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ASPECTOS CONSTRUTIVOS DE TRANSISTORES
TRANSISTORES DE JUNÇÃO POR LIGA
Os primeiros transistores encontrados comercialmente, nos primórdios de 1950, foram feitos pelo processo de junção de liga de germânio. Neste processo, as junções pn eram formadas pela liga de germânio com outro metal. Nos transistores pnp, duas pelotas de índio, que formariam as ligações do emissor e do coletor no transistor completo, foram colocadas sobre os lados opostos de uma fatia de germânio monocristalino do tipo n. A fatia de germânio, que formava a base, tinha aproximadamente 50 Pm de espessura. O conjunto inteiro era aquecido num gabarito ou modelo a uma temperatura de cerca de 500 °C, e parte do índio era dissolvida no germânio para formar germânio tipo p no resfriamento. Deste modo, duas junções pn eram formadas, conforme indicado na seção transversal simplificada na Figura 8.40. Os fios de ligação foram presos às pelotas de índio como fios condutores do emissor e do coletor, um tablete de níquel preso á base para proporcionar a ligação da base e montar o transistor sobre uma travessa, O transistor era depois encapsulado num invólucro de vidro ou de metal. Os transistores NPN eram fabricados por este processo usando germânio do tipo p para a base, e pelotas de chumbo- antimonio em vez de índio. O processo de junção por liga ainda é usado atualmente em alguns transistores de potência de audiofreqüência.
O desempenho de um transistor de junção por liga é limitado pela largura da base. Em particular, a freqüência de corte é inversamente proporcional á largura da base. Se o conjunto foi aquecido durante um tempo mais longo para permitir que mais índio se dissolva de modo que a junção pn penetre mais na fatia de germânio, há o risco de as junções se unirem e de não acorrer ação de transistor, Por causa da dificuldade de controlar a largura da base com, a precisão maior do que a da espessura da fatia original, a largura da base foi mantida em aproximadamente l0 Pm. Isto deu aos primeiros transistores de junção por liga uma freqüência de corte de cerca de 1 MHz, embora os refinamentos feitos posteriormente no processo de fabricação permitissem que esta freqüência fosse aumentada para 5 ou 10 MHz. Durante os anos de 1950, outros tipos de transistor foram desenvolvidos para superar as limitações do transistor tipo de junção por liga. Um destes foi o transistor de liga difundida. Neste, duas pelotas que formavam o emissor e a base foram ligados do mesmo lado de uma fatia de germânio do tipo p que constituía o coletor. A pelota da base continha impurezas do tipo n, enquanto que a pelota do emissor continha tanto
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impurezas do tipo p quanto do tipo n. Até se aquecer o conjunto a 800 °C
ocorria a liga, mas além disso ocorria a difusão das impurezas do tipo n no germânio do tipo p antes da liga. No resfriamento, ficava formada uma fina
camada do tipo n enlaçando ambas as pelotas, com uma camada do tipo p apenas sob a pelota do emissor, Deste modo, um transistor pnp com uma
estreita camada de base ficou formado. Em virtude da estreita camada da base, a freqüência de corte deste tipo de transistor era de proximadamente 600 a 800
MHz. O transistor de liga difundida foi amplamente usado nas aplicações de alta freqüência, até que foi substituído pelo transistor epitaxial planar de silício.
Um outro tipo de transistor desenvolvido originalmente com germânio em 1956 foi o transistor-mesa. Este transistor foi desenvolvido para aprimorar as características de chaveamento ou comutação e o desempenho nas altas freqüências dos transistores então existentes. O princípio era o ataque químico das bordas ou transições da estrutura do transistor para diminuir as áreas da junção e assim reduzir as capacitâncias. A forma resultante era uma mesa ou platô, conforme indicado na Figura 8.41. Os ransistores-mesa de germânio originais eram capazes de comutar formas de onda com tempos de crescimento de 1 ps, e tinham um desempenho nas altas freqüências comparável ao da tipo de liga difundida.
