XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Биполярный транзистор и основы его конструирования

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Медведев Э.Э. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 26, МБОУ СОШ № 26; Муниципальное автономное учреждение дополнительного образования «Дом детского технического творчества», МАУ ДО ДДТТ

Радченко Татьяна Ивановна, Силаев Иван Вадимович 1

---

1МБОУ СОШ №26

Работа в формате PDF

1.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. Введение

Выбранная тема современна и актуальна, так как полупроводниковые приборы – основа современной электроники. А понимание процессов, происходящих внутри таких сложных структур, закладывает основы для дальнейшей конструкторской деятельности и разработке более оптимальных вариантов технологических процессов, позволяющих изготавливать эти стратегические изделия. Использование IT –технологий в различных сферах человеческой деятельности на самом деле подразумевает наличие высокоэффективного «железа», о чём обычно люди не задумываются, воспринимая его как некую данность. Но вся цифровая экономика, банковский сектор, управление, хакерские атаки, индустрия компьютерных развлечений, связь – это всего лишь надстройка. Без «железа» весь этот мираж тут же исчезнет. Поэтому так важно совершенствовать учебный процесс, подготавливая новые квалифицированные кадры, которые смогут не только воспроизводить уже известные технологические процессы, но и заниматься разработкой новых, закладывая пути стратегического развития.

Цель данного проекта – разработка и изготовление действующей модели биполярного транзистора.

Задачи – изучение основ конструирования транзисторов, а затем разработка действующей модели биполярного транзистора, её изготовление и исследование характеристик изделия.

Объект исследования в данной работе: биполярные транзисторы и как вспомогательный элемент – диод Шоттки.

Предмет исследования – вольтамперные и другие технические характеристики полученных изделий.

Практическая значимость проекта и область применения разработки: материал может быть применён в учебном процессе для обучения основам технологии изготовления полупроводниковых приборов.

Методы и приёмы, используемые в работе: после изучения теоретического материала, а также инструкций и рекомендаций (для выполнении практических действий), описанных в соответствующей литературе, были проведены серии экспериментов вначале с промышленными биполярными транзисторами; далее полученные результаты подвергались анализу с целью создания нового продукта – действующей модели биполярного транзистора. В результате автором разработан учебный вариант технологических процессов изготовления полупроводниковых приборов. В частности, произведены адаптация и упрощение реальной технологии изготовления биполярного транзистора до уровня, позволяющего обучающемуся понять происходящие процессы и выполнить действия необходимые для создания действующей модели. При этом был использован предварительный более простой вариант– диод Шоттки – изделие с одним переходом металл – полупроводник, аналогичным p─n - переходу. Изготовленные модели проходили исследования, результаты которых фиксировались с помощью фотографий, таблиц и графиков. В процессе работы были использованы учебники по общей и прикладной физике, литература по полупроводниковым приборам и справочные материалы из интернета.:

Новизна работы: разработана технология изготовления действующей модели биполярного транзистора, адаптированная к учебному процессу.

2. Полупроводниковые приборы: диод и транзистор

Контакт двух полупроводников (p − n - переход) обладает односторонней проводимостью. В диоде он один (рис. 1), а в транзисторе − два (рис. 2) [1, 2]. Кроме того, часто используют вариант перехода с односторонней проводимостью – это контакт металл - полупроводник [3]. Это диоды с барьером Шоттки [4]. Работу по изучению и изготовлению полупроводниковых приборов мы проводили по принципу от простого к сложному.

Полупроводниковый диод - прибор представляет собой пластинку с двумя областями разной проводимости (р- и n-типа) и р–n - переходом между ними.

Прямой переход – правая часть графика. При обратном подключении к батарее – обратный ток очень слабый (левая часть графика), так как ток осуществляется неосновными носителями заряда. Сопротивление перехода возрастает. Образуется запирающий слой. Этот переход называют обратным.

Биполярный транзистор - радиоэлектронный компонент, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Используется для усиления, преобразования и генерирования сигнала. Может быть электронным ключом. Принцип действия транзистора: одна цепь управляет другой [2].

