5.3 Расчет емкостей и размеров переходов

Задача: Определить барьерные (зарядные) емкости и величины поверхности коллекторного и эмитерного переходов, а так же геометрические размеры полупроводниковой пластины, в которой формируется транзисторная структура.

1. Зарядная емкость коллекторного перехода. Cзк и величина поверхности коллекторного перехода Sк:

Коллекторный переход плавный, поэтому:

Cзк = Sк (21).

Известно, что:

Cзк = 2*10-12 пФ и Sк = 2.678418*10-4 см2.

Исходя из данных значений Cзк и найдено максимальное значение Sкmax. Можно считать, что:

Sкmax = 0.9 c d (22).

Задаемся значением p = 150*10-4 см.

Добавив к нему 250 мкм находим с

с = (250 + 150) *10-4 = 400*10-4см

1. Зарядная емкость эмитерного перехода. Cзэ и величина поверхности эмитерного перехода Sэ:

Эмитерный переход резкий, поэтому:

Cзэ = Sэ (23).

Для нахождения Cзэ необходимо найти jкрп и Аэ:

jкрп = jт = 0.5136617В (24),

Sэ = Ik (25).

Задаемся величиной Uэб = 0.2313273В, соответствующей

Sэ = 3.769911*10-5см2.

Теперь можно рассчитать Cзэ по формуле (26):

Cзэ =1,677762*10-11Ф.

3. Размеры эмитера и базы.

Размеры металлических выводов определяются величиной Sэ и и глубиной вплавления электрода в кристалл hэ:

Rэ = - hэ + (26).

Величина hэ выбирается в пределах hэ = 10..30мкм, выбираем hэ = 20мкм.

Rэ = 20мкм.

Для центрального расположения выводов Rэ = Rб, Rб = 20мкм.

5.4 Расчет сопротивлений ЭС и граничных частот

Задача: определение сопротивлений эквивалентной схемы, дифференциальных, диффузионных и омических сопротивлений ЭС транзистора.

Рис. 3. Эквивалентная схема транзистора в схеме с ОБ.

1. Дифференциальное сопротивление эмитера:

(27),

= 1,438889 Ом.

2. Сопротивление базы есть сумма омического сопротивления и диффузионного сопротивлений, а также сопротивления растекания базового контакта :

(28).

Сопротивления можно найти по формуле:

(29),

Для центрального расположения :

(30),

= 26,82607 Ом

Для центральной части выводов эмиттера и базы:

(31),

где = 0.004245Омсм,

= 48,10962 Ом

=74,93569

Диффузионное сопротивление учитывающее внутреннюю обратную связь в транзисторе за счет эффекта Эрли равно:

(32),

= 110,3175

Для сплавно-диффузионных транзисторов << , поэтому не учитывается:

= 36 Ом.

3. Сопротивление коллектора.

Задача: определить диффузионное и омическое сопротивление коллектора.

Для плавного коллекторного перехода:

(33),

где параметр Lok находится по формуле:

= 9.84 10-3 см (34),

= 1,932747*10-4 мкм (35),

rk = 3,232326*107 Ом,

= 2,475851 Ом.

4. Граничные частоты.

Определив величины зарядных емкостей переходов и сопротивлений ЭС, зная время пролета базы ННЗ можно найти величину fa:

fa = [2p(tпр + Сзэ rэ + Сзк rб’)]-1 (36),

где, rэ=1,438889, Сэ=1,677762*10-11

fa = 103,7305 МГц.

Найдём величину максимальной частоты генерации, воспользовавшись выражением (37):

fmax = (37),

fmax = 150,7364 МГц.

Рассчитаем граничную частоту коэффициента передачи тока в схеме ОЭ по формуле (38)

МГц. (38)

5.5 Расчет обратных токов коллектора

Задача: определить обратный ток коллекторного перехода Iк.обр.

Обратный ток коллекторного перехода состоит из 3х компонент: теплового тока; тока термогенерации; тока обусловленного рекомбинацией на поверхности базы:

Iк.обр = Iко + Iген + Iрек.б (39).

1. Тепловой ток слагается из 2х компонент:

Iко = Iкоб + Iкок (40).

Здесь токи Iкоб и Iкок токи ННЗ, попадающих в переход из областей базы и коллектора соответственно:

(41),

(42).

Iкоб = 8,450151*10-9 А,

Iкок = 1,46633*10-7 А,

Iко = 1,658616*10-7 А.

2. Ток термогенерации коллекторного перехода Iген при заданном напряжении на коллекторном переходе много больше jk:

Iген = (43),

Iген = 2.63 10-7 А.

