Проектирование дрейфового биполярного npn (pnp) транзистора

Примем, что подвижность электронов в эпитаксиальном слое коллектора =1500 см2/Вс. Удельное сопротивление коллектора рассчитывается по формуле, :
(3.24)
Сопротивление тела коллектора рассчитывается по формуле:
(3.25)
Сопротивление активной области базы рассчитывается по формуле:
(3.26)
Сопротивление пассивной области базы рассчитывается по формуле:
(3.27)
Рассчитаем сопротивление базовых контактов. Типичное значение контактного сопротивления алюминий – сильно легированный -кремний . Поэтому
(3.28)
Общее сопротивление базы:
(3.29)
Граничная частота в схеме ОЭ практически равна предельной (граничной) частоте в схеме ЭБ. Предельную частоту в схеме ЭБ можно рассчитать, если определить постоянную времени переходного процесса в схеме ЭБ. Она складывается из постоянной времени эмиттера , постоянной времени коллектора , времени пролета базы и времени пролета коллекторной ОПЗ .
Рассчитаем время пролета коллекторного перехода при напряжении между базой и коллектором . Подвижность электронов в коллекторе =1500 см2/Вс. Предварительно определим ширину коллекторной ОПЗ , см.
(3.30)
Время пролета коллекторного перехода, с:
(3.31)
Предельная скорость электронов базе см/с. Проверим это условие. Дрейфовая скорость электронов в ОПЗ:
(3.32)
Скорость дрейфа превышает предельную. Для определения времени пролета будем полагать, что скорость движения носителей равна предельной. В этом случае
(3.33)
Рассчитаем фактор поля:
(3.34)
Определим время пролета базы с учетом фактора поля:
(3.35)
Предельная частота для схемы с общей базой рассчитывается по формуле:
(3.36)
Полученное значение больше заданной граничной частоты. Поэтому коррекцию структуры не проводим.
4 Построение эквивалентной схемы транзистора

Количество эквивалентных схем транзистора достаточно велико. Одна из таких схем (схема Притчарда) приведена на рис.4.1 [14].

Рис.4.1.

Существенное преимущество этой схемы заключается в том, что ее элементы имеют определенный физический смысл и дают возможность связать технические параметры транзистора с его конструктивными данными, физическими константами и основными процессами, происходящими в транзисторе. Поэтому такую схему называют физической.
Как показала практика, в транзисторе в первую очередь необходимо учитывать частотную зависимость коэффициента передачи тока и влияние емкостей переходов.
Дифференциальная емкость эмиттерного перехода определяется в основном диффузионной составляющей:
. (4.1)
Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода зависит от постоянного тока эмиттера :
, (4.2)
где - тепловой потенциал при температуре 300 К.
Генератор тока подключается к коллекторному выводу через - цепь/ Для того, чтобы учесть частотную зависимость коэффициента передачи тока, вводится множитель .
Сопротивление резистора , - диффузионная емкость коллекторного перехода.