Физические процессы в биполярном транзисторе показаны на рис. 3. За счёт действия поля источника Е_БЭ через эмиттерный переход идёт прямой ток I_Э, он обеспечивается в основном инжекцией электронов из эмиттера в базу. Инжекция дырок из базы в эмиттер незначительна ввиду различия концентраций атомов примесей.

Поток электронов, обеспечивающий ток I_Э через переход Э–Б изображён широкой стрелкой. Часть инжектированных в область базы электронов (это 1- 5%) рекомбинируют с дырками (основными для этой области носителями заряда). Но при этом инжектированных в базу электронов остаётся достаточно много. Вблизи коллекторного р−n-перехода электроны попадают под действие ускоряющего электрического поля этого перехода. В базе они являются неосновными носителями и, следовательно, происходит их втягивание (экстракция) в область коллектора. Там они уже являются основными носителями заряда и доходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней цепи транзистора. Ток эмиттера численно является самым большим и равен:

I _Э = I_К + I_Б.

3. Изготовление полупроводниковых структур, используя контактные маски

Прежде чем перейти к изготовлению транзистора, необходим предварительный этап, предполагающий изготовление более простого изделия путём напыления через контактные маски. В качестве такого объекта был выбран диод Шоттки [5], так как его изготовление аналогично [6].

3.1. Изготовление выпрямительной полупроводниковой структуры с барьером Шоттки. Диод Шоттки

Полупроводниковый диод с малым падением напряжения назван диодом Шоттки в честь немецкого учёного Вальтера Шоттки. Вместо p–n- перехода используется переход металл – полупроводник. Эти диоды изготавливают на основе кремния, арсенида галлия, германия. Выбор металла определяет многие параметры диода. В частности – контактную разность потенциалов на границе металл – полупроводник.

Достоинства. Так как работа идёт только на основных носителях: падение напряжения при прямом включении 0,2—0,4 В. А. Например, для кремниевых диодов: 0,6—0,7 В. Отсутствие p–n- перехода даёт возможность повысить рабочую частоту, что используют в логических интегральных микросхемах или в выпрямителях на частотах в сотни кГц (у них ниже уровень помех).

Недостатки. В отличие от обычных кремниевых p–n-диодов при кратковременном превышении максимально допустимого значения обратного напряжения диод Шоттки выходит из строя [4].

Изготовление диода с барьером Шоттки

Цель – используя технологию термовакуумного напыления, включая напыление через контактные маски, изготовить выпрямляющую полупроводниковую структуру на основе низкоомного кремния и снять вольтамперную характеристику полученного диода.

Процесс изготовления шёл следующим образом: на полированную пластину низкоомного кремния (10 Ом) р- типа (Si, легированный бором), ориентации [100], диаметром 60 мм методом термовакуумного испарения нанести омический и выпрямительный контакты. Омический контакт - слой серебра толщиной 0,06 мкм. Выпрямляющим контактом будет слой никеля, толщиной 0,06 мкм. После изготовления снята вольтамперная характеристика, подтверждающая одностороннюю проводимость структуры.

Кремниевая пластина промыта в дистиллированной воде и обезвожена в изопропиловом спирте. Просушенную пластину крепят на держателе пластин. С обратной стороны пластину закрыли экраном из пластинки из нержавеющей стали. (Чтобы в процессе напыления различных материалов на разные стороны пластины предотвратить «запыление» материалов друг другом.) Процессы на рис. 4. Когда напыляют Ni, то сторону пластины, предназначенную для Ag, закрывают экраном. После напыления Ni пластину переворачивают и экраном закрывают этот слой никеля. Наибольшую трудность при напылении Ag и Ni представляет процесс испарения Ni. (Испаритель из вольфрама с закреплённым на нём Ni – рис. 5). Кремниевая пластина со слоем Ag и Ni – рис.6,7.