3. Ток поверхностной рекомбинации Iрек.б пропорционален величине поверхности, на которой происходит рекомбинация. В данном случае эту роль играет верхняя часть поверхности диффузионного слоя Аn:

Аn = (p - d) + pd2 (44).

Скорость поверхностной рекомбинации S = 900 см/с

(45),

Iрек = 9 10-8 А.

Далее по формуле (39) находим Iк.обр:

Iк.обр = 7,715074*10-7 А.

5.6 Расчет параметров предельного режима и определение толщины элементов кристаллической структуры

Задача: Определение величины Ikmax или Pkmax, а также толщины кристалла – заготовки и других элементов кристаллической структуры.

1. Определение допустимого значения теплового сопротивления.

Тепловое сопротивление RT связывает перепад температур DT между коллекторным переходом и окружающей средой с мощностью, рассеиваемой в переходе Рк:

DT = RT Рк = RT Uк Iк (46).

Тепловое сопротивление корпуса RTк = 0.1 К/мВт.

Тепловое сопротивление транзисторной структуры RTСТ:

RT = RTСТ + RTк (47).

RT находим из формулы (46)

RT = DT/ Рк = 0,783334 К/мВт.

DT = Tk.max – Tокр.ср = 70 – 25 = 45о.

Из соотношения (47) находим RTСТ:

RTСТ = RT - RTк = 0,683333 К/мВт.

2. Расчет величин теплового сопротивления транзисторной структуры:

RTСб = (48),

RTСб = 0,06578575*4,16=0,2704 К/мВт.

Rт=RTCT + RТК = 0,27+0,1=0,37 К/мВт.

5.7 Расчёт эксплутационных параметров

5.7.1 Максимальная расчётная мощность находится по формуле (49)

, (49)

мВт

5.7.2 Рассчитаем максимальное напряжение коллектора воспользовавшись соотношением (50) Uк max =, (50)

Где: - удельное сопротивление коллектора =0,9903 Ом*см

- низкочастотное значение коэффициента передачи тока в схеме с общей базой, =0,991

=0,8

Uк max=15,565 В.

5.7.3 Максимальный ток коллектора Iк max ищется из соотношения (51)

Iк max=, (51)

Подставляя в формулу (51) рассчитанные значения Uк max и Pк max

Iк max=7,812399 мА

Упрощённая структурная схема для расчёта тепло отвода дрейфового транзистора.

Рис. 4

6. Выбор корпуса транзистора

Конструктивно корпус состоит из двух основных элементов: основания и баллона. Основание включает в себя: фланец, изолятор и выводы. Баллон представляет собой чашечку с буртиком. Для маломощных биполярных транзисторов наиболее подходящие металостеклянные корпуса типов КТ-1 и КТ-2.

Корпус КТ-1, металлостеклянный, герметизируемый электроконтактной сваркой. Фланец основания представляет собой металлическую чашку, заполненную стеклом (изолятор), через которое проходят выводы, имеющие буртик для герметизации электроконтактной сваркой. Корпус имеет корпусной вывод, который приварен ко дну фланца. Баллон корпуса представляет собой полый цилиндр с дном, который надевается на наружный диаметр чашки фланца.

Такая конструкция полностью гарантирует отсутствие попадания выплесков при сварке внутрь рабочего объема корпуса. Данный корпус обладает высокой надежностью за счет удачной конструкции металлостеклянного изолятора, имеющего большую протяженность спая, и относительно большого объема стекла, размещенного внутри полого металлического фланца, фланец корпуса и выводы изготавливаются, как правило, из сплава 29НК (ковар), стекла марки С48-2. Заготовка стекла представляет собой таблетку с отверстиями. Баллон изготавливается из стали или никеля. Металлические детали корпуса в зависимости от типов транзисторов, для которых может быть применен этот корпус, покрываются никелем или золотом, а наружные концы выводов облуживаются. Сам корпус после герметизации для защиты от внешних климатических воздействий может иметь гальваническое или лакокрасочное покрытие.

В этом корпусе как у нас, так и за рубежом выпускается много типов маломощных транзисторов с рабочими частотами до 1,5 ГГц, предназначенных как для бытовой, так и для специальной аппаратуры.

Возможность монтажа в корпусе планарного или сплавно-диффузионного перехода, то есть кристалл припаивается коллекторным выводом непосредственно к фланцу, и корпус является коллекторным внешним выводом. При этом максимальные размеры кристалла могут быть 1,8х1,8 мм. Конструкция корпуса позволяет производить напайку кристалла как мягкими припоями, так и эвтектическими припоями золото-кремний и золото-германий. Возможность монтажа кристалла, когда необходимо, чтобы он был электрически изолирован от корпуса или когда необходимо иметь малые значения емкости коллектор - база Ск. В этом случае напайка кристалла производится непосредственно на один из изолированных выводов корпуса, конец которого расплющен и лежит на стекле изолятора. Это позволяет иметь значение Ск в корпусе около 0,3 пф.