5 расчет теплового сопротивления транзистора

Методику расчета теплового сопротивления, предложенную в [13], целесообразно применять для мощных транзисторов. Для транзисторов средней мощности можно применить упрощенную методику [14].
Одна из важнейших проблем при проектировании электронных устройств заключается в обеспечении эффективного отвода тепла для того, чтобы не допустить перегрева компонентов. Мощные биполярные транзисторы рассеивают основную часть мощности на коллекторном переходе. Следствием этого является нагрев перехода и всего транзистора. Температура перехода не может превышать допустимое значение , иначе транзистор выйдет из строя.
Обозначим мощность, которую транзистор рассеивает в установившемся режиме, . Температура окружающего воздуха .
Передача тепла от нагретого биполярного транзистора описывается
соотношением
, (5.1)
где , ºС/Вт – тепловое сопротивление, которое определяет превышение температуры транзистора к температуре окружающего воздуха.
При передаче тепла посредством теплопроводности сопротивление зависит от физических свойств материала, через который проходит тепловой поток, и его геометрических размеров:
, (5.2)
где , Вт/(м ºС) – коэффициент теплопроводности материала; , м – толщина материала, через который проходит тепловой поток; , м – поперечное сечение материала.
Корпус ТО-26 обычно выполняют эпоксидных смол (типа ЭФП, К81-39С и др.), для которых =17 Вт/(м ºС). Подставляя в (5.4) соответствующие значения, получим:
=0,029 ºС/Вт. (5.3)
Кристалл транзистора находится в корпусе. Передача тепла от корпуса во внешнюю среду осуществляется с помощью конвекции. Тепловое сопротивление при конвекции определяется формулой
, (5.4)
где , Вт/(м2 ºС) – коэффициент теплоотдачи, , м2 – площадь поверхности корпуса.
Для воздуха при естественной конвенции коэффициент теплоотдачи принимают ориентировочно =10 Вт/(м2 ºС).
Корпус ТО-26, в котором предполагается разместить транзистор, в первом приближении можно считать цилиндром с диаметром =5 мм=0,005 м и высотой =5,1 мм=0,0051 м. Поэтому =0,005 м. Соответственно =0,0025 м.
Площадь цилиндра рассчитывается по формуле.
м2 . (5.5)
Подставляя в (5.4) соответствующие значения, получим:
=1248 ºС/Вт. (5.6)
Общее тепловое сопротивление можно представить в виде суммы двух слагаемых:
, (5.7)
где – тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом; - тепловое сопротивление между корпусом внешней средой.
1248 ºС/Вт. (5.8)
Максимальная мощность, которая может рассеиваться транзистором при температуре окружающего воздуха =25 ºС, рассчитывается по формуле:
=28 мВт. (5.9)

Выводы

В работе проведен анализ задания, рассмотрены методы его решения.
Произведены предварительные расчеты транзисторной структуры по заданным параметрам. Проведен уточненный расчет значения некоторых величин.
Проведен расчет удельных поверхностных сопротивлений базового и эмиттерного слоев, рассчитан коэффициент передачи тока базы.
Рассчитаны толщина активной части базы, ширина высокоомной области коллектора и эпитаксиального слоя, проведена предварительная проверка на соответствие ширины базы граничной частоте.
Проведен расчет границы объемного пространственного заряда и емкости коллекторного перехода.
Выбрана топология кристалла и определены размеры активных слоев.
Построена эквивалентная схема транзистора. Проведен расчет теплового сопротивления транзистора.
Проведенные расчеты показали, что разработанный транзистор соответвует требованиям, которые установлены в задании.

Список литературы

1. Кремниевые планарные транзисторы. Под ред. Я.А. Федотова, М., Сов.Радио, 2973.- 336 с.
2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах.М.: Мир,1984.
3. Расчет биполярных транзисторов: Уч.пособие/ В.К.Базылев РГРТА Рязань, 2004, 68с.
4. Крутякова М.Г. и др. Полупроводниковые приборы и основы их проектирования.1983.
5. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы: М.: Энергоатомиздат, 1990.-576 с.
6. Андреев А.П., Миронов В.А., Чиркин Л.К. Расчет биполярных транзисторов и тиристоров. Л.: Энергия, 1990.- 72 с.
7. Березин А.С., Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральных микросхем - М.: Радио и связь,1983.-232с.
8. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов: Пер. с англ./Под ред. И.В.Грехова- Л.: Энергоатомиздат,1986.-248 с.
9. Горюнов Н.Н. Конструирование корпусов и тепловые свойства полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1972.-172 с.
11. Матсон Э.А., Крыжановский Д.В., Петкевич В.И. Конструкции и расчет микросхем и микроэлементов ЭВА. - Минск: Высшая школа, 1979.-192 с.
12. Расчет биполярных транзисторов: Уч.пособие/ В.К.Базылев РГРТА Рязань, 2004,68с.
13. Трутко А.Ф. Методы расчета транзисторов.1971.
14. Я.А. Федотов Основы физики полупроводниковых приборов. М.: «Сов. радио», 1970, 592 с,
13. Кольцов Г.И., Мадоян С.Г., Диденко С.И. Теория и расчет полупроводниковых приборов и интегральных схем. Методические указания по курсовому проектированию. - М.: МИСиС, 2001. - 38 с.
14. http://ikit.edu.sfu-kras.ru/files/7/16.pdf
Приложение А
Программа расчета функции

Приложение Б
Чертеж кристалла










4


34