Выбор топологии кристалла

Определение топологии кристалла означает выбор формы и размеров областей эмиттера, базы, коллектора, металлизации базы и эмиттера.

Вначале необходимо определить площади эмиттера Seи коллектора Sk. Площадь коллектора должна быть такой, чтобы ёмкость коллекторного перехода не превышала заданную. Максимальная площадь коллекторного перехода определяется путём деления заданной ёмкости коллектора на удельную ёмкость коллекторного перехода при заданном напряжении на коллекторном переходе. Если структура транзистора не предусматривает мезаструктуры, то полученная площадь Skвключает сумму площадей боковой Skbи донной Skdчастей коллекторного перехода. Следует учитывать, что удельная ёмкость боковой части перехода примерно в 2.5 раза больше удельной ёмкости его донной части. В нашем случае используется мезаструктура. Поэтому коллекторный переход не имеет боковой поверхности. Ёмкость коллекторного перехода задана для напряжении 5 В между коллектором и эмиттером. Рассчитаем площадь коллекторного перехода, положив падение напряжения между базой и эмиттером равным 0.5 В.

см2

Для дискретных транзисторов площадь донной части эмиттера выбирается в 3 - 5 раз меньшей площади коллектора. Выберем площадь эмиттера Seв 5 раз меньше площади коллектора.

см2

Выбранная площадь донной части эмиттера должна обеспечивать плотность тока в эмиттере не более 3000 А/см2. Проверим это условие

А

Плотность тока эмиттера удовлетворяет этому условию.

Теперь необходимо определить форму эмиттера.

Круговая геометрия эмиттера применяется для транзисторов с максимальной мощностью рассеяния на коллекторе менее 1 Вт, поскольку для такой геометрии характерен эффект вытеснения эмиттерного тока к краю эмиттера, что приводит к нерациональному использованию площади эмиттера.

Для транзисторов с токами большими 50 мА предпочтительно использовать полосковую геометрию (гребенчатую или многоэмиттерную). В качестве примера приведена топология n-p-n транзистора с гребенчатой структурой (см. приложение).

Поскольку заданный максимальный ток коллектора много больше 50 мА, то выберем полосковую топологию.

Ширину эмиттерной полоски необходимо выбирать из следующих соображений. Во-первых, необходимо обеспечить инжекцию носителей из эмиттера преимущественно в в активную часть базы, поскольку инжекция в пассивную часть базы увеличивает путь носителей до коллекторного перехода, что снижает коэффициент передачи тока эмиттера и увеличивает время пролёта носителей через базу. Для этого минимальную ширину эмиттерной полоски выбирают не менее чем в 20 раз большей чем ширина базы. Во-вторых, следует обеспечить равномерную инжекцию носителей тока из эмиттера в базу для заданного наибольшего тока эмиттера.

Равномерность инжекции нарушается при проявлении эффекта вытеснения тока к периферийной части эмиттерной полоски. Падение части напряжения, приложенного между эмиттером и базой, на активной части базы от протекания базового тока приводит к тому, что напряжение на центральной части эмиттерного перехода оказывается меньшим, чем на его периферийной части. Поэтому плотность инжектированного электронного тока снижается от своего максимального значения, которое имеет место на участке активной области, ближайшем к базовому электроду, до своего минимального значения в центре эмиттера. Вытеснение тока к периметру эмиттера увеличивается с ростом напряжения смещения и вызывает локальный перегрев структуры уже при таких токах, которые были бы вполне допустимы в случае равномерного распределения тока в ней. Кроме того, эффект вытеснения тока к краю эмиттера приводит к снижению коэффициента передачи тока за счёт увеличения инжекции носителей из базы в эмиттер, вызванной повышением концентрации основных носителей в базе у края эмиттера. Вытеснение тока к краю эмиттера приводит к инжекции носителей в пассивную часть базы, что уменьшает коэффициент передачи тока базы и ухудшает временные характеристики транзистора.

Длину эмиттерной полоски необходимо выбирать из условия, чтобы падение напряжения на металлизации полоски не превышало 0.3kT. Иначе будет заметной неравномерная инжекция вдоль эмиттерной полоски. Рекомендуется выбирать отношение длины эмиттерной полоски Zeк её ширине для маломощных транзисторов равной 5 - 10 и 10 - 50 для мощных.

В исходной величиной для расчета топологии кристалла определятся оптимальная величина периметра эмиттерного слоя Р, исходя из эмпирического значения 0.16 мА/мкм (1.6 А/см), найденного в лаборатории В.Шокли в 1959г., и заданного тока Ikmax. Этот подход справедлив и оправдан для мощных транзисторов с гребенчатым эмиттером с довольно широкими эмиттерными пальцами (больше 75 мкм), где существенен эффект вытеснения тока к краю эмиттера.

см

Для определения ширины Le и длины Ze эмиттерных полосок зададимся количеством полосок N. Количество полосок впоследствии корректируется, исходя из результатов расчета распределения инжекции вдоль длины полосок.

Из условия Se = N*Le*Ze и Ppol = 2*N*(Le+Ze) следует

см

см

Соотношение сторон полосок

Рассчитаем величину падения напряжения по длине полоски металлизации, приняв, что ширина полоски на 10 мкм меньше ширины полоски эмиттера.

Примем, что ток линейно распределён по длине полоски, а максимальный ток эмиттера равен максимальному току коллектора, тогда

Рассчитаем падение напряжения на полоске металлизации эмиттера, полагая удельное сопротивление алюминия rAlравным 1.7 x 10-6 Ом см и зададимся толщиной металлической полоски hm в пределах 4...8 мкм.

см

Примем, что ток линейно распределён по длине полоски, а максимальный ток эмиттера равен максимальному току коллектора, тогда

Падение напряжения на длине полоски металлизации и отношение этого напряжения к тепловому потенциалу равны

В

Полученное отношение порядка 0.3. Следовательно, существенной неравномерности инжекции по длине полоски не будет.  

Уровень инжекции считают высоким, если суммарная концентрация инжектированных и неравновесных основных носителей равна или превышает концентрацию основных носителей примеси в базе. Оценим уровень инжекции. Если максимальный ток эмиттера превышает граничный ток Igr, то уровень инжекции высокий. Если ток намного меньше граничного, то уровень инжекции низкий. Определим граничный ток

А

Расчёт показывает, что граничный ток более чем в 3 раза превышает максимальный ток эмиттера. Следовательно, имеет место низкий уровень инжекции. Поэтому нет необходимости в уточнении топологии эмиттера.

Зададим ширину металлизации базы Lbmравной половине ширины металлизации эмиттера. В мощных транзисторах она задаётся от ширины металлизации эмиттера до её трети. Рассчитаем зазор dmмежду металлизациями базы и эмиттера. Допустим, что топологическая норма равна 1мкм. Найдём ширину кристалла Lkr без учёта размера дефектной области (дефектная область увеличит ширину и длину кристалла на 60 мкм).

см

Дата добавления: 2015-08-17