Типовой биполярный транзистор

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ (Коледов, с. 11)

 

Типовой биполярный транзистор

 

     Основным схемным элементом полупроводниковых  ИМС является транзистор типа

n-p-n. Он обладает лучшими характеристиками, чем транзистор типа p-n-p, а технология его изготовления более проста. Остальные элементы ИМС выбирают и конструируют таким образом, чтобы они совмещались со структурой транзистора типа n-p-n. Их изготовляют одновременно с транзистором n-p-n на основе какой-либо из его областей. Таким образом, выбор физической структуры транзистора типа n-p-n определяет основные электрические параметры остальных элементов микросхемы.

     Естественный вопрос: почему класс n-p-n-транзисторов является в современной интегральной электронике доминирующим? Прежде всего потому, что в качестве ННЗ (неосновных носителей заряда) в базе здесь выступают электроны, подвижность которых в три раза больше, чем у дырок. Следовательно, схемы на n-p-n-транзисторах при всех прочих равных условиях являются намного более быстродействующими, чем p-n-p.

     Наиболее широкое распространение  получила транзисторная структура  типа n+-p-n со скрытым коллекторным n+-слоем.

      Характерным для таких транзисторов является наличие тормозящего и ускоряющего полей в базе. Причем, точка xm смещена ближе к эмиттерному переходу и обычно находится на расстоянии около 1/8 wб0. Остальные 7/8 занимает участок ускоряющего поля. Наличие поля в базе обусловливает дрейф ННЗ в сторону коллектора. Поэтому такие транзисторы называются дрейфовыми. (Кратко рассказать о дрейфовых особенностях профиля легирования базы.) 

     Поскольку вывод коллектора интегрального транзистора расположен на поверхности прибора, это увеличивает сопротивление тела коллектора и ухудшает характеристики транзистора в усилительном режиме (ухудшается частотная характеристика) и в переключающем режиме (уменьшается эффективность переключения в режиме

уменьшение ее удельного сопротивления снизили бы пробивное напряжение перехода коллектор-база и увеличили бы емкость этого перехода, т.е. также ухудшили бы характеристики транзистора. Компромиссным решением проблемы является создание скрытого высоколегированного n+-слоя на границе коллектора и подложки. Этот слой обеспечивает низкоомный путь току от активной коллекторной зоны к коллекторному контакту без снижения пробивного напряжения перехода коллектор-база. Конструктивно он располагается непосредственно под всей базовой областью и простирается вплоть до дальней от базы стороны коллекторного контакта. Толщина слоя составляет 2,5 ¸ 10 мкм, удельное поверхностное сопротивление 10 ¸ 30 Ом/.

     Последовательность операций при  изготовлении типового n-p-n-транзистора и его конструкция рассматривались в лекции 2. Отличие реальных транзисторов от тех, что показаны на эскизах, состоит в соотношениях площади (длины и ширины) и глубины. Реальный транзистор — более "плоский", длина и ширина — порядка 50 мкм, а глубина — около 5 мкм. Мы больше не будем специально останавливаться на конструкции "классического" n-p-n-транзистора (это переносится в курсовое проектирование) и перейдем к рассмотрению других разновидностей биполярных приборов.(Конец лекции 8)

     Транзисторы с тонкой базой. Обладают повышенным коэффициентом передачи тока b и необходимы для создания ряда аналоговых ИМС (входные каскады операционных усилителей). У этих транзисторов активная ширина базы w = 0,2 ¸ 0,3 мкм, коэффициент b = 2000 ¸ 5000 при коллекторном токе Iк = 20 мкА и уровне напряжения  Uкэ = 0,5 В. Пробивное напряжение коллектор-база 1,5 ¸ 2 В. Еще одно название таких приборов — супербета-транзисторы.

 

     Многоэмиттерные транзисторы (МЭТ). Конструкция МЭТ, широко используемых в цифровых ИМС транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), приведена на рисунке справа.

 

Число эмиттеров нередко доходит до 8. МЭТ можно рассматривать как совокупность

транзисторов с общими базами и коллекторами. При их конструировании необходимо учитывать следующие обстоятельства.

     Для подавления паразитных горизонтальных

n+-p-n+-транзисторов расстояние между краями

соседних эмиттеров должно превышать диффу-

зионную длину носителей заряда в базовом слое.

Если структура легирована золотом, то диффузи-

онная длина не превышает 2–3 мкм, и указанное

расстояние достаточно сделать равным 10–15 мкм.

   

      Для уменьшения паразитных токов  через эмиттеры при инверсном  включении МЭТ искусственно увеличивают  сопротивление пассивной области  базы, удаляя базовый контакт  от активной области транзистора, чтобы сопротивление перешейка, соединяющего базовый контакт  с базовой областью, составляло 200 ¸ 300 Ом.

 

     Многоколлекторные транзисторы (МКТ). МКТ — это тот же МЭТ, но используемый в инверсном режиме: общим эмиттером является эпитаксиальный слой, а коллекторами — n+-области малых размеров (см. рисунок). Такая структура является основой ИМС 

                                                                    

интегральной инжекционной логики (И2Л) — не совсем точное название схем с инжекционным питанием.

    Главной проблемой при  конструировании МКТ является  обеспечение достаточно высокого  коэффициента усиления в расчете  на один коллектор, для чего  скрытый n+-слой нужно располагать как можно ближе к базовому слою, а n+-коллекторы — как можно ближе друг к другу.

