Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Кремниевые транзисторы с n-p-n-переходом, полученным выращиванием

05.12.2018

Так как кремний имеет большую ширину запрещенной зоны, чем германий (1,08 и 0,72 эв соответственно), то кремниевые приборы естественно обладают по сравнению с германиевыми приборами по крайней мере двумя преимуществами, имеющими большое значение для многих практических применений. Во-первых, кремниевые приборы могут работать при более высоких температурах, чем германиевые; температуры могут доходить до 200°. Во-вторых, вследствие большей ширины запрещенной зоны обратные токи в кремниевых р—n-переходах на несколько порядков ниже, чем в германиевых.

Кремниевые транзисторы, описываемые в настоящей работе, были изготовлены из монокристаллов с n—р—n-структурой, полученных методом выращивания с переменной скоростью. В разд. 1 настоящей работы описано выращивание кремниевых монокристаллов. В разд. 2 обсуждается техника изготовления транзисторов и влияние термической обработки на кремний. В разд. 3 описываются электрические характеристики полученных кремниевых n—р—n-транзисторов.

Выращивание монокристаллов, содержащих n—р—n-переходы


Тонкослойные n—р—n- или р—n—р-структуры в германии были получены методом двойного легирования и методом изменения скорости роста; оба эти метода были с успехом применены и для кремния. Метод выращивания путем изменения скорости роста основан на том, что тип проводимости материала, выращиваемого из почти скомпенсированного расплава, является чувствительной функцией скорости роста. Это обстоятельство позволяет получать в растущем кристалле тонкие слои разного типа проводимости путем быстрых изменений скорости роста, достаточно больших по сравнению с небольшими неконтролируемыми флуктуациями, которые всегда имеют место в любой промышленной установке для выращивания кристаллов.

Распределение концентрации сурьмы, бора и галлия по длине кристаллов кремния, выращенных с постоянной скоростью, приведено на фиг. 1. Кривые построены на основе последних опубликованных значений коэффициентов распределения k этих элементов, а именно: kSb = 0,04; kGa = 0,01 и kВ = 0,9. Для получения переходов методом изменения скорости роста исходные средние концентрации расплава с0 выбирались таким образом, чтобы обеспечить почти полную компенсацию на большей части длины кристалла. Хотя точная зависимость k от скорости роста не была определена для кремния, комбинации бора с сурьмой и галлия с сурьмой с успехом удалось использовать для получения р-слоев в кристаллах n-типа путем изменения скорости роста. Эксперименты с бором и сурьмой показали, что благоприятное соотношение концентраций этих элементов в расплаве можно сохранить лишь на небольшой длине слитка. Это следует из фиг. 1, откуда видно, что соотношение концентраций этих двух элементов в расплаве будет сильно изменяться по мере вытягивания кристалла.

В качестве легирующих примесей были выбраны сурьма и галлий, поскольку кривые распределения этих элементов следуют почти параллельно и соотношение их концентраций в рacплаве должно оставаться в основном постоянным

Сурьма добавлялась после расплавления кремния во избежание излишних ее потерь за счет испарения Затем в расплав вводилась

затравка и кристалл выращивался медленным вытягиванием затравки из расплава. Для получения в кристалле переходов скорость кристаллизации изменялась от положительных значений до отрицательных (подплавление) и затем возвращалась к первоначальным положительным значениям. Это достигалось изменением как температуры расплава, так и скорости вытягивания затравки. Цикл повторялся несколько раз, насколько позволял объем расплава. В среднем кристалл содержал пять или шесть n—р—n-структур.

Относительные концентрации Ga и Sb, которые можно получить в кристалле путем таких изменений скорости роста, показаны на фиг. 2. Подплавление кристалла должно давать резкий n—р-переход, который является хорошим эмиттером. Второй переход должен быть более постоянным, выполняя роль коллектора до более высоких напряжений. Электрические измерения, описываемые в разд. 3, подтверждают такую структуру р-области.
Кремниевые транзисторы с n-p-n-переходом, полученным выращиванием

На фиг. 3 приведена фотография одного из первых кристаллов с пятью переходами. Слои р-типа, потемневшие после травления, тонки в центре и расширяются к краям слитка. Вблизи затравки они всегда тоньше, чем на конце образца, поскольку отношение концентраций Ga/Sb в расплаве практически увеличивается по мере вытягивания кристалла.

Из-за некоторых особенностей, выявляющихся при термической обработке, которые обсуждаются более детально далее, целесообразнее выращивать, n—p—n-структуры без вращения кристалла в процессе его роста.

