Tranzistoare

Tranzistoare

1 Tranzistorul cu jonctiuni plane
Dupa descoperirea efectului de tranzistor in 1947, in anul urmator s-a elaborat teorie tranzistorului cu jonctiuni plane. Acest tranzistor este alcatuit din doua jonctiuni p-n plane realizate intr-un mic monocristal semiconductor, rezult-nd, o structura p-n-p in care purtatorii de lucru sunt golurile sau n-p-n in care purtatorii sunt electronii (vezi figura alaturata).

   

Prima jonctiune este a emitatorului E (emitator-baza-B), iar jonctiunea e doua este a colectorului - C (colector-baza). Pentr ufunctionarea corecta a tranzistorului, junctiunea emitorului este polarizata in sens direct (prin aplicarea unei tensiuni externe) iar jonctiunea colectorului este polarizata in sens invers. O gama larga de tranzistoare cu aplicatii in domeniul frecventelor ridicate o formeaza tranzistoarele cu camp intern (drift). In acest tranzistor exista o distributie neuniforma a impuritatilor in baza (care se obtine prin procese de difuzie) conducand la aparitia unui camp electric intern intreptat de la emitor (concentratia este maxima) spre colector. Ca efect, acest camp va produce accelerarea purtatorilor minoritari in drumul lor sprecolector, conducand la micsorarea timpului de parcurgere a bazei (de catre purtatori), deci la obtinerea unei frecvente de cadre mai ridicate. Deci in baza tranzistoarelor cu camp intern, purtatorii minoritari injectari din amitori se intreapta spre colector atat pe seama campului intern.

Procedeele de realizare a tranzistorilor cu camp intern trebuie sa permita obtinearea unor structuri cu baza foarte subtire, utilizandu-se se obice procesele difuziei termice simple sau duble. Dintre tranzistoarele cu camp intern se vorprezenta procedeele de fabricare pentru tranzistorul MESA, tranzistorul planar si planaro-epitaxial.

2 Tranzistorul MESA

Tranzistorul MESA (denumirea provine de la forma geomertica specifica de platou-masa), in procesul tehnologic de realizare utilizandu-se procedeul dijuziei duble. Pe o placheta semiconductoare de tip -p (sau -n in cazul tranzistoareler n-p-n) care va constitui colectrtul dispozitivului, se creaza prin difuzie un un strat subtire de tip -n, care va constitui baza tranzistorului.

Jonctiunile cmitorilor (pe aceeasi placheta monocristalina se pot realiza maimulte sute de mii de tranzistoare MESA) se obtin prin depunerea-evaporara in vid sau prin difuzie a unor impuritati de aceleasi tip de cele din colector, existand maimulte modalitati de realizare a acestao jonctiuni. Astfel, aceste impuritati de tip -p se pot introduce in stratuldifuzat (de tip -n) numai in anumite sensuri (subforma unor benzi paralele) cu ajutorul unor miscari spaciale rezultand structuri ca cele prezentate:

Peste aceste regiuni alternative (de tip -n si -p) se depune apoi un start de fotorezist care este polarizat sun actiunea ratiatiilorultraviolete numai in anumite zone, sub forma unor spoturi circulare (utilizand masti adecvate).

Se observa ca fiecare spot acopera spatiul o banda de tip -n si una de tip -p. Intreaga placheta ce aceste structuri este supusa unui proces de corodare chimica, la suptafata acesteia rezultand structurile tranzistorilor. Dupa meralizarea jonctiunilor bazelor si enotentilor (in vedera realizarii contactelor) structurile sunt setasate de pe placheta semiconductoare. Fiecaretranzistor obtinut apoi prin sudarea coloctorului sau pe o placuta din molibden cantinand impuritati de aur. Acest procedeu tehnologic prezinta dezavantajul ca in urmacorodatii zonei emitorului, (si bazei), jonctiunea colectorului intra in contact cu atmosfera deschisa (inaintea pasivarii si corodarii) avand ca efect scaderea fiabilitatii componentelor.

