Monolit technika

Bipoláris technológia

Mizsei JánosHodossy Sándor

BME-EET2006-2013

2

Bipoláris technológia

• ~1960- tól alkalmazzák (TTL)

• Bevezetésének érdekessége: logikai tervezés

• Manapság analóg áramkörök technológiája

• A következő képek nem méretarányosak!– laterális méret: 100 m– vertikális méret: 1-10 m

3

npn tranzisztor előállítása I.

• Eltemetett réteg (n+) kialakítása p tip. hordozóban

• Ez a dinamikus ellenállást (rd) csökkenti

• 1. maszk

4

npn tranzisztor előállítása II.

• Epitaxiális réteg (n) kialakítása

• Ez lesz majd a kollektor

5

npn tranzisztor előállítása III.

• Szigetelő diffúzió (p+)

• Elkülöníti a különböző tranzisztorokat egy szeleten elektromosan

• 2. maszk

6

npn tranzisztor előállítása IV.

• Ablaknyitás, és p diffúzió

• Ez fogja szolgáltatni a bázist

• 3. maszk

7

npn tranzisztor előállítása V.

• Ablaknyitás, és n+ diffúzió• Ez fogja adni az emittert, és

a kollektor kivezetést• A kollektornál az n+ réteg a

Schottky átmenet kiürített rétege kicsi legyen (a réteg egy potenciálgát, de ha elég kicsi, akkor alagúthatás révén az elektronok átlépik)

• 4. maszk

8

npn tranzisztor előállítása VI.

• Kontaktusablak nyitás

• E, C, B részére

• 5. maszk

9

npn tranzisztor előállítása VII.

• Fémezés és megmunkálása• 6. maszk

• A kapott struktúra jellemzése:– E erősen adalékolt– B keskeny– B-ben van beépített tér

(diffúzió révén)– n+ réteg a rd csökkentéséért

10

A koncentráció eloszlásfüggvénye I.

• A bázis bépített tere: U=26mV*ln100=120mV x=1m– E=U/x=120 kV/m

11

A koncentráció eloszlásfüggvénye II.

• Itt van egy pnn+p parazita tranzisztor

• Az n+ a lyukak terjedését gátolja, ezzel a parazita tranzisztor ellen is védi a struktúrát

12

A koncentráció eloszlásfüggvénye III.

13

Laterális pnp tranzisztor

• n+ réteg a pnp parazita tranzisztort gátolja

• Hátrányok:– emitter nem erősen

adalékolt– bázis homogén– oxid közelében folyik az

áram oxid közelében kristályhibák vannak nagy rekombinációs centrum

– B áramerősítési tényező kicsi

14

Javítások az pnp laterális tranzisztor hibáira

• Emitter - kollektor közötti hasznos felület növelése (áthaladó elektronok száma nő)

• B növelése: kompozit fokozat alkalmazása

Bázis

Emitter

Kollektor

15

A pnp tranzisztor előnye

• Az npn tranzisztorral szemben az emitter-bázis letörési feszültsége nagy, akkora mint a bázis-kollektor letörési feszültsége.

16

Vertikális pnp tranzisztor

• Szubsztrát tranzisztornak is nevezik, mivel a szubsztrát egyben a kollektor is

• E-B letörési feszültsége nagyobb

• Kisebb a transzport hatásfok (bázis homogén)

• Kisebb az emitter hatásfok (emitter gyengén adalékolt)

• 1 szeleten csak ez az egy tranzisztor lehet (kollektor a szubszrát)

17

Bázis ellenállás

• Csonka bipoláris tranzisztor (nincs C, E)

• n+ réteg a parazita pnp tranzisztor ellen véd

• R=100Ω...1kΩ (Az adalékolás határozza meg.)

18

Adalékolás-ellenállás viszony

• A bázis (p) Gaussi görbe szerinti az adalékolása (a skála logaritmikus parabola)

• Egy W szélességű, L hosszúságú ellenállásszakasz vezetése:

• Vezetés 1 térrészre:

(ahol xj a pn átmenet határa)• Ellenállás egy térrészre:

(ahol Rs 1 négyzetnyi ellenállásrész ellenállása)

• Rs értéke csak a □ alatti adalékatomok számától függ pontos eloszlásuknak nincs jelentős hatása az Rs-re

• RsSi=100Ω...150Ω (20% a tűrés)

dxxNqL

WdG A )(

j jx x

A dxxNqL

WdGG

0 0

)(

sx

A

RW

L

dxxNqW

L

GR

j

0

)(

11

) 1 )( (0

számaokadalékatomalattinégyzetszámGummeladxxNaholjx

A

19

Megnyomott ellenállás

• a felső n+ réteg hatása:

– adalékolás „elrontása”

– rekombinációs centrum

• A kapott ellenállás négyzetes ellenállása:

• Rs=10kΩ...50kΩ (100% a tűrése, mivel 2 diffúzió különbsége állítja be)

• Egy parazita JFET is van itt!– Az áram feszültséget kelt az n+ alatt

– Kiürített réteg alakul ki n+ alatt

– Az áram növelése ezt a hatást csak fokozza

– Áramgenerátort valósít meg a JFET

• Mivel az ellenállások abszolút értéke nagy szórással bír, az ellenállások arányára kell hagyatkozni

cbj

be

x

xj

A

s

dxxNq

R

)(

1

20

Emitter ellenállás

• Kis ellenállású• Átvezetésként szokás használni• Jó nagyteljesítményű tranzisztorok

párhuzamos kötésénél nyitófeszültség eltolására

• Rs~1Ω

21

Epitaxiális réteg ellenállás

• n+ eltemetett réteg nincs, mivel az ellenállás értékét nagyon lecsökkentené

22

Ellenállások fajtái

Bázis ellenállás

Megnyomott ellenállás

Emitter ellenállás

Epitaxiális réteg ellenállás

Meander bázis ellenállás

23

E-B dióda

• Bázis és a kollektor összekötésével a bázis és az emitter közötti dióda használható

24

Bipoláris tranzisztorok: különlegességek

Teljesítmény tranzisztor

Multiemitteres tranzisztor

Laterális pnp tranzisztor

Az E-B élhossz azért ekkora, mert ha IE nagy, akkor IB is nagy, és ekkor az IB az emitter alatt nagy feszültséget kelt csak az E-B él a hasznos a működés szempontjából, az emitter „közepe” nem (áramkiszorulás)