Конструкция этого корпуса позволяет удобно монтировать транзистор в аппаратуре. Наличие гибких выводов и строгая цилиндрическая форма баллона позволяет монтировать транзистор непосредственно на печатную плату или фиксировать его в специальном гнезде. Кроме того, строгая цилиндрическая форма баллона позволяет надевать в случае необходимости специальный теплоотводящий элемент, улучшая тем самым отвод тепла от прибора и увеличивая рассеиваемую мощность транзистора.

Корпус КТ-2, (TO-5 - зарубежное обозначение), металлостеклянный, герметизируемый электроконтактной сваркой, аналогичен по своей конструкции корпусу КТ-1 и имеет только несколько большие размеры. Его конструкция обладает такой же надежностью, отличается такой же простотой и технологичностью конструкции, как и корпус КТ-1. В этом корпусе можно монтировать все существующие типы переходов маломощных транзисторов, а также кремниевые транзисторы средней мощности (до 5Вт) при условии использования дополнительного теплоотвода.

Возможность монтажа в корпусе планарной или сплавно-диффузионной структуры показана, когда кристалл своим коллекторным электродом напаивается непосредственно на фланец основания. При этом кристалл может иметь максимальные размеры 3,5 х 3,5 мм.

Возможность монтажа в корпусе планарной или сплавно-диффузионной структуры, когда ее необходимо электрически изолировать от корпуса. В этом случае кристалл напаивается на один из изолированных выводов, конец которого расплющен.

Вариант монтажа в этом корпусе славного перехода с кристаллом размером 2,6х2,6 мм с помощью кристаллодержателя. Этот корпус, так же как и КТ-1, удобен для монтажа в нем всех типов кристаллов, монтажа транзисторов в аппаратуре, позволяет легко надевать на цилиндрическую часть баллона дополнительный теплоотвод.

Данный корпус нашел широкое применение за рубежом как для маломощных и средней мощности (до 5 Вт) транзисторов, так и для интегральных схем. Недостатком корпусов КТ-1 и КТ-2 является возможность газовыделения во внутренний объем корпуса при герметизации. Это недостаток всех горячесварочных корпусов, но он преодолевается применением защиты сплавных и сплавнодиффузионных структур различными лаками, компаундами, цеолитом.

7. Обсуждение результатов

1. Коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ b = 65, рассчитанное значение b=150,7364. Данный биполярный транзистор в схеме с ОЭ обеспечит заданный коэффициент передачи тока.

2. Граничные частоты коэффициента передачи тока fa = 90 МГц, рассчитанное значение fa = 103,73 МГц. При работе биполярного транзистора на частоте до fa коэффициент передачи тока в схеме с ОБ будет удовлетворять заданному значению.

3. Заданное максимальное напряжение на коллекторе техническое значение: Uk max = 18В, рассчитанное значение Uk max = 17.565 В.

В соответствии с формулами (5) и (50) Uk max зависит от величин (1-αо) и ρк. Первоначально Uk max было расчитанно для α=03986, тогда как при расчёте Uk max по формуле α бралось равным α=0,991. Отсюда следует, что (1-α)е уменьшилось, и рассчитанное значение оказалось меньше Uk max из ТЗ.

4. Максимальная мощность, рассеиваемая в коллекторе Pk max =60 мВт, рассчитанное значение Pk max = 60 мВт.

5. Максимальный ток коллектора Ik max = 12 мА, рассчитанное значение Ik max = 12 мА. При работе биполярного транзистора максимальный ток коллектора будет соответствовать заданному значению.

В ходе проделанной работы были приобретены практические навыки решения задачи создания дискретных полупроводниковых приборов.

8. Выводы:

В ходе проделанной работы были приобретены практические навыки решения инженерных задач создания дискретных полупроводниковых приборов.

Нами были выбраны и рассчитаны основные параметры транзистора. Расхождения (в сторону ухудшения) составляют не более %

Нами также были выбраны технология изготовления транзистора, его корпус и материалы, применяемые в призводстве.

9. Список используемой литературы

1. В.И. Торопчин, Расчет и проектирование маломощных биполярных транзисторов, Саратов, 1988г, 213с.

2. Н.Н Горюнов, Справочник по полупроводниковым приборам, Москва,«Энергия», 1977г,65 с.

3. Овечкин Ю.А. Полупроводниковые приборы, Москва, «Высшая школа»,1979г,120 с.

Страницы: 1, 2, 3

В соцсетях