Помимо этих особенностей, наблюдается еще одно осложнение при изготовлении переходов методом изменения скорости роста во вращающихся кристаллах. Из-за неравномерного смачивания кварцевого тигля расплавленным кремнием расплав имеет тенденцию «подвисать» в определенных участках тигля и, таким образом, создается несимметричная и неплоская поверхность по отношению к растущему кристаллу. Если кристалл вращается, то в течение одного оборота какая-то одна и та же его часть будет в один момент соприкасаться с горячим расплавом, а в следующий момент — с относительно холодной окружающей кристалл газовой средой. Подобные вариации приведут к быстрым флуктуациям скорости роста, и в результате в таком почти скомпенсированном кристалле образуются нежелательные прослойки р-типа, обусловленные изменением скорости роста. На фиг. 4 приведена фотография сечения именно такого кристалла, выращенного с вращением. В данном случае применялся травитель, при действии которого темнеют преимущественно области р-типа. Расстояние между этими областями р-типа точно соответствует скорости вращения кристалла в процессе выращивания. Эти области р-типа образуют вокруг кристалла спираль с шагом, равным скорости роста, деленной на скорость вращения. Выращенный путем изменения скорости роста р-слой виден вблизи центра фотографии; о колебаниях в скорости роста свидетельствуют изменения интервала между полосами. Тот факт, что этот интервал заметно больше непосредственно под р-слоем, чем на небольшом расстоянии по обе стороны от него, указывает на то, что, хотя скорость вытягивания возвращается к первоначальной величине после подплавления, действительная скорость роста в течение короткого периода несколько больше скорости вытягивания, а затем уменьшается до первоначальной величины.

Изготовление транзисторов


Перед описанием изготовления транзисторов из выращенных n—p—n-структур необходимо кратко рассмотреть результаты детальных исследований Фуллера и др., касающихся эффектов нагрева монокристаллов кремния при высоких температурах.

Хотя Фуллер наблюдал значительное различие в поведении разных кристаллов при термической обработке, все же можно сделать некоторые обобщения.

1) Нагрев кристалла (выращенного с обычной скоростью вращения) ниже 500° приводит к увеличению (конверсия в направлении к n-типу), где ND и NA — концентрации доноров и акцепторов соответственно. Эти изменения требуют времени от нескольких минут до нескольких часов (чаще нескольких часов) для установления стационарного состояния.

2) Нагрев выше 500° приводит к уменьшению (конверсия в направлении к р-типу). При 1000° стационарное состояние обычно достигается в течение нескольких секунд.

Фуллер отмечает также, что кристаллы диаметром менее 6 мм не обнаруживают больших изменений при нагреве. При изучении факторов, определяющих рост кристалла, Бюлером и Ханнеем были выращены кристаллы без вращения; Фуллер нашел, что они также не изменяют своего удельного сопротивления при нагреве. Механизм этих изменений в кремнии, вызванных нагревом, в настоящее время полностью не выяснен. Однако, зная экспериментальные факты, оказалось возможным не только обойти эффект термической обработки, но даже использовать его для получения структур, которые очень трудно изготовить обычным методом выращивания кристаллов.

Влияние нагрева имеет важное значение в настоящей работе, так как требуются контакты к очень узкой базовой области выращенных переходов. Необходимо выполнить контакт к этой области так, чтобы он был механически прочным и имел низкое сопротивление. Так как в настоящее время нет удовлетворяющего этим требованиям механического метода изготовления контакта к базовому слою, ширина которого составляет 0,025 мм или менее, без перекрытия эмиттерных или коллекторных областей элемента, то контакт должен быть также выпрямляющим по отношению к этим областям. В этом случае он просто расширяет базу и вносит мало помех.

Наиболее надежный контакт, удовлетворяющий указанным выше требованиям, можно выполнить в настоящее время с помощью проволочки, которая или вплавляется, или приваривается методом электроформовки к базовому слою. Проволочка должна быть из того же материала, которым будут легировать кремний (что необходимо для получения одинакового типа проводимости с базовым слоем), или представлять собой инертный материал с достаточной концентрацией такого легирующего агента. Так как алюминий дает с кремнием р-типа низкоомные контакты, а с кремнием n-типа превосходные выпрямляющие контакты, то для изготовления контакта к n—р—n-структуре, естественно, был выбран этот элемент. В идеальном случае для получения удовлетворительного контакта кремний и алюминий необходимо нагревать только до температуры эвтектики (577°), но на практике необходимы более высокие температуры. Однако при этом можно было ожидать затруднений, связанных с термическим воздействием, что имеет место на практике.