Figura 8.41 Serão transversal do transistor mesa
O princípio da tecnologia mesa por ataque químico é usada amplamente no momento em muitos tipos de transistores. Ele permite que as transições do transistor sejam controladas, em particular que as transições da junção coletor-base sejam claramente definidas. O ataque químico mesa também constituí um processo preliminar na passivação, a "vedação" das transições de transistor para evitar a contaminação das transições da junção e a conseqüente variação das características durante o serviço.
A introdução de silício durante a década de 1950 proporcionou ao fabricante de transistores um novo material com vantagens consideráveis sobre o germânio. Em particular, os transistores de silício suportarão uma temperatura mais alta na junção e terão correntes de fuga mais baixas do que os transistores de germânio.
As técnicas de liga desenvolvidas para o germânio foram aplicadas ao silício, Os transistores pnp de silício foram fabricados de uma fatia de silício do tipo n (que formava a base) na qual as pelotas do emissor e do coletor foram ligadas do mesmo modo que nos transistores de junção por liga de germânio. O material usado nas pelotas da liga era alumínio.
TRANSISTORES DIFUNDIDOS
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janelas numa camada de óxido de cobertura. Os vários estágios na fabricação
de um transistor NPN planar de silício são mostrados na Figura 8.42.
Uma fatia de silício monocristalino do tipo n (que formará o coletor do transistor completo) é aquecida até aproximadamente 1l00 C numa corrente de oxigênio
úmido. A temperatura é controlada para melhor do que + - 1 grau C, e uma camada uniforme de dióxido de silício de 0,5 Pm de espessura é acrescida -
Figura 8.42 (a). a fatia é revestida em rotação com uma fotorresistência, um material orgânico que polimeriza quando exposto à luz ultravioleta, produzindo uma camada de cerca de 1 Pm de espessura a fotorresistência é seca por cozimento. Uma máscara que define a área da base é colocada sobre a fatia exposta. No desenvolvimento da fotorresistência, a área não exposta é removida (dando acesso á camada de óxido), enquanto que a área exposta permanece e é endurecida por outro cozimento para resistir ao ataque químico. Este ataque químico remove o óxido descoberto para determinar a área de difusão. A fotorresistência remanescente é dissolvida, deixando a fatia pronta para a difusão da base - Figura 8.42 (b). O boro é usado para formar o silício tipo p na região da base. A fatia é passada através de um tubo de difusão num forno. Uma corrente de gás é passada sobre a fatia que contém uma mistura de oxigênio com tribrometo de boro BBr3 ou diborano (boroetano) B2H6. O composto de boro se decompõe, e fica formado um vidro rico em boro sobre a superfície da fatia. A partir disto, o boro é difundido no silício através da janela aberta na base. O vidro é então removido por um ataque químico, e a fatia aquecida numa corrente de oxigênio num segundo forno. Isto faz o boro penetrar mais na fatia, e cresce uma camada de óxido de vedação sobre a superfície. A profundidade a que penetra o boro é determinada pelo controle cuidadoso da temperatura do forno e pelo tempo durante o qual a fatia é aquecida. A estrutura resultante é mostrada na Figura 8.42 (c).
Figura 8.42 Estágios na fabricação de transistor planar NPN de silício (a) camada de óxido crescida (b) janela da base aberta (c) base difundida, óxido de vedação crescido (d) janela de emissor aberta (e) emissor difundido, óxido de vedação crescido (f) janelas de conexão abertas (g) almofadas de conexão formadas (h) forno de difusão típico da fabricação de transistores (i) encapsulamentos típicos de transistores - fila superior, da esquerda para a direita: TO-5 TO-72, TO-39, TO-18, TO-92, "T pack", "Lockfit"; fila inferior, da esquerda para a direita; TO-220, TO-126, TO-3 "base grossa", TO-3 "base fina". O próximo estágio no processo planar é a difusão do emissor. A fatia é revestida com uma fotorresistência como antes, e uma Segunda máscara usada para definir a área de difusão. A exposição, o desenvolvimento e o ataque químico são os mesmos como na difusão da base que acabamos de descrever. A estrutura antes da difusão do emissor é mostrada na Figura 8,42 (d).
