Файл: Расчет бездрейфового сплавного биполярного транзистора.docx
Добавлен: 30.11.2023
Просмотров: 90
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(Г0СУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
КАФЕДРА ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине
Твердотельная электроника
НА ТЕМУ
Расчет бездрейфового сплавного биполярного транзистора
(вариант 13)
Выполнил:
студент 3 курса гр. ЭНб-19-2
направления подготовки
"Электроника и наноэлектроника"
Хаминов А.В.
Проверил:
ст. преп. каф.ЭП Асланов М.А.
Владикавказ 2022
Задание
-
.Рассчитать бездрейфовый сплавной биполярный транзистор
Исходные данные:
Uк=-9 B, Iэ=0,8 мА, w1=70 мкм, w2= 100 мкм, w3=170 мкм, Rэ=0,45 мм, Rк=0,65 мм, 2Rб=3 мм, ρэ=0,003 Ом·см, ρб=1,5 Ом·см, ρк=0,003 Ом·см, Lэ= 5 мкм, τб=30 мкс, Lк=6 мкм, S=1200 см/с.
-
Составить программу для расчета на языке Python. -
Выполнить чертеж корпуса транзистора в среде КОМПАС 3D.
Содержание
| Введение……………………………………………………………..……..........5 | |
| 1 | Устройство биполярного транзистора……………………………………...8 |
| | 1.2 Принцип работы биполярного транзистора…………………………...9 |
| | 1.3 Режимы работы биполярного транзистора…………………………...12 |
| | 1.4 Статические характеристики…………………………………………..14 |
| | 1.5 Параметры биполярных транзисторов………………………………..17 |
| 2 | Расчет германиевого сплавного транзистора типа p-n-p………………...19 |
| | 2.1 Расчёт коэффициента передачи по току α……………………………19 |
| | 2.1.1 Расчёт эффективности эмиттерного перехода – γ………………19 |
| | 2.1.2 Расчёт коэффициента β…………………………………………...20 |
| | 2.1.3 Расчёт эффективности коллектора αi……………………………20 |
| | 2.2 Расчёт сопротивления эмиттера, базы, коллектора…………………21 |
| | 2.2.1 Расчёт сопротивления эмиттера…………………………………21 |
| | 2.2.2 Расчёт сопротивления базы………………………………………21 |
| | 2.2.3 Расчёт сопротивления коллектора……………………………….21 |
| | 2.4 Расчёт диффузионных емкостей Cэ и Cк………………………………22 |
| | 2.4.1 Расчёт диффузионной ёмкости эмиттера………………………..22 |
| | 2.4.2 Расчёт диффузионной ёмкости коллектора……………………..22 |
| | 2.4.3 Расчёт емкостей переходов………………………………………22 |
| | 2.5 Расчёт граничной частоты……………………………………………..24 |
| | 2.5.1 Расчёт максимальной частоты генерации……………………….24 |
| | 2.6 Расчет длин Дебая………………………………………………………24 |
| | 2.7 Вычисление обратных токов…………………………………………..24 |
| | 2.8 Определение пробивных напряжений………………………………..24 |
| | 2.9 Расчет зависимости αкб = f(Iэ)………………………………………….25 |
| | 3 Расчёт r - g - и h - параметров (активные составляющие)……………….26 |
| | 4 Расчет максимальной мощности, рассеиваемой коллектором………..28 |
| 3 | Программа на языке Python………………………………………………..29 |
| Сводная таблица исходных данных и рассчитанных параметров………….43 | |
| Заключение…………………………………………………………………….44 | |
| Список используемых источников…………………………………………...45 | |
| Приложение……………………………………………………………………46 | |
Введение
Биполярный транзистор - электронный полупроводниковый прибор, состоящий из трех слоев полупроводника с чередующимся типом электропроводности. Соответственно различают pnp- npn-структуры (рисунок Транзистор называется биполярным, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Для pnpструктуры дырки являются основными, а электроны - неосновными носителями заряда. Для npn-структуры наоборот, электроны являются основными, а дырки - неосновными носителями заряда. Условные обозначения n-p-n и pn-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.