76988 P1030316

214

M.Pok>wczyk. E.Klugmann - PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE

Temat 6.1.    Tranzystory bipolarne

6.1.1. Charakterystyka ogólna tranzystora bipolarnego

Obszarem roboczym tranzystora bipolarnego jest obszar półprzewodnikowy o strukturze n-p-n lub p-n-p, w którym występują dwa złącza p-n oraz n-p, rozmieszczone bardzo blisko siebie. Przez tę bliskość tranzystor nie może być traktowany jako proste szeregowe połączenie diod p-n. Oba złącza są bowiem silnie sprzężone ze sobą, co objawia się wpływem stanu, w jakim znajduje się jedno złącze, na właściwości drugiego.

Część środkowa tranzystora - tzw. baza - ma odmienny typ przewodnictwa od pozostałych obszarów tranzystora, które noszą nazwy: emiter i kolektor. Odpowiednio do nazw obszarów skrajnych złącza p-n tranzystora nazywa się "emiterowym" i "kolektorowym".

Zasady działania tranzystorów n-p-n i p-n-p są takie same. Różnice występują tylko w polaryzacji napięć i prądów. Dlatego omawianie tranzystorów bipolarnych ograniczymy do tranzystorów n-p-n.

Najbardziej rozpowszechnioną obecnie technologią wykonania tranzystorów bipolarnych jest technologia epitaksjalno-pianama.

Na rys.6.1 a,b przedstawiono przykładowe struktury tranzystorów dyskretnych n-p-n, wykonanych na podłożu n⁴ o grubości ok. 150pm. Na tym podłożu wytworzono warstwę epitaksjalną typu n o grubości ok. 7pm. Dolna część tej warstwy stanowi obszar kolektora. W górnej jej części jest wykonany obszar typu p, stanowiący bazę tranzystora, a najwyżej jest wytworzony kolejny obszar typu n (n⁴), spełniający funkcję emitera. Emiter jest oddzielony od kolektora obszarem bazy o grubości ok. 1 ftm w środkowej części struktury.

Na rys. 6.1 c przedstawiono przykładową strukturę tranzystorów wchodzących w skład układu scalonego, wykonanego na podłożu typu p. Mamy tu dwie charakterystyczne struktury: tranzystor pionowy (ang. vertical) n-p-n oraz tranzystor boczny (ang. lateral) p-n-p. Oba tranzystory są wykonane na wyspach uformowanych w warstwie epitaksjalnej typu n. Pod obszarem kolektora (C) w tranzystorze pionowym i pod obszarem bazy (B) w tranzystorze bocznym są tzw. warstwy zagrzebane n⁺ w celu zmniejszenia rezystancji szeregowej kolektora tranzystora pionowego i rezystancji rozproszonej bazy tranzystora bocznego.

Niezależnie od rodzaju tranzystora, każdy z jego obszarów (E, B i C) ma na części swojej powierzchni złącze metal-półprzewodnik, za pośrednictwem którego łączy się te obszary z wyprowadzeniami zewnętrznymi w tranzystorach dyskretnych lub w przypadku uładów scalonych - z innymi fragmentami układu scalonego, zgodnie ze schematem tego układu.

W układach scalonych obok wymienionych już konstrukcji tranzystorów bipolarnych spotyka się tranzystory wieloemiterowe i wielokolcktorowc (rys.6.2). Można je traktować jako odpowiednie połączenie pewnej liczby tranzystorów pojedynczych. Przykładowo, tranzystor czterocmiterowy może być traktowany jako element złożony z czterech tranzy-

C B E		b) B £ 41 .
[nJL_|_		1 VD \j£.J 1 [n_
| j ń*	20pm	n*	;a
!/ podłoże			0 ('r
		' ..........
warstwa epitaksjalna		podłoże -1-	J_5
		1 C
C	E	E B C
-111		i r 1
W *	UU i	n„o tli i
I		-ifed-SB-=SM
n^+		n
I < Tranzystor		•j L Tranzystor
pionowy		p boczny
		podłoże

Rys. 6.1. Struktury epitaksjalne tranzystorów bipolarnych:

>) tranzystor dyskretny malej mocy, b) tranzystor mocy, c) tranzystory monolitycznych układów scalonych

storów pojedynczych w taki sposób, że wszystkie bazy są połączone ze sobą bezpośrednio i podobnie wszystkie kolektory, natomiast emitery pozostają odrębne.

W technologii epitaksjalno-planamej wytwarza się jednocześnie taką liczbę struktur tranzystorowych, jaką można zmieścić na płytce podłożowej. Po operacjach niezbędnych dla wytworzenia obszarów baz, emiterów, warstw ochronnych i metalizacji płytka jest dzielona na pojedyncze struktury, które są następnie montowane w obudowach. W tranzystorach mocy z obudową metalową struktury te są łączone bezpośrednio z podstawą obudowy, natomiast w pozostałych tranzystorach mogą one być montowane na specjalnym wsporniku lub ażurze. Na ażuize montuje się również struktury półprzewodnikowe monolitycznych układów scalonych (obudowywanych). Cała konstrukcja tranzystora jest zwarta i odporna na narażenia mechaniczne w postaci drgali i udarów, których chwilowe przyśpieszenia mogą przekraczać tysiąckrotnie przyśpieszenie grawitacyjne, co odpowiada warunkom startu rakiety z prędkością kosmiczną.