3 Tranzistorul planar

Tranzistorul planar se realizeaza tot prin procedeul difuziei duble, astfel incat toate structurile corespunzatoare emitorului bazei si colectorului se afla pe aceeasi parte a planchetei semiconductoare, deci toate contactele la cele 3 zone de afla de aceeasi patre a dispuzitivului.

Procesul tehnologic de realizare a tranzistorului planare este similar cu cel pantru tranzistorul planaro-epitaxial si consta in utmatoarele etape:
- Initial placheta semiconductoare de siliciu este supusa unui tratament termic intr-o atmostera oxidanta, avand ca efect formarea unui strat de SiO₂ la suprafata (vezi figura).

- Urmeaza aplicarea unui strat de material fotoreziat deasupra oxidului, care va fi expus la radiatii ultraviolete printr-o masca spaciala, ce este prezentata in figura alaturata:

- Zonele iradiate ale atratului fotoresistiv polimerizarea sub actiunea radiatiilor ultraviolere, rezultand o combinatie chimica foarte stabila. portiunile neiradiate ale stratului fotorestiv sunt indepartate usor printr-o operatie de spalare in anumite solutii chimice active (vezi figura).   

- Placheta se introduce apoi intr-o solutie de aicid clorhidric pentru a indeparta stratul de SiO₂ din zonele neacoperite de fotorezist (vezi figura).

- Dupa care urmeaza un proces de difuzie pentru introducerea impuritatilor necesare formarii bazei (vezi figura).

In mod similar de tip -p difuzat are loc impurificarea prin dufuzie cu impuritati donoare de tio -n pentru crearea jinctiunii emitorului, in prealabil repedandu-se ciclul de oxidare selectiva si de localizare, cu ajutorul mastilor, a regiunilor in care vor fi difuzate impuritatile donoare (tip -n).

Tehnologia prezentata de utilizeaza atat pentru obtinerea tranzistoarelor planare sau planaro-expitaxiale, cat si pentru realizarea unor circuite integrale.

4 Tranzistorul planaro-epitaxial

Daca pentru tranzistorul planar se utilizeaza ca placheta initiala un material semiconductor impurificat uniform, la realizarea tranzitorului planaro-epitaxial se pleaca de la o placheta initiala avand doua straturi cu acelasi tip de conductie, dar cu rezistivitati diferite.

Stratul superior in care se realizeaza difuzia selectiva pentru crearea jonctiunilor, la fel ca in figura alaturata, are rezistivitate ridicata, fiind obtinut prin cresterea epitaxiala pe o placheta semiconductoare de rezistenta mica.

Structurile planaro-epitaxiale prezinta avantajul pasivarii de buna calitate a dispozitivelor obtinute iar acoperirea cu SiO₂ a intregii plachete permite utilizarea procedeului si la fabricarea circuitelor integrate.

5 Tranzistorul metal-oxid-semiconductor-MOS

Tranzistoarele MOS impreuna cu rezistoarele si capacitatile MOS au aplicatii largi in microelectronica la realizarea circuitelor integrate, memoriilor s.a.

Tranzistorul MOS este un tranzistor cu efect de camp cu poarta izolata, a acarui structura este realizata pe un suport semiconductor (monocristalin) de obicei Si, de tip -p (sau de tip -n) cu o rezistivitate de ordinul ≈ 10 Ω.cm. Pe acest suport, cu ajutorul unor masti speciale se introduc prin difizie sau prin implantare ionica impuritati donoare (sau acceptoare) care transforma local suportul intr-o zona de tip -n (respectiv -p) formand jonctiunile p-nale sursei si drenei.