Полупроводниковые области прибора и металлические выводы от них называются одинаково: Э – эмиттер – предназначен для эмиттирования (инжектирования, внесения) потока основных носителей заряда. В этом слое самая большая концентрация примеси. К – коллектор – служит для собирания (отсюда и название, от англ. collect) основных носителей, прошедших через базовый слой. Здесь концентрация примеси меньше чем в эмиттере, но больше чем в базовом слое. База – слой с самой маленькой концентрацией примеси. Вследствие этого большая часть ширины обоих pn-переходов располагается именно здесь. От каждого слоя полупроводника делаются металлические отводы – электроды, называемые эмиттером (Э), базой (Б) и коллектором (К). Рассмотрим структуру npn. Для её получения в беспримесной полупроводник нужно ввести акцепторную и донорную примеси следующих концентраций: Nэ – концентрация донорной примеси, вносимой в эмиттерный слой; Nб – концентрация акцепторной примеси, вносимой в базовый слой; Nк – концентрация донорной примеси, вносимой в коллекторный слой. Независимо от типа транзистора (pnp- или npn-), соотношение концентраций примесей будет следующим: Nэ > Nк > Nб. То есть всегда концентрация примеси в эмиттере будет самой большой, в базе – самой маленькой, в коллекторе – промежуточное значение между ними. На границе между эмиттерным и базовым слоем начнутся процессы диффузии и дрейфа, и образуется эмиттерно-базовый pn-переход. На границе между базовым и коллекторным слоем начнутся процессы диффузии и дрейфа, и образуется коллекторно-базовый pn-переход. Ширина pn-перехода со стороны коллектора lк будет иметь промежуточное значение между шириной со стороны эмиттера и со стороны базы. Данная структура является идеальной моделью. Технологии получения биполярных транзисторов Транзисторы изготовляют из германия или кремния, причём в начале производственного цикла нужно иметь очень чистый полупроводник, обладающий безукоризненной кристаллической структурой. Биполярный транзистор – несимметричный прибор. У коллектора — большая площадь pn-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы. В связи с перечисленными особенностями нельзя путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить абсолютно аналогичный исходному биполярный транзистор. Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время биполярные транзисторы изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. По конструкции и технологии изготовления различают биполярные транзисторы сплавные, эпитаксиально - диффузионные, планарные.
Сплавная технология Сплавной плоскостной транзистор представляет собой тонкую пластинку германия, в которую с разных сторон вплавлены две таблетки из индия, образующие эмиттер и коллектор. Расположение трех элементов, образующих транзистор Следовательно, чтобы из полученной заготовки для базы изготовить транзистор, нужно по обе стороны базы иметь примеси типа, противоположного тому, какой содержит база. Для этого на производстве поступают следующим образом. Тонкие германиевые пластинки, тщательно протравленные для удаления повреждений, вызванных разрезанием, загружаются в многогнёздный держатель. Индиевые таблетки засыпаются в распределитель, который кладёт по одной таблетке на каждую пластинку. Всё устройство перемещается через водородную печь; при этом в пластинку вплавляется эмиттер. Этот процесс происходит при температуре 600°C, при которой индий начинает плавиться (германий же обращается в жидкость лишь при нагревании до 940°С). Атомы индия вкрапляются в германий; проникновение это облегчается тепловым движением. Затем пластинки переворачивают, и процесс повторяется с несколько более крупными таблетками для коллектора. Водород нужен для очистки поверхности германия от окисла. Длительность обработки в печи и температуру подбирают так, чтобы толщина базы составляла примерно 0,025 мм. Так, с одной стороны базы образуется эмиттер, а с другой — коллектор. Последний должен иметь больший, чем эмиттер, объём, так как токи рассеивают на нём большую мощность. К каждому из этих трёх электродов необходимо припаять проволочный вывод.
-
Устройство биполярного транзистора
Биполярный транзистор – это активный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя выводами. Работа биполярного транзистора обеспечивается носителями зарядов двух типов – электронов и дырок. Устройство биполярного транзистора показано схематически на рисунке 1. Он представляет собой пластину полупроводникового материала, в которой созданы три чередующиеся области (слои) c различной электропроводностью. Для транзистора n-p-n-типа средняя область имеет дырочную электропроводность, а две крайние области – электронную. Для транзистора p-n-p-типа средняя область имеет электронную электропроводность, а две крайние области – дырочную. Средняя область транзистора называется базой (Б), одна крайняя область – эмиттером (Э), другая – коллектором (К). Таким образом, в транзисторе имеются два p-n-перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между коллектором и базой. Как правило, эмиттер является наиболее сильно легированной областью. Область базы должна быть 6 очень тонкой. Это является условием хорошей работы транзистора. К каждой области припаивают металлические выводы для включения транзистора в электрическую цепь.
Рисунок 1 - Структуры и условные графические обозначения биполярных транзисторов p-n-p (а) и n-p-n (б) типов
Для величин, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору, применяют в качестве индексов буквы «б», «э» и «к». Токи в проводах базы, эмиттера и коллектора обозначают соответственно iб, iэ, iк.. Напряжения между электродами обозначают двойными индексами, например, напряжение между базой и эмиттером uб-э, между коллектором и базой uк-б, между коллектором и эмиттером uк-э. На условном графическом обозначении транзисторов p-n-p и n-p-n стрелка показывает условное (от плюса к минусу) направление тока в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе.
1.2 Принцип работы биполярного транзистора
Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, то есть участка база – эмиттер (uб-э), существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение uб-э, то есть входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении. Если к эмиттерному переходу приложить прямое (uб-э), а к коллекторному – обратное напряжения (рисунок 2), то через эмиттерный переход в область базы будут инжектироваться электроны, образуя эмиттерный ток транзистора iэ. Часть инжектированных в область базы электронов рекомбинирует с основными для этой области носителями заряда – дырками, образуя ток базы iб. Другая часть инжектированных электронов, которая достигает коллекторного перехода, с помощью электрического поля, создаваемого напряжением uк-б, подвергается экстракции в коллектор, образуя через переход коллекторный ток i'к. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление и соответственно увеличивается ток коллектора. Ток коллектора связан с током эмиттера выражением
i'к = α iэ, (1)
где α – коэффициент передачи тока эмиттера, α = 0,950 … 0,998.
Таким образом, эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу; коллектором – область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. Базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.
Через запертый коллекторный переход будет создаваться обратный ток iк0, образованный потоком из коллектора в базу неосновных для коллекторной области носителей заряда (дырок). Этот ток называется начальным током коллектора (или неуправляемым током коллектора) и измеряется при отключенном проводе эмиттера.
Рисунок 2 – Принцип работы транзистора
Таким образом, полный ток коллектора
iк = i'к + iк0 =α iэ + iк0 (2)
Во многих случаях iэ>> iк0 и можно считать, что ток коллектора определяется выражением: iк = α iэ(3)
Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа представляет собой ток базы
iб = iэ – iк(4)
Заменив iэ в (4) его значением из (3), получим
iб = iк/α – iк = [(1 – α)/α] iк.
Отсюда iк/iб = α/(1 – α) = β или
iк = β iб, (5)
где β – коэффициент передачи тока базы (β >> 1).
Согласно формуле (2) биполярный транзистор является усилительным элементом, управляемым током: малый ток базы управляет (преобразуется) значительно большим током коллектора.
При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда (в результате ударной ионизации). Это явление и туннельный эффект способны вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой перехода. Электрический и тепловой пробои коллекторного перехода в транзисторе происходят в основном так же, как и в диоде. Но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе может возникать тепловой пробой без предварительного электрического пробоя, то есть без повышения напряжения на коллекторном переходе до пробивного. Это явление, связанное с перегревом коллекторного перехода в какой-то его части, получило название вторичного пробоя.
Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопровождается изменением толщины этих переходов. В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляцией толщины базы. Его особенно надо учитывать при повышении напряжения коллектор – база, так как тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания («прокол» базы) – соединение коллекторного перехода с эмиттерным. В этом случае область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.