2020-05-25
73
Расчет биполярного транзистора с применением ЭВМ
По литературному источнику определяем основные электрические параметры и эксплуатационные данные на заданный транзистор (КТ315Б).
Таблица 3: Основные электрические параметры и эксплуатационные данные на заданный транзистор
| Тип транзистора | Струк тура | 
| 
| 
| 
| 
| Интервал рабочих темпера тур | |
| КТ315Б | n-p-n | 100 | 20 | 100 | 15 | 40 | 15 | -60…+85 |
Используя ЭВМ и данные, полученные из справочной литературы, определяем нужные нам характеристики интегрального биполярного транзистора.
Исходные и корректируемые данные:
1.Значение тока коллектора 
=100 мА.
2.Напряжение коллектор-эмиттер 
=20В.
3.Длина эмиттера =0,005см.
4.Ширина эмиттера 
=0,005см.
5.Глубина 
области (эмиттер) 
=0,85*10-4 см.
6. Глубина 
области (активная база) 
=3*10-4 см.
7.Толщина эпитаксиальной пленки 
=10*10-4 см.
8.Концентрация донорной примеси на поверхности эмиттера 
= 3*1021 
.
9. Концентрация акцепторной примеси на поверхности базы 
= 5*1017 .
10. 
= 5*1015 .
11.Температура окружающей среды 300 К.
Результаты расчета на ЭВМ:
1.Статический коэффициент передачи тока =46,7 
.
2.Граничная частота усиления 
=107МГц.
3.Поверхностное сопротивление эмиттера 
=0,573 
.
4.Поверхностное сопротивление коллектора Pпов k =569 .
5.Поверхностное сопротивление пассивной базы 
=284 .
6.Поверхностное сопротивление активной базы 
=480 .
7.Сопротивление базы 
=28,5 Ом.
8.Сопротивление коллектора 
=60 Ом.
9.Пробивное напряжение перехода эмиттер-база 
=6,78 В.
10.Пробивное напряжение перехода коллектор-база 
=116 В.
11. 
=32 В.
12.Емкость перехода база-эмиттер 
=15 пФ.
13.Емкость перехода база-коллектор 
=0,26 пФ.
14.Время заряда емкости эмиттерного p-n перехода 
= 
с.
15.Время переноса носителей через активную базу транзистора 
= 
с.
16.Время пролета носителей заряда через ОПЗ коллекторного перехода 
= 
с.
17.Время заряда емкости коллекторного p-n перехода 
= 
с.
18.Удельная емкость 
= 
.
19. Удельная емкость 
=.
Остальные элементы (резисторы, конденсаторы) выполняются на основе областей биполярного транзистора. Выполним соответствующие расчеты.
Расчет резисторов:
Исходными данными для расчета геометрических размеров интегральных полупроводниковых резисторов являются: заданное в принципиальной электрической схеме номинальное значение сопротивления R и допуск на него 
, поверхностное сопротивление легированного слоя 
, на основе которого формируется резистор, среднее значение мощности
P и максимально допустимая удельная мощность рассеяния 
( =8 
для диффузионных и имплантированных резисторов), основные технологические и конструктивные ограничения.
R1=1 кОм 
15%
Так как данный резистор имеет сопротивление не более 10 кОм и не менее 1 кОм, то в качестве конструкции используем диффузионные резисторы на основе базовой области ( =480 ). Конфигурация данного резистора изображена на рисунке 4.
Рис.4. Конфигурация диффузионных резисторов R1
Минимальную ширину резистора, при которой обеспечивается заданная погрешность, определяют из выражения:
0,331, (4)
где Db и Dl - погрешности ширины и длины, обусловленные технологическими процессами. Для типовых процессов (Dl=Db=0.1 мкм).
0,35, (5)
где 
- погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления, для типовых процессов его выбирают в пределах 0,05¸0,1.
Теперь найдем минимальную ширину резистора 
, определяемую из максимально допустимой мощности рассеяния
. (6)
=7,3 мкм.
Для составления чертежа топологии необходимо выбрать шаг координатной сетки. Выбираем 1:500. Затем определяют промежуточное значение ширины резистора:
, (7)
где 
- погрешность растравливания окон ( =0,2¸0,5 мкм);
- погрешность ухода диффузионного слоя под маскирующий окисел (» 60% базового и 80% эмиттерного слоёв).
пром=7,3-2×(0,5+1,8)=2,7 мкм
Реальная ширина резистора на кристалле:
(8)
где топ – топологическая ширина резистора.
Отсюда =9,6.
Расчётную длину резистора определяют по формуле:
(9)
где n1 – число контактных площадок резистора (n=2);
k1 – поправочный коэффициент, определяемый по номограмме (k1=0,5).
Тогда имеем
=50,4 мкм.
Затем рассчитывают промежуточное значение длины:
(10)
Реальная длина резистора на кристалле:
(11)
Аналогично рассчитываем резисторы R1, R2, R3, R4, R5.
Таблица 4: Расчет резисторов
| Номин., кОм | Откл., % | Мощность, Вт |
| Коэф. формы |
мкм |
мкм |
мкм |
мкм |
мкм |  топ,
мкм
| ||||||||||
| R1 | 1 | 15 | 0,125 | 480 | 6,25 | 0,331 | 7,3 | 5 | 9,6 | 50,4 | 55 | ||||||||||
| R2 | 1 | 15 | 0,125 | 480 | 18,75 | 0,3 | 3,4 | 5 | 9,6 | 168,4 | 173 | ||||||||||
| R3 | 2 | 15 | 0,125 | 480 | 10,4 | 0,313 | 6,5 | 5 | 9,6 | 90,4 | 95 | ||||||||||
| R4 | 2 | 15 | 0,125 | 480 | 15,6 | 0,3 | 6,1 | 5 | 9,6 | 150,4 | 155 | ||||||||||
| R5 | 10 | 15 | 0,125 | 480 | 19,8 | 0,333 | 5,6 | 5 | 9,6 | 177,4 | 182 | ||||||||||
,
,
,
Расчет конденсатора:
Выбор конструкции конденсатора определяется значениями допустимого рабочего напряжения 
и номинальной емкости 
. Напряжение ограничено величиной напряжения пробоя p-n-перехода.
Напряжения пробоя p-n-перехода коллектор – база 
и эмиттер – база 
рассчитывались ранее при проектировании биполярного транзистора и имеют следующие значения: =116 В, =6,78 В. И то и другое пробивное напряжение обеспечивает заданное . Удельную емкость p-n-перехода коллектор – база и эмиттер – база при нулевом смещении на нем ( =0В, =0В) также рассчитывались при проектировании биполярного транзистора и имеют следующие значения: 
=9,69*10-9 Ф/см2, 
=1.06*10-7 Ф/см2. Таким образом целесообразно выбрать удельную емкость, которая в наилучшей степени обеспечивает площадь конденсатора, соизмеримую с площадью, занимаемой транзистором, то есть выбираем конденсаторы на основе p-n-перехода эмиттер – база.
Расчет удельной емкости боковой части p-n-перехода эмиттер – база затруднен, поэтому ее величина может быть принята равной 
. Удельная емкость боковой части p-n-перехода коллектор – база практически равна ее донной части .С целью минимизации размеров кристалла полупроводниковой ИМС принимаем топологию конденсатора квадратной формы со стороной А. Величина А для конденсатора на основе p-n-перехода эмиттер – база определяется из уравнения:
,
где 
= - удельная емкость донной части p-n перехода эмиттер-база;
= 1000 
- удельная емкость боковой части p-n перехода эмиттер-база;
- глубина эмиттера;
– номинальная емкость заданного i-го конденсатора.
Таким образом, решая данное уравнение относительно А, получим размеры конденсаторов:
А=135 мкм – для конденсаторов С1 и С3.
А=158 мкм – для конденсатора С2. с целью уменьшения топологических размеров конденсатора используем параллельное включение двух p-n-переходов, осуществляемое с помощью металлических проводников. Таким образом имеем:
А=111мкм.