Un parametru de baza il constituie distanta - L dintre sursa si drena, care este de circa 5 μm la un tranzistor MOS ce va lucra ca amplificator de tensiune si L =25-50 μm pentru tranzistoarele folosite drept rezistente de sarcina. Pe suprafata semiconductorului in regiunea dintre sursa si drena se impune un strat dielectric de SiO₂ gros de 500-2500 A, peste care se depune apoi electrodul metalical portii. Prin potentialul aplicat portii -V_p se poate controla sarcina spatiala dintre sursa si drena, influentand astfel curentul prin tranzistor (respectiv prin canal).

Daca la suprafata regiunii semiconductoare de tip -n, cuprinsa intre sursa (S) si drena (D) la fel ca in figura:

se aplica pe poarta (P) un camp electric de intensitate E_s, (determinat de diferenta dintre tensiunea de poarta V_p si tensiunea V_s existenta la suprafata semiconductorului datorita tensiunii de drena). Iar W_i este grosimea stratului de SiO₂, atunci dielectricul este strabatut de campul Ed, dat de relatia:

V_p - V_s

E_d = ----- ----- ----

i

Atunci cand tensiunea - V_s atinge langa drena o valoare egala cu - V_p, datorita cresterii tensiunii de drena - V_d, sarcina spatiala mobila din stratul de inversiune scadefoarte mult si devine compatibila cu sarcina din regiunea (apropiata) de saracie, ducand la intreruperea curentului.

Tranzistorul MOS se caracterizeaza printr-o rezistenta de intrare foarte mare (10¹⁰ - 10¹⁴ Ω) si o rezistenta mica de iesire, caracteristici care fac posibila utilizarea acestor tranzistoare in circuitele speciale si in circuitele integrate logice sau liniare.

6 Tranzistorul cu substraturi subtiri

Procesul tehnologic de realizare a dispozitivelor active de amplificare-tranzistoare cu straturi subtiri, comporta unele dificultati datorate slabei reproductibilitati a caracteristicilor electrice dat fiind structura policristalina a straturilor semiconductoare subtiri. Rezultate bune s-au obtinut prin aceste procedee de realizarea tranzistoarelor peliculare cu efect de camp - TFEC, care pot fi executate in mai multe variante.

Indiferent de varianta constructiva, au strat semiconductor -1, separat de electrodul de comanda -2 printr-un strat izolator -3, electrozii de sursa -4 si drena -5 fiind plasati in contact direct cu stratul semiconductor, la o distanta (L) mica intre ei, de 5-50 μm (vezi figura);

Din aceeasi familie face parte si tranzistorul cu straturi subtiri cu electroni fierbinti. In constructia acestor tranzistoare elementul principal il constituie baza sa, formata dintr-un strat metalic foarte subtire (care trebuie sa fie de ordinul lungimii de absortie a electronilor fierbinti in aceste straturi, aproximativ 100 Ǻ) ce este dispus intre doua straturi semiconductoare sau dielectrice. Pe suprafetele exterioare ale acestor straturi semiconductoare (dielectrice) se depun contacte electrice (ohmice), rezultand structura de transitor cum arata figura:

Unul din straturile externe joaca rolul de emitor, bariera de contact dintre strat si stratul metalic trebuind sa permita injectarea unui flux intens de electroni fierbinti de neechilibru in domeniul bazei sa franeze curentulinvers al purtatorilor de echilibrudin baza.

Celalalt strat alipit bazei metalice constituie sectorul tranzistorului. O parte din fluxul electronilor fierbinti injectati in baza vor fi imprastiati in stratul metalic, constituind curentul Ib, care se scurge prin electrodul bazei. Cea mai mare parte a electronilor injectati va ajunge la contactul baza-selector si trecand peste bariera de potential (φ_c) de la acest contact va crea curentul de colector I_o. Este necesar ca bariera de potential - φ_c sa fie mai mica decat bariera de potential - φ_e , de la contactul emitor-baza, adica:

φ_c > φ_e

Un asemenea transistor lucreaza similar cu un transistor n-p-n, cu baza la masa, in care curentul I_b este mic, iar factorul de amplificare in curent este apropiat de unitate.