Эффекты, связанные с изменением удельного сопротивления в результате нагрева кремния при вплавлении, прекрасно обнаруживаются при рассмотрении р-слоя типичного кристалла, выращенного с вращением. На фиг. 5, а показан выявленный с помощью BaTiO3 p-слой в сечении кристалла непосредственно после вытягивания. Ширина базы составляет около 0,05 мм. Затем кристалл был помещен на чистую танталовую полосу, которая нагревалась до температуры сплавления в атмосфере гелия путем пропускания через нее большой силы тока. Кристалл нагревался таким методом до нужной температуры за несколько секунд, а затем быстро охлаждался в гелии. Такой же метод применялся обычно для вплавления алюминиевого контакта в базовый слой элемента, причем единственное отличие заключается в отсутствии в нашем случае алюминия и в том, что нагрев более массивного кристалла До температуры танталовой полосы занимает большее время.

Базовый слой, выявленный с помощью BaTiO3, после нагрева показан на фиг. 5, б. Слон стал несколько шире, а на выпуклой стороне его появились полосы. Эта сторона лежит снизу слоя и, таким образом, представляет переход, выращенный с изменением скорости. Переход, полученный подплавлением, остается резко очерченным. Расширение легко объяснить, если действительная структура перехода совпадает с постулированной выше (см. фиг. 2) и если термообработка благоприятствует уменьшению относительного значения ND, т. е. уменьшает ND—NA. Возникновение полос объяснимо в том случае, если увеличение вблизи перехода, полученного с изменением скорости, не является плавно возрастающей функцией расстояния, как показано на фиг. 2, а колеблется с малой амплитудой относительно плавной кривой. Наличие аналогичного рода колебаний в кристаллах германия позволяет нам допустить это и для данного случая.

Таким образом, после вплавления базового контакта переход может быть шире, чем непосредственно после выращивания и может также содержать нежелательную полосчатую структуру. (Найдено, что подобные же изменения в базовой области происходят и при электроформовке алюминиевой проволоки, которая состоит В пропускании сильного тока через алюминиевую проволоку и через холодный образец, в результате чего повышается температура и создаются условия для сплавления в локализованной области.) Однако результаты Фуллера указывают на то, что отжигом при 475° можно возвратить кремний к состоянию с максимальным ND. В самом деле, изменяя время выдержки при 475°, можно ширину базового слоя снизить до любой желательной величины. На фиг. 5, в показана картина после обработки BaTiO3 того же самого сечения кристалла после 16-часового отжига при 475° на воздухе, проведенного вслед за описанным выше нагревом на танталовой полосе. Электрические измерения методом зонда отчетливо показали, что n—р—n-структура все еще имеет место, но переходы не могут быть раздельно выявлены с помощью BaTiO3, т. е. ширина р-области составляет меньше 0,012 мм.

Пластинка, вырезанная из области, примыкающей к половине кристалла, показанного на фиг. 5, была подвергнута такому же отжигу при 475° после приварки алюминиевой проволоки к р-слою. Таким путем был получен кремниевый транзистор с а = 0,9 при токе эмиттера — 1 ма.

Хотя описанный выше способ представляет эффективный метод получения базового слоя такой ширины, какую трудно достигнуть при обычной методике, имеется существенное возражение против практического использования явления, которое еще не вполне понятно и поэтому не может полностью контролироваться. Эксперименты Бюлера, Фуллера и Ханнея показали, однако, что если n—p—n-структуры выращиваются без вращения кристалла, то изменений удельного сопротивления при вплавлении не наблюдается. Как указывалось выше, это осуществлялось успешно и воспроизводимо и, как предсказывалось, с малыми изменениями в структуре базового слоя как после вплавления, так и после последующего отжига при 475°.

Ниже описывается методика, которая была принята окончательно для изготовления кремниевых транзисторов с переходом, выращенным методом изменения скорости роста без вращения кристалла. Из кристалла вырезались брусочки с поперечным сечением 1х1 мм, которые химически полировались в растворе из смеси плавиковой и азотной кислот. К концам образца прикладывалось переменное напряжение частотой 60 гц, и р-слой определялся при применении разбавленной суспензии порошка BaTiO3 в четыреххлористом углероде. Затем к базовому слою приплавлялась алюминиевая проволока при нагреве образца в инертной атмосфере. Контакты к эмиттерной и коллекторной областям изготовлялись путем пескоструйной обдувки и плакировки родием концов образца и затем припайкой непосредственно к родиевой пластинке. Окончательное травление в смеси плавиковой и азотной кислот завершало подготовительную операцию.

После вплавления и монтажа было необходимо провести легкое травление для удаления загрязнений, образовавшихся при этих операциях вокруг базового слоя; в более глубоком травлении необходимости не было. Общие характеристики элементов заметно не изменялись даже по прошествии нескольких месяцев в сравнении с характеристиками элементов непосредственно после травления, хотя ни один из этих транзисторов не был герметически упакован. В общем, для получения а > 0,9 необходимо применять р-слой шириной менее 0,025 мм. Очевидно, это связано с большой скоростью поверхностной рекомбинации на кремнии, которая почти не снижается. Так как такие тонкие слои приводят к малым отношениям поверхности к объему, то не удивительно, что а таких приборов относительно стабильно в течение длительного времени.

Электрические характеристики кремниевых транзисторов


Уже в течение некоторого времени было известно, что кремниевые приборы обладают преимуществами в отношении температуры и мощности. Однако было также ясно, что критическая 70 оценка кремниевых транзисторов не может быть проведена до тех пор, пока не будет сконструирован прибор, удовлетворяющий элементарной теории и который можно подвергнуть анализу. Транзисторы, описываемые в настоящей работе, несмотря на их сравнительно сложную структуру, по-видимому, ведут себя в соответствии с аналитической моделью плоскостных n—P—n-триодов.

Наиболее важным преимуществом кремниевых транзисторов является их способность работать при высоких температурах. Это обстоятельство открывает новую область применения транзисторов, поскольку германиевые приборы могут работать при максимальной температуре окружающей среды около 70°. На фиг. 6 показаны коллекторные характеристики типичного экспериментального кремниевого n—р—n-триода при 205°. Даже при этой температуре ток насыщения коллектора при 20 в составляет только 56 мка. При комнатной температуре ток насыщения при тех же характеристиках смещения был 10в-8 а, или 1 мка/см2 площади перехода.

Многие из существенных характеристик транзистора приводятся в таблице, где характеристики кремниевого транзистора сравниваются с характеристиками германиевого транзистора с выращенным n—P—n-переходом Такое сравнение может быть проведено, так как кремниевые транзисторы являются пока еще исследовательской моделью и еще очень мало сделано для улучшения их характеристик.

Полагают, что главная компонента входного полного сопротивления h11 является омическим сопротивлением полупроводника n-типа на эмиттерной стороне перехода. Коэффициент обратной связи h12 есть в основном обратная связь эмиттера по напряжению при малых сигналах. Когда Ie > 1 ма, омическое сопротивление базы и модуляция базового сопротивления приводят к членам обратной связи rbh22 и u22, которые сравнимы с uec. Проводимость коллектора h22 соответствует значениям, вычисленным из эффектов, связанных с расширением слоя объемного заряда, и линейно увеличивается с эмиттерным током.

Изменение а в зависимости от эмиттерного тока наглядно представлено на фиг. 7, где приведены данные для другого типичного кремниевого транзистора с n—P—n-переходом, выращенным методом изменения скорости роста. Предварительные вычисления показывают, что уменьшение а при больших токах можно объяснить полем поперечного дрейфа в базовой области или уменьшением эффективности эмиттера, вызванного модуляцией проводимости базовой области.

Уменьшение а при больших токах показано на фиг. 8. Приведенные коллекторные характеристики иллюстрируют возможность работы при большой мощности при комнатной температуре. Никаких специальных мер для отвода тепла от транзисторов не было предусмотрено.

Брусочки размерами 1x1x12,7 мм подвешивались на трех вводах в центре наполненной воздухом металлической гильзы (для защиты от механических повреждений).

Тонкая базовая область желательна потому, что это приводит к большему а и к большей граничной частоте значения а. Однако это в то же время увеличивает проводимость коллектора h22 и обратную связь по напряжению h12 эмиттера. Омическое сопротивление базы r6' также велико вследствие тонкой базовой области и высокого сопротивления, обусловленного структурой выращенного с изменением скорости материала.

Уже было показано на фиг. 2, что переход эмиттера, по-видимому, является резким, а коллекторный р—n-переход постепенным. Структура такого типа подтверждается далее кривой емкости истощенного слоя этих транзисторов как функции напряжения. Как видно из фиг. 9, емкость коллектора изменяется обратно пропорционально кубическому корню из напряжения в том случае, если концентрация примесей линейно увеличивается с расстоянием по обе стороны от p—n-перехода. Поведение эмиттера сложнее вследствие резкого подъема проводимости на эмиттерном ступенчатом переходе, который вызывает небольшие изменения емкости с напряжением. При больших напряжениях область объемного заряда проникает глубже в базу и в область, где постепенно снижается проводимость из-за плавного коллекторного перехода. В этой области емкость очень быстро падает с возрастанием обратного напряжения на эмиттере. Коэффициент шума на 25 дб выше термического, указанного в таблице, был замерен при частоте 1000 гц, Ie = —1 ма и Vc = —4,5 в. Транзистор был с заземленной базой с сопротивлением возбуждения, равным 1000 ом, и сопротивлением нагрузки 5000 ом.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: