*) с обеих сторон вплавляются столбики индия при температуре выше эвтектической (400 ~ 500 °С). Исходный кристалл ориентирован в направлении плоскости (111), чтобы обеспечить плоский фронт расплава, продвигающегося в кристалл. Непосредствеппо на границе индия и германия образуется сплав Ge-In, который проникает в кристалл на такую глубину, чтобы между двумя фронтами расплавов получить как можно более узкую область /г-типа (будущая база) исходного материала. Индий, находящийся в расплаве, диффундирует в очень малом количестве через границу между жидкой и твердой фазой в исходный материал, так что, строго говоря, р-п переход будет расположен не на границе двух фаз, а несколько сдвинут в глубь исходного полупроводникового материала. Так как скорость расплавления велика и весь процесс вплавления весьма чувствителен к колебаниям температуры, то можно считать, что минималь-

v v-

В настоящее время эти методы практически ие применяются для создания транзисторов и представляют лишь исторический интерес, поэтому соответствующие разделы немецкого оригинала в русском переводе не представлены.-Прим. перев.

t *-

Ъ




HM топШт слШЩг^Ш л-обласГй, которая может быть достишутл при разумных расходах на разработку технологии, составляет 10 мкм.

После достижения требуемой толщины слоя -результат выполнения определенной програм'мы процесса (температура- время) -процесс шлавления сменяется процессом, охлаждения. В системе из двух веществ Ge - In прежде всего кристаллизуется германий, начиная от /г-области (см. диаграмму состояния ннднй - германий), причем в процессе охлаждения кристаллизующпйся гер-

£ В с





Рис. 7.2. Распределение концеп-траций прртмесиых атомов в областях германиевого сплавного п-п-р транзистора.

маний одноиременно захватывает небольшие количества индия, которые встраиваются в решетку германия и становятся акцепторами. Непосредственно к рекристалли-зующемуся слою примыкает жидкий индий, который, охлаждаясь, продолжает отдавать определенное, увеличивающееся от границы раздела двух фаз количество атомов в тонкий рекристаллизоваиный слой германия. Это ведет к зависимости концентрации акцепторов от координаты, пока, наконец, после полного затвердевания в твердой фазе остается только индий.

Схематически этот процесс затвердевания представлен на рис. 7.2, на котором показан профиль распределения концентрации примесных атомов. Оба относительно низкоомпых рекристаллизованных слоя образуют эмиттерпую и коллекторную области будущего транзистора, а примыкающий к ним слева и соответственно справа индий (металл с малым удельным сопротивлением) - образует металлические электроды к р-обла-стям. Строго говоря, вследствие диффузионного проникли

новения атомов ийдйй в impstbjiem П-гЬрив.Шя вблйзй переходов Е-В и С-В воз1НикаЮт диффузионные слои; однажо поскольку область диффузии простирается на расстояние неаколькнх постоянных решетки, практически ею можно пренебречь. Зависимость концентрации акцепторов от координаты в эмиттере и в коллекторе существенной роли не играет, так как )в этих областях ток дырок переносится преимущественно за счет дрейфа. Такая транзисторная структура, снабженная соответствующими внешними электродами, в принципе гото-



Рис. 7.1 Д^пкрофотографпм вертикального шлифа р-п-р транзисторов при 120-кратном увеличении:

а) качестоенное вплавление (равномерная л-база между р-оОллсглми); 110 удовлетворительное оплавление (пера оно Мерная база).

ва к действию. Вопрос о геометрии структуры эмиттер-база - коллектор будет рассмотрен ниже (§ 7.8). Транзистор, изготовленный в этом процессе, называется сплавным транзистором.

На рис. 7.3 показаны фотографии шлифов различных транзисторных структур - хорошо отработанного (пло-скопараллельность границ запирающих слоев!) и плохо отработанного процесса оплавления.

Сплавные транзисторы->югут быть изготовлены в виде р-П'р и П'р-п структур. Вследствие простоты технологии изготовления преимущественное распространение нашли германиевые сплавные транзисторы р-п-р типа.

Другим преимуществом сплавных транзисторов является высокий коэффициент инжекции эмиттера, обеспечиваемый резкой несимметричностью эмиттерного р-п перехода. Недостаток же их связан с относительно боль-



шой величиной зарядной еми^остй юоллектбра, taid<e с невысоким частопным пределом (/i-10 МГц).

Следует заметить, что аплавление чистого индия не всегда гарантирует (высокий козффиднент инжекции (особенно при высокой плотности тока), так как предельная растворимость индия в германии ограничена величиной 10 -IQis см . Чтобы улучшить этот параметр, для вплавления применяются, как было указано, сплавы индия с галлием или алюминием.

Дополнительные технологические трудности связаны с различием термических коэффициентов линейного расширения материала базы и легирующего материала. Эти трудности частично устраняются введением в электродный сплав специальных добавок.

Следует отметить, что профилем распределения концентрации атомов примеси, подобным изображенному на рис. 7.2, обладает и транзисторная структура, изготовленная при диффузии атомов в кристаллическую пластинку с двух противоположных сторон.

По методу изготовления она относится к диффузионным транзисторам, а ее принцш! действия подобен принципу действия сплавного транзисгора.

Существенное отличие, однако, заключается в том, что поскольку эмиттерный и коллекторный переходы не резкие, а плавные, вблизи эмиттерного перехода возникает тормозящее поле, ухудшающее частотные свойства таких транзисторов.

Диффузионные методы. Вал^нейший современный метод, применяемый для изготовления качественных высокочастотных транзисторов, основан на диффузионном способе внедрения примеси в решетку, происходящем при высоких температурах. Диффузионный способ имеет разновидности, связанные с тем, в каком агрегатном состоянии находится диффузант: твердом, жидком или газообразном, но во всех случаях диффузия идет в направлении убывания концентрации.

Если обозначить через iV(x, 1) концентрацию атомов примеси в точке х в момент времени а через D - коэффициент диффузии этих атомов, вообще говоря зависящий от температуры, но при обычно встречающихся малых концентрациях не зависящий от концентрации, то уравнение, описывающее диффузионный процесс, примет вид

(7.1)

Это - так называемое диффуз1иовное уравнение для одномерного процесса. При соответствующем выборе различных цраничных и начальных условий можно получить целый ряд решений этого уравнения, описывающих профиль распределения концентрации атомов примеси, причем наиболее распространенные в практике случаи описываются с помощью дополнительной функции ошибок Гаусса. Так, если диффузия протекала при постоянной температуре в течение времени t, а концентрация диффундирующей примеси на поверхности поддерживалась равной jV(0), то выражение

N(x)N (0) erfc

2]/D7

(7.2)

описывает профиль распределения концентрации примес-иь1х атомов. Такой профиль распределения получается преимущественно при диффузии из газовой или ж 1дкси

(Ьазы.

Рис. 7.4. Зависимость от координаты концентранин атомов примеси N{x).

Координата х отсчитывается от поверхности; - время диффузии.


На рист 7.4 показана серия графиков распределения концентрации примеси, соответствующих различным температурам, при условии, что как в момент времени /==0, так и в последующее время концентрация диффундирующей примеси была равна jV(0). Время диффузии 1т), обеспечивающее получение диффузионных слоев малой толщины, даже при высоких температурах очень велико (порядка нескольких часов), так что с помощью соответствующей программы температура - время с высокой точностью на относительно большой площади могут быть изготовлены тонкие (порядка нескольких микрон) слои, хотя, конечно, при этом некоторые другие




свой<5ва 1полуа1рет©Й1 (напртмер, время жизни не-оановных ноюителей) воздействием высокой температуры могут быть несколько ухудшены.

.Диффузионные фронты концентрации примесей, проникших в кристалл, очень равномерны, гораздо равномернее, чем фронт примеси концентрации расплавлеп-ного вещества; больше того, фронт диффузии не определяется ориентацией кристалла, что позволяет получать исключительно плоские р-п переходы.

Важнейшим преимуществом диффузионных методов является возможность управлять профилем распределения концентрации в базе-транзистора, что в связи с тео-ретическимп предпосылками, обоснованными Кремером и Ирли, создает основу для создания современных высокочастотных транзисторов.

Так, например, в комбинации с методом сплавления можно создать транзисторы:

- диффузионно-сплавные (первоначально проходит диффузия в базу, а затем вплавление контактирующего материала, создающее одновременно эмиттер) [post diffusion-alloyed- (PDA) -transistor];

- сплавио-диффузионные (первоначально идетвплав-ление эмиттера, а затем из эмиттера идет диффузия в базу, создающая необходимый профиль распределения концентрации примеси) [post alloy-diffused- (PAD-)transistor].

Наряду с методами, связанными с одинарной диффузией, часто встречаются (преимущественно при изготовлении меза- и планарных транзисторов) методы двойной и тройной диффузии.

Двойная диффузия может протекать: одновременно, ступенями (одна диффузия за другой), двухстадийно, при прямой и обратной диффузии.

Метод изготовления п-р перехода за счет прямой диффузии иллюстрируется рис. 7.5. Приведенное распределение основано на том предположении, что коэффициент диффузии акцепторов значительно меньше, чем коэффициент диффузии доноров, так что во время процесса доноры внедряются в кристалличес*кую решетку, в то время как акцепторы практически не испаряются из нее за счет обратной диффузии.

Однако легко представить себе и такой случай, когда примесные атомы испаряются из пластины полупроводника (метод обратной диффузии).

I..


При двойной диффузии (рис. t.) в мОйоК|)йстйЛЯ, содержащий, например, доноры, одно®реМенно диффундируют два сорта примесных атомов - доноры (в большем количестве) и акцепторы, так что вследствие раз-

Рис. 7.5. Образование диффузионного Р'п перехода при одинарной диффузии примесных

атомов.