O fósforo é usado para formar a região do emissor do tipo n. A corrente de gás no forno de difusão desta vez contém oxigênio e oxicloreto de fósforo POCl3, tribrometo de fósforo PBr3 ou fosfina PH3. Fica formado um vidro rico em fósforo, do qual o fósforo é difundido para formar um silício do tipo n na região da base do tipo p já difundida. Um segundo forno leva o fósforo a uma
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profundidade controlada e forma uma camada de óxido de vedação, conforme
mostrado na Figura 8,42 (e).
O estágio final nesta parte do processo de fabricação consiste na formação das ligações para as regiões da base e do emissor. Uma terceira
máscara é usada para definir os contatos da base e do emissor, sendo os processos fotográfico e de ataque químico os mesmos que os descritos
anteriormente - Figura 8.42 (f). A fatia está coberta com alumínio pela evaporação sobre a superfície para formar uma camada de espessura de cerca de 1 Pm. Uma quarta máscara, o inverso da terceira, é então usada para definir as áreas onde o alumínio deve ser quimicamente atacado, deixando apenas as almofadas de contato para ligações elétricas - Figura 8.42 (g).
O processo até agora foi descrito por clareza como se apenas um transistor estivesse sendo fabricado. Na prática, muitos milhares de dispositivos são fabricados ao mesmo tempo. As fatias de silício, usadas presentemente são de 5 cm de diâmetro, contendo até 10 000 transistores, mas fatias de 7,5 cm de diâmetro estão começando a ser usadas, Mais do que 100 fatias são processadas ao mesmo tempo num forno de difusão, Mesmo nos primeiros dias do processo planar, quando fatias de silício foram usadas com 2,5 cm de diâmetro contendo 2 000 transistores, o processo representava um aumento considerável na capacidade de produção sobre o processo de junção por liga, com uma conseqüente queda do custo unitário.
Um forno de difusão típico é mostrado na Figura 8.42 (h). Este é um forno duplo de banco triplo, e é mostrado sendo carregado com lotes de fatias de silício para difusão.
Processos de difusão semelhantes aos descritos nos transistores NPN podem ser usados para fabricar transistores pnp. Uma fatia de silício do tipo p é usada, e o fósforo difundido para formar as regiões da base do tipo n. Quando as regiões do emissor estão formadas, no entanto, há uma tendência para que o boro se concentre na camada de óxido que está crescendo em vez de na base de silício do tipo n, e as técnicas especiais de difusão devem ser usadas.
Da descrição dos processos de difusão será evidente que a precisão das máscaras usadas para definir as áreas de difusão é de importância primordial. O primeiro estágio na preparação das máscaras usa um filme opaco descartável em que uma forma transparente é cortada. A área transparente representa a área de difusão particular, a base, emissor, ou área de contato de um único transistor, Um processo de redução de 20:1 é usado para reproduzir esta forma numa chapa fotográfica de 50 mm X 50 mm. Esta chapa é chamada um retículo. Uma câmara de passos sucessivos ou de repetição é usada para reproduzir o retículo com uma redução de 10 :1 num arranjo predeterminado numa segunda chapa fotográfica. A precisão de posicionamento de cada reprodução do retículo no dispositivo é maior do que 1 Pm. A segunda chapa fotográfica é chamada mestra, e a partir dela cópias de trabalho são feitas para uso nos processos de difusão. Para evitar defeitos nas máscaras, todos os
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espaçamento entre as três regiões do transistor pode ser mantido numa
tolerância inferior a 0,1 Pm.