Никель – металл хорошо смачивает испарители из тугоплавких металлов и вступает с ними в реакции, приводящие к образованию сплава с низкой температурой плавления. Это приводит к преждевременному перегоранию испарителя. Поэтому в качестве испарителя взяты две проволоки из вольфрама толщиной 1 мм. Никелевая пластинка, подлежащая испарению, была зафиксирована на них с помощью тонкой вольфрамовой проволоки. Проволока не позволяет никелю упасть с испарителя до плавления.

После плавления никель хорошо смачивает испаритель, растекаясь по его поверхности ровным слоем. Загрузка Ni составляла до 30 % от массы вольфрамового испарителя, чтобы он не перегорел.

Серебро хорошо смачивает лодочный испаритель из Mo, не вступая с ним в нежелательное взаимодействие, и испарение Ag не представляет никаких трудностей.

Подготовленная к процессам напыления кремниевая пластина была установлена в вакуумной камере. В процессе откачки был проведен цикл ионноплазменной очистки подложки высоковольтным разрядом между специальными электродами внутри камеры. На пластину были последовательно напылены: 1. Слой серебра толщиной 0,06 мкм на одну сторону. 2. После перезагрузки камеры – слой никеля толщиной 0,06 мкм (на другую сторону). Толщина слоя контролировалась оптическими методами в процессе напыления. При напылении слой металла покрывает всю площадь и пластины, и держателя.

В качестве электрических контактов к структуре были использованы полоски из самоклеющейся алюминиевой фольги. Затем всё установили в корпус – рис. 8 а, б.

Проведение исследований с полученным полупроводниковым диодом

Вольтамперная характеристика подтвердила – получена структура с односторонней проводимостью. Результаты:

Рис. 9 – вольтамперная характеристика для обратного тока.

Прямой и обратный ток отличаются в 4 раза.

Для области пространственного заряда получено: R_ОПЗ = 256 Ом.

ВЫВОДЫ: Измерением ВАХ установлено, что полученная полупроводниковая структура обладает односторонней проводимостью.

3.2. Изготовлениебиполярного транзистора и исследование его электрических характеристик

После теоретического изучения принципов работы выпрямляющих переходов и технологии изготовления различных типов полупроводниковых структур, а также проведения подготовительных работ, а именно, изготовления диодов Шоттки, было решено продолжить работу с целью самостоятельного изготовления биполярного транзистора [6].

На начальном этапе требовалось нанести слой металлизации, который будет выполнять роль контакта «База». Контакт должен быть невыпрямляющим – омическим. В качестве металла было выбрано серебро, так как оно в контакте с кремнием дает нужный в нашем случае омический невыпрямляющий контакт. Для создания необходимых областей с четкими границами применялись контактные маски.

Контакт «База» должен располагаться по внешнему краю пластины. Поэтому центральная часть была закрыта контактной маской. Готовую сборку поместили в установку напыления и нанесли слой серебра в 10 мкм.

Следующим этапом было формирование эмиттерного перехода. Область эмиттера формировалась на той же стороне кремниевой пластины, где был до этого изготовлен контакт «База». Процессы на рис.10.

Готовая сборка помещалась также в установку вакуумного напыления, где наносился слой никеля толщиной 1 мкм. Последним этапом формирования полупроводниковой структуры было нанесение контакта «Коллектор» - рис. 11. И в этом случае был использован никель. Готовая сэндвичевая структура (рис. 12) установлена в специальный корпус. Окончательная сборка - рис. 13.

Результаты экспериментов: таблицы 1 - 4, фотографии (рис. 14 а, б). Электрическая схема, собранная для снятия вольтамперных характеристик – рис. 15 [6]. ВАХ – рис 16 а, б. Проводились испытания транзистора с нагрузкой в виде лампы на 6 вольт. При подаче на транзистор отпирающего потенциала, лампа начинала светиться, когда подавали 25 В. Анализ результатов показывает, что полученная модель биполярного транзистора работоспособна.