в исходный материал р-типа проводимости (концентрация акцепторов Л^ 4о* диффундируют донор-

ные атомы из диффузионного источника, находящегося на поверхности полупроводника; Л^, - концентрация доноров V поверхности; Njyix) - распределение концентрации доноров в полупроводнике, рез(- ) = Г)л - результирующее распределение концентрации.



личия коэффициентов диффузии в копсчпом итоге образуется п-р-п структура.

Основная идея этого метола заключается и том, что различные атомы при одипакоиых }сло^ьиях диффундируют с различной скоростью из-за различии коэффнци-

Рис. 7.6. Результирующее распределение концентрации примеси

в .полупроводнике Л'рез = Nd () -

-Л^л(х) +.Vdo после однозремеи-ной диффузии акцепторов [N л) и доноров (Nd) из газовой фазЫ-в исходный лолупроваднпк /г-типа проводимости с концентрацией доноров Ndq-


-tL -

- - I

- I-



- -r-


битов диффузии. Йапример, доноры в германий ймек)т коэффициенты диффузии большие, чем акцепторы; в кремний же, наоборот, индий имеет коэффициент диффузии почти в 2 раза больший, чем сурьма. Если атомы двух веществ одновременно диффундируют в гомогенный полупроводник, то примесные атомы, например, мышьяка, проникают в п-кремний (исходная концентрация доноров в объеме Nm) на меньшую глубину, чем атомы индия. Результирующее распределение концентрации атомов примеси овидетельствует об образовании п-р-п структуры, причем в эмиттере и в базе имеет место весьма неоднородное распределение атомов примеси.

Очевидным недостатком таких структур является то, что точка минимума результирующей концентрации расположена в области базы. Это означает, что поскольку в точке мини.мума электрическое поле .меняет свое на-нравлепие, то в базе вблнзи эмиттера возникает тормозящее неосновные носители заряда электрическое поле, и только вблизи коллектора это поле становится ускоряющим. Поэтому необходимо стремиться к большим раднеитам коицеитрации примеси вблизи эмиттера.

Другие иодосгаТКи связаны с падением времени жизни неоспоппых носителей заряда вследствие нроведеипя процесса диффузии при высоких температурах. Еще менее удовлетворительный профиль распределения коицеитрации примеси получается не при одновременной двойной диффузии, а при двухстаднйной диффузии, когда одна примесь внедряется вслед за другой.

Транзисторы, изготовленные методом двойной диффузии, могут быть выполнены также и в виде меза-струк-

TVp.

Комбинированные методы. Ряд методов изготовления транзисторов основан на сочетании диффузионного процесса с техникой вытягивания* нли сплавления, что позволило создавать мощные высокочастотные транзисторы. Рассмотрим комбинированные методы сплавления-диффузии.

Диффузионно-сплавной транзистор (post diff used-alloyed transistor). В данном методе в материал п-типа (исходная концентрация доноров Nnc) диффундируют акцепторы (Na), так что кристалл от поверхности вплоть до точки х = 1с приобретает проводимость ;7-типа

(рис. 7.7). Последующее впЛаВленше доноров (Ndeo) ДО координаты х = 1е вновь воостанавливает в этой области проводимость л-ти1па. Позднее эта область будет служить эмиттером. По оравнению с методом двойной диффузии этот метод проще, поскольку метод диффузии привлекается только для создания коллекторного перехода, а область эмиттера создается за счет сплавления.


?50мкм

250ик и

Кольце Soil электрод базы


Нерадномерно

легированная область (база)

Рнс. 77. Распределение концентраннн нрнмесп в областях диффузионно-сплавного тран:н1стора.

в результате диффузии акцепторов [N (х)] область к])исталла

приобретает проводимость р-гипа dc да.-1ьнс[шем производится вплавление эмиттера на глубину Z, вследствие чего в области О^х^/, кристалл приобретает проводимость л-типа, а на границе- 1, возникает резкий р~п переход.

Рис. 7.8. Схематическое H3o6pa>Kei{iie вертикального сечения дрейфового TpaiLsncTOpa.

Поэтому в такой структуре отсутствует типичное для структур, образованных методом двойной диффузии, тормозящее поле в базе вблнзи эмиттера. Транзисторы этого типа, ионолненные в виде меза-структур, нашли широкое раонространение.

Типичным примером приборов, изготавливаемых по этой технологии, является так называемый дрейфовый транзистор (рис. 7.8). Для его изготовления применяется довольно ВЫС01К00МНЫЙ равномерно легированный германий п-тина проводимости в виде исходной пластинки с плоскопараллелшьгми гранями для обеспечения без-



1 ... 7 8 9 10 11 12 13 ... 24
Яндекс.Метрика