TRANSISTORES com estreitas larguras de base podem ser fabricados para possibilitar a operação nas alta freqüências, bem acima de 1 GHz Uma
desvantagem do transistor planar ocorre através da resistividade do coletor. Para altas tenções de ruptura, a resistividade deve ser alta. Por outro lado, para
uma alta corrente de coletor a resistividade deve ser baixa. Estes dois requisitos conflitantes devem significar que um valor de compromisso deve ser escolhido nos transistores práticos. O conflito pode ser resolvido, no entanto, constitui o substrato. A fatia pode ser do tipo p ou do tipo n, de acordo com o tipo de transistor, e um valor típico de resistividade é 1 X 10 -5 m, A camada eptaxial é crescida no substrato por deposição de vapor num reator aquecido por radiofreqüêcia, o substrato senda mantido numa temperatura entre 1000 °C e 1 200 °C. O vapor de silício é formado pela decomposição de um composto de silício, tal como u tetracloreto de silício SiCl4 com hidrogênio, e as impurezas podem ser acrescentadas ao vapor para dar à camada a resistividade requerida. Nos substratos n, as impurezas que podem ser usadas incluem o fósforo, o arsênico e o antimônio. Desses materiais o arsênico e o antimônio são preferidos porque eles têm baixas constantes de difusão. Nos substratos p, as impurezas usuais do tipo p alumínio e gálio não podem ser usadas porque suas constantes de difusão são demasiado altas e as impurezas tenderiam a migrar da camada epitaxial para dentro do substrato durante a fabricação do transistor. Portanto, o boro é usado.
Os átomos de silício na camada epitaxial assumirão as mesmas posições relativas que os átomos no substrato. Assim, a rede cristalina quase perfeita do substrato de silício mono-cristalino‚ reproduzida na camada epitaxial. A espessura da camada está entre 10 Pm e 12 Pm, e um valor típico da resistividade‚ 1 x 10 ' Dm. Assim, a massa do coletor no transistor é formada pelo substrato de baixa resistividade.
Figura 8.43 Seção transversal simplificada de transistor epitaxial planar A formação do elemento transistor na camada epitaxial segue os mesmos estágios que os do transistor planar descrito anteriormente. Uma seção transversal simplificada do elemento transistor completo é mostrada na Figura 8.43.
FORMAS ESPECIAIS DE TRANSISTORES DE JUNÇÃO
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Atualmente o fabricante de transistores tem uma variedade de técnicas e
de materiais à sua disposição. Geometrias especiais para manipulação de grandes potências ou operação em radiofreqüências têm sido desenvolvidas e
assim a faixa de operação do transistor foi ampliada. Além disso, outros processos e difusão, gravação em mesa e a escolha dos níveis de dopagem
permitem que os transistores sejam fabricados com características especiais para satisfazer a requisitos particulares.
Os transistores de potência de germânio foram fabricados durante o início da década de 1950 "aumentando proporcionalmente" os transistores de junção por liga de pequenos sinais. A área das junções foi aumentada, e a pelota do coletor foi ligada ao invólucro para assegurar uma baixa resistência térmica. Tais transistores podiam dissipar 10 W, mas apresentaram uma rápida queda no ganho para correntes acima de 1 A. No final da década de 1950, o emissor de índio era dopado com gálio para aumentar a dopagem do emissor e portanto aprimorar o ganho nas altas correntes. Os aperfeiçoamentos neste tipo de transistor permitem que ele seja usado atualmente com potências de até 30 W.
Os primeiros transistores de potência de silício foram introduzidos no final de 1950, e usaram as técnicas de difusão. As regiões da base e do emissor foram sucessivamente difundidas num lado de uma fatia de silício do tipo n, e a ligação elétrica à base foi feita pela liga dos contatos de retificação através do emissor. Este tipo de transistor apresentou um bom ganho até uma corrente de 5 A. Os refinamentos ao processo de fabricação durante os anos de 1960 levaram ao atual transistor de potência difundido capaz de manipular correntes de até 30 A e potências de até 150 W. Dois processos de fabricação são usados para este tipo de transistor de potência, os processos de difusão simples e de difusão tripla.
O processo hometaxial ou de difusão simples usa uma difusão simultânea sobre os lados opostos de uma pastilha de base homogênea, formando regiões de emissor e de coletor fortemente dopadas. O emissor é gravado em mesa para permitir que a ligação elétrica seja feita com a base. Este tipo de transistor reduz o risco de pontos quentes pelo uso de uma base homogênea, a base larga proporciona boas propriedades de segunda ruptura, e o coletor fortemente dopado proporciona baixa resistência elétrica e térmica.
Os transistores de potência por difusão tripla são fabricados difundindo- se as regiões da base e do emissor num lado de uma bolacha do coletor. A terceira difusão forma um coletor difundido fortemente dopado sobre o outro lado. Este tipo de transistor tem um alto valor de regime de tensão, muitas vezes capaz de suportar tensões de 1 KV ou mais.
O processo epitaxial planar permite que outros aprimoramentos sejam feitos nos transistores de potência. Em altas densidades de corrente, pode ocorrer contração de corrente. Esta é a causa da segunda ruptura. A transição do emissor torna-se mais polarizada diretamente do que o centro, de modo que
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Figura 8.44 Diagrama de circuito do
transistor de potência Darlington
O diagrama de circuito de um transistor Darlington é mostrado na Figura 8.44. Os dois transistores e os resistores de base-emissor são formados numa fração de pastilha por difusões sucessivas usando o processo de base epitaxial. Um díodo também pode ser formado através dos terminais de coletor e de emissor para proteção, se requerida. Os ganhos de corrente dos dois transistores são controlados durante a fabricação, de modo que o ganho global varia linearmente ao longo de uma faixa da corrente de coletor. Esta linearidade de ganho é combinada com espaçamentos menores do que ocorreria com transistores discretos ligados no mesmo circuito. Estas vantagens do transistor Darlington são combinadas com uma desvantagem: o alto valor de VCE(sat).
Os transistores para operação em alta freqüência ou para chaveamento rápido devem Ter espaçamentos estreitos entre o emissor, a base e o coletor. Duas geometrias são geralmente usadas: a base de anel e a base de tira ou fita. A estrutura de base em anel é "reduzida proporcionalmente" a partir da estrutura anular usada para os transistores de baixa freqüência. A estrutura de base em tira, que geralmente é preferida para operação em freqüências mais altas, é mostrada na Figura 8.45. Muitas dessas estruturas podem ser ligadas em paralelo para aumentar a capacidade de transporte de corrente, formando a
estrutura interdigitalizada já descrita para os transistores de potência de RF. As capacitâncias internas do transistor, e as capacitâncias espúrias da montagem
e do invólucro, devem ser mantidas tão baixas quanto possível para evitar a restrição do limite das freqüências superiores. Um processo de fabricação
epitaxial planar deve ser usado para manter baixa a resistência do coletor. O nível da dopagem é escolhido para se adequar à freqüência de operação e à
tensão.
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Figura 8.45 Estruturo "stripe-base "para transistores de alta freqüência.
Na estrutura de base em tira, duas dimensões são críticas para o limite das freqüências superiores. Estes são a largura da tira do emissor (We na Figura 8.45) e a largura da base Wb. Nos transistores da atualidade que operam até a região de microondas, a largura do emissor pode ser tão baixa quanto 1 Pm e a largura da base 0,1 Pm.
TRANSISTOR DE UNIJUNÇÃO
Como se deduz do nome, um transistor de unijunção contêm apenas uma junção, embora ele seja um dispositivo a três terminais. A junção é formada fazendo-se a liga da impureza tipo p num ponto ao longo do comprimento de uma fatia de silício do tipo n da forma de barra curta. Esta região do tipo p é chamada emissor. Contatos de não-retificação são feitos nas extremidades da barra para formar as ligações da base 1 e da base 2. A estrutura de um transistor de unijunção é mostrada na Figura 8.46 (a), e o símbolo do circuito na Figura 8.46 (b).
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polarizado inversamente pela tensão nVBB. Flui apenas a pequena corrente inversa. Se a tensão do emissor for aumentada gradualmente, é alcançado um valor onde o díodo se torna polarizado diretamente e começa a conduzir. Os buracos são injetados do emissor para a base, e são atraídos para o contato da base 1. A injeção desses buracos reduz o valor de RB1, de modo que flui mais corrente do emissor para a base 1, reduzindo mais o valor de RB1. O transistor de unijunção atua portanto como uma chave comandada por tensão, variando desde uma resistência "desligada" alta até uma resistência "ligada" baixa numa tensão determinada pela tensão da base e pelo valor de n.
A característica de tensão/corrente num transistor de unijunção é mostrada na Figura 8.48. Pode ser visto que depois do dispositivo ter sido disparado ou comandado, há uma região de resistência negativa sobre a característica. Isto permite que o transistor de unijunção seja usado nos circuitos osciladores, bem como em circuitos simples de disparo.
CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSISTORES DE JUNÇÃO
Os atuais transistores de junção podem ser classificados de início quanto
ao material semicondutor do qual eles são fabricados, germânio ou silício. Uma outra classificação é depois quanto aos tipos NPN e pnp. Em seguida é
conveniente grupá-los em tipos de baixa potência, potência média e alta potência. As divisões entre os grupos são um tanto arbitrárias, mas valores
típicos são como segue. Nos transistores de germânio, os dispositivos de baixa potência terão potências abaixo de 150 mW, os dispositivos de potência média,
até 1 W, e os dispositivos de alta potência acima de 1 W para um limite superior típico de 30 W. Nos transistores de silício, os dispositivos de baixa potência têm
potências abaixo de 500 mW, os dispositivos de potência média até 10 W, e os dispositivos de potência alta acima de 10 W até um limite típico de 150 W.
TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO
Um transistor de efeito de campo consiste essencialmente de um canal de transporte de corrente formado de material semicondutor cuja condutividade é controlada por uma tensão aplicada externamente. A corrente é transportada por um tipo apenas de portador de carga; elétrons nos canais formados de material de semicondutor do tipo n, buracos nos canais de material do tipo p. transistor de efeito de campo é portanto às vezes chamado transistor unipolar. Isto é para distingui-lo do transistor de junção, cuja operação depende de ambos os tipos de portador de carga, e que é portanto chamado transistor bipolar. Os dois tipos de transistor de efeito de campo (FET): o FET de junção (JFET) e o FET de porta isolada (IGFET). O FET de porta isolada mais comumente usado é o MOSFET, as iniciais MOS significando Metal Óxido Semicondutor e indicando a estrutura do transistor. O nome abreviado é MOST.
A operação teórica do FET foi descrita por Willaim Shockley em 1952. Somente a partir de 1963, no entanto, é que os dispositivos práticos em geral passaram a ser encontrados. O atraso foi conseqüência do fato de que as
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técnicas de fabricação não estavam suficientemente avançadas até esta data, sendo essencial o processo planar para a fabricação dos FETs. Isto constituiu um exemplo de como o trabalho teórico sobre dispositivos do estado sólido nos primeiros dias do transistor estava muitas vezes à frente da tecnologia do dispositivo.
ASPETOS DO FET DE JUNÇÃO
A estrutura esquemática de um FET de junção é mostrada na Figura 8.49. O dispositivo mostrado é um FET de canal n, formado de uma fatia em forma de barra de silício monocristalino do tipo n, da qual são difundidas duas regiões do tipo p. As ligações são feitas às extremidades do canal, a fonte e o dreno, e às regiões p, a porta.
Figura 8.49 Estrutura esquemática do transistor de junção por efeito de campo
ASPETOS DO FET DE PORTA
ISOLADA
A estrutura do FET de porta isolada difere da do FET de junção há pouco
descrito em dois aspectos: nenhum canal separado de transporte de corrente está construído, e a construção da porta é diferente. Um canal que transporta
corrente é formado pela acumulação de cargas debaixo do eletrodo porta. A própria porta não é uma região difundida, mas uma fina camada de metal
isolada do restante do FET por uma camada usualmente de óxido. Assim, a estrutura do FET de porta isolada é constituída de sucessivas camadas de Metal, Óxido, e de material Semicondutor - dando ao transistor seu nome alternativo de MOSFET, ou, em forma abreviada, transistor MOS ou MOST. Em virtude do material semicondutor usado presentemente ser em geral o silício, as iniciais MOS são muitas vezes interpretadas como Metal Óxido Silício.
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