 

     Вертикальный р-n-р-транзистор. Что делать, если на интегральной пластине нужен транзистор обратного типа проводимости? Его можно изготовить довольно просто, но он будет худшего качества. Для коллекторного слоя тогда используется р-подложка, скрытый слой не делается, обедненный (эпитаксиальный) слой используется в качестве базы, а р-эмиттерный слой создают с помощью диффузии, как это делается для базы

в n-р-n-приборах. (Конструкцию показать, превратив нарисованный ранее на доске n-р-n-транзистор в р-n-р). 

    Транзисторы р-n-р не имеют в микроэлектронике самостоятельного значения, т.е. не используются вместо n-р-n-транзисторов в схемах одного и того же класса. Однако они открывают возможность сочетания n-р-n- и р-n-р-транзисторов в одной и той же схеме. Это ряде случаев обеспечивает упрощение структуры и оптимизацию параметров соответствующих схем. Транзисторы n-р-n и р-n-р в этих схемах, а также сами схемы данного типа называют комплементарными (дополняющими).

     Почему же транзистор все-таки  получается низкого качества?  Главная причина - большая толщина  базы, отсюда - коэффициент переноса  в базе понижен, а поскольку  база и в плане больше обычной, то ее частотные свойства ухудшены. Поэтому на предприятиях с  высокой культурой проектирования  и производства используют принципиально  другую конструкцию, которую мы  сейчас и рассмотрим.

 

Горизонтальный р-n-р-транзистор (Степаненко, ОМ, с. 216, рис. 7.21).

 

    Здесь эмиттерный и коллекторный переходы получаются на этапе базовой диффузии, и

коллектор охватывает эмиттер практически со всех сторон. Расстояние между слоями

можно сделать порядка 3–4 мкм. В результате предельная частота может достигать 20–40 МГц, а коэффициент β — до 50.

    Что  касается решения проблемы создания 

комплементарных биполярных ИМС, то здесь

нужно сказать о так называемой технологии

КНС (кремний на сапфире). О ней уже упоми-

налось ранее в разделе "Изоляция". Она позволяет на одном кристалле делать одинаковые по конструкции n-р-n- и р-n-р-транзисторы, поскольку здесь можно проводить локальную эпитаксию через окна (хотя это и удорожает производство).

Способы изоляции приборов в интегральных схемах (Степаненко, с. 194-)

 

     Если не принимать  специальных мер изоляции элементов, находящихся на одной пластине, они окажутся связанными друг  с другом через легированную (т.е. проводящую) подложку. Поэтому элементы  биполярных ИМС нужно изолировать  друг от друга, с тем, чтобы  необходимые соединения осуществлялись  только путем металлической разводки. Кстати, далее будет показано, что в униполярных ИС изоляции элементов друг от друга, вообще говоря, не требуется.

     Все известные способы  изоляции можно разделить на  два основных типа: изоляция обратно-смещенным р-n-переходом и изоляция диэлектриком. Различие это не столько количественное, сколько структурное. Изоляция р-n-переходом — двухфазный способ, поскольку материал подложки отличается от материала изолятора.

 

     Изоляция р-n-переходом сводится к реализации двух встречно включенных диодов между изолируемыми элементами. Для того чтобы оба изолирующих диода находились

под обратным смещением, на подложку задают максимальный отрицательный потенциал от источника питания ИС. Достоинство данного способа изоляции — его технологичность. Недостатки — наличие обратных токов в р-n-переходах и наличие барьерных емкостей получающихся обратно-смещенных диодов.    

     Как делается такая  изоляция? Надо сказать, что сплошные  проводящие подложки в настоящее  время уже не используются. Делают  эпитаксиальный слой на высокоомной  (низколегированной) подложке.

     С помощью диффузии  примеси через окна в слое  окисла (между транзисторами) в эпитаксиальном  слое делают разделения. Островки n-типа, оставшиеся в эпитаксиальном слое после разделительной диффузии, называют карманами.    

     Один из вариантов  разделительной диффузии обратно-смещенными р-n-переходами — изоляция коллекторной диффузией (ИКД). Данный способ используется, когда под небольшим (несколько микрон) эпитаксиальным слоем р-типа (базовая область)

расположены  заранее созданные скрытые n+-слои (о том, что эти слои "разгоняются" после имплантации, и сама коллекторная область имеет меньшие уровни легирования, мы сейчас говорить не будем). Раздели-тельная диффузия делается с помо-щью донорной примеси, а глубина диффузии соответствует расстоянию от поверхности до скрытого слоя. Данный способ дает лучший коэффициент использования площади пластины, но из-за большой концентрации примеси в n+-слоях снижаются пробивные напряжения и увеличиваются коллекторные барьерные емкости.

 

Изоляция диэлектриком (Степаненко, ОМ, с. 200)

 

     Широко известен способ, называемый "эпик-процессом", схема которого приводится

ниже.

        Если вместо  поликремния напылять изоляционную керамику, качество изоляции получается лучше, но технология — сложнее.

     Другие виды изоляции: кремний на сапфире (КНС) - ОМ, с. 200 и рис. 7.9; изопланарная технология, рис. 7.10; изоляция  V-канавками, рис. 7.11. Все эти виды изоляции используются в настоящее время различными предприятиями-изготовителями ИМС. "Изопланары" хорошо описаