Estrutura do Transistor: Fabricação do Transistor Bipolar
Detalhes essenciais da estrutura dos transistores bipolares típicos com explicações para ajudar a entender como eles funcionam.
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O Tutorial de Transistor inclui:
Noções básicas de transistor | Ganho: Hfe, hfe & Beta | Especificações do transistor | Códigos de numeração de transistores e diodos | Escolhendo transistores de substituição
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A fabricação do transistor bipolar e sua estrutura percorreram um longo caminho desde que os primeiros transistores foram feitos.
Os transistores de hoje são feitos por meio de processos sofisticados e a estrutura do transistor permite que eles tenham níveis de desempenho muito altos.
O transistor original feito por Bardeen, Brattain e Shockley consistia em dois contatos muito próximos em uma base de germânio. A estrutura deste transistor consistia em dois pontos de contato em uma área de base de germânio.
Hoje, os transistores são feitos de várias maneiras e possuem uma variedade de estruturas diferentes. Eles podem ser difusos, crescer epitaxialmente ou podem usar uma construção de mesa.
Estrutura do transistor bipolar: noções básicas
Em essência, um transistor consiste em uma área de semicondutor tipo p ou tipo n imprensado entre regiões de silício dopado de forma oposta. Como tais dispositivos podem ser uma configuração pnp ou npn.
Existem três conexões, ou seja, o emissor, a base e o coletor. A base é a do centro e é delimitada pelo emissor e pelo coletor. Dos dois externos, o coletor geralmente é maior, pois é onde a maior parte do calor é dissipada.
A base deriva seu nome dos primeiros transistores de contato de ponto, onde a conexão central também formava a “base” mecânica da estrutura. É essencial que essa região seja o mais fina possível para que altos níveis de ganho de corrente sejam alcançados. Freqüentemente, pode ter apenas cerca de 1 um de diâmetro.
O emissor é onde os portadores atuais são ’emitidos’, e o coletor é onde eles são ‘coletados’.
Estrutura do transistor de contato de ponto
Os primeiros transistores usavam uma estrutura de ponto de contato. Essa estrutura de transistor era fácil de fabricar usando equipamentos de tecnologia muito baixa, mas não era confiável.
Como o nome indica, esta estrutura de transistor bipolar usa fios para fazer um ponto de contato no material semicondutor.
Estrutura de junção ligada
Outra estrutura de transistor que foi amplamente empregada nos primeiros dias dos transistores foi a junção de liga.
A estrutura do transistor de junção de liga usou um cristal de germânio como base para toda a estrutura, além de ser a conexão da base. Os grânulos de liga emissor e coletor foram então fundidos em lados opostos. Vários tipos de transistores de junção de liga melhorados foram desenvolvidos ao longo dos anos em que foram fabricados.
Os transistores de junção de liga tornaram-se obsoletos no início dos anos 1960, com a introdução do transistor planar que poderia ser produzido em massa facilmente, enquanto os transistores de junção de liga tinham que ser feitos individualmente.
transistores de difusão
Ao contrário das estruturas anteriores do transistor, onde os contatos eram adicionados ao cristal semicondutor externamente, o transistor de difusão permitia que as várias regiões do transistor fossem criadas pela difusão de dopantes no cristal semicondutor para fornecer regiões com as características necessárias, tipo p, n- tipo, p+, n+, etc.
Os primeiros transistores de difusão usavam uma forma de estrutura de transistor de base difusa. Esses transistores ainda tinham emissores de liga e às vezes até possuíam coletores de liga, como os transistores de junção de liga anteriores. Apenas a base foi difundida no substrato, embora às vezes o substrato formasse o coletor.
Estrutura do transistor planar
A estrutura do transistor planar foi desenvolvida na Fairchild Semiconductor em 1959 e representou um grande avanço na tecnologia. Isso não apenas permitiu que os transistores bipolares fossem fabricados com mais facilidade, mas também estabeleceu a base da futura tecnologia de circuitos integrados.
A estrutura do transistor planar também inclui uma camada de passivação nas áreas externas do cristal. Isso protege as bordas da junção contra contaminação e permite que embalagens plásticas muito mais baratas sejam usadas sem arriscar a degradação do desempenho do transistor como resultado da contaminação que entra na rede cristalina, especialmente nas regiões ao redor das junções.
Surpreendentemente, os primeiros transistores planares tinham níveis de desempenho inferiores quando comparados às suas relações de junção de liga, mas os transistores de estrutura planar difusa podiam ser produzidos em massa e, como resultado, custavam muito menos, tornando-os uma opção muito atraente. No entanto, as primeiras dificuldades foram superadas e os transistores planares oferecem níveis muito altos de desempenho.
Vale ressaltar que a área do coletor tem um volume maior que o do emissor. Embora em muitos aspectos os dois terminais possam ser trocados, o coletor é onde mais energia é dissipada e, portanto, é feito para ter o maior volume.
Também pode ser visto que neste transistor o fluxo de corrente ocorre em um plano vertical no diagrama.
Outras diferenças também existem nos níveis de dopagem usados na estrutura do transistor. A dopagem do emissor é geralmente maior que a dopagem da base para proporcionar uma alta eficiência de injeção. Além disso, a dopagem do coletor é menor do que a dopagem da base.
Uma abordagem comum para formar as junções do emissor e da base é usar um processo conhecido como técnica de difusão dupla. Usando a técnica de difusão dupla, a difusão da área de base é realizada primeiro para fornecer a área de base maior. Em seguida, a área do emissor menor é difundida com um nível de dopante mais alto para fornecer o emissor mais raso e mais fortemente dopado.
Estrutura do transistor planar lateral
Em alguns casos pode ser vantajoso ter uma estrutura de transistor lateral.
Pode ser visto neste diagrama que o fluxo de corrente está no plano horizontal e não no plano vertical. Este formato tem vantagens em algumas aplicações, mas requer mais processos de difusão e, portanto, é mais complexo e, portanto, mais caro. Como tal, só é utilizado quando o desempenho e as características o exigem.
Dopagem de transistores e perfis de dopagem
Qualquer que seja o método de construção usado para um transistor, a camada de base é mantida muito fina. É tipicamente inferior a 1 µm para alto ganho de corrente.
Para a maioria dos transistores de junção bipolar, o fluxo de corrente está em um plano vertical, embora uma estrutura lateral seja possível, se necessário.
Em termos de níveis de dopagem dentro da estrutura do transistor, a dopagem do emissor é geralmente a mais alta. Isso fornece a mais alta eficiência de injeção. Em seguida é o doping de base. Finalmente, o coletor recebe o nível de dopagem mais baixo, de modo que a função de base neutra seja uma função fraca da tensão de base do coletor.
O perfil de dopagem típico para uma estrutura de transistor mostra as diferentes regiões do transistor com seus níveis de dopagem.
Como pode ser visto no diagrama da estrutura do transistor, a dopagem do emissor é muito maior do que a base das regiões coletoras.
Embora seja possível que os transistores operem com emissor e coletor invertidos, o desempenho será inferior. Como resultado dos níveis de doping incorretos. Além disso, o coletor é feito maior e pode ter seu calor conduzido mais facilmente, pois esta é a região da estrutura do transistor onde a maior parte do calor é dissipada.
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