Проведённые измерения сопротивлений переходов показали влияние света на их электрическое сопротивление. Наиболее сильно реагирует эмиттер: освещаем прямой переход – сопротивление резко падает за счёт разрыва ковалентных связей и появления дополнительных свободных носителей заряда. Для обратных переходов при освещении зафиксировано увеличение сопротивления. Полученные структуры требуют дальнейшего исследования и интерпретации полученных результатов. Общий результат работы – изготовленное изделие транзистор, что подтверждают эксперименты.

4. Заключение

В ходе работы были рассмотрены наиболее распространённые технологии изготовления полупроводниковых приборов. В результате авторами был выбран вариант изготовления биполярного транзистора с использованием доступных в данных условиях технологий, а именно, термовакуумное напыления с использованием масок. Предварительно были проведены эксперименты по изготовлению более простого изделия – диода Шоттки, что позволило лучше разобраться в технологии изготовления и внести необходимые коррективы. С полученной действующей моделью были проведены исследования, что представлено таблицами и графиками. Эксперименты подтвердили работоспособность данного транзистора.

Модель предназначена для наглядной демонстрации устройства и принципов действия биполярных транзисторов. Её можно использовать в учебном процессе в учебных заведениях различного уровня, а также в работе технических кружков, повышая качество обучения и доступность изучаемого материала. Новизной работы следует считать то, что авторами разработана технология изготовления действующей модели биполярного транзистора, адаптированная к учебному процессу.

5. Список использованных источников и литературы

1. Мякишев Г. Я. , Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н. Физика. 11 класс. / Мякишев Г.Я.: учебник. – М.: Просвещение, 2020. – 416 с.

2. Резников З.М. Прикладная физика. −М.: Просвещение, 1989.– 239 с.

3. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике для инженеров. − М.: Наука, 1979. – 944 с.

4.Бутенко Д.В., Созинов Б.Л., Черкасова Г.С. Исследования полупроводниковых приборов./ Электронное учебное пособие. – М.: МГТУ, 2014. – 64 с.

5. Майссл Л. , Глэнг Р. Технология тонких плёнок. – М.: Советское радио, 1977. – 215 с.

6. Силаев И. В., Радченко Т. И., Гергиева Б. Э., Магкоев Т. Т. Физико-химические основы и технология получения тонких плёнок резистивным испарением. / Учебное пособие. – Владикавказ: Изд-во СОГУ, 2016. – 136 с.

6 . Приложения

Рисунок 1 а - полупроводниковый диод; б – ВАХ и состояние р–n-перехода

Рисунок 2. Биполярный транзистор (устройство, обозначение, ток)

Рисунок 3.

Рисунок 4. Кремниевая пластина и её подготовка к напылению

Рисунок 5. Вольфрамовый испаритель с Ni

Рисунок 6. Кремниевая пластина Рисунок 7. Слой никеля в с напыленным слоем серебра центральной части пластины

Рисунок 8 а, б. Изготовленный диод Шоттки. Вид со стороны омического контакта и выпрямляющего контакта

Рис. 9. ВАХ изготовленной полупроводниковой структуры (Ni-Si-Ag)

Рисунок 10 . Кремниевая пластина и подготовка к напылению

Рисунок 11. Изготовление никелевого контакта «Коллектор»

Рис. 12. Сэндвич- структура Рис. 13. Завершение игготовления

Таблица 1. Измерение электрического сопротивления переходов изготовленного биполярного транзистора (эмиттер – база)

Таблица 2. Измерение электрического сопротивления переходов изготовленного биполярного транзистора (база - коллектор)

Таблица 3. Измерение электрического сопротивления переходов изготовленного биполярного транзистора (эмиттер – база)

Таблица 4. Измерение электрического сопротивления переходов изготовленного биполярного транзистора (база - коллектор)

Рисунок 14. Измерение сопротивлений полученных переходов

Рисунок 15. Схема для экспериментов по снятию ВАХ

Рисунок 16. Вольтамперные характеристики для переходов эмиттер – база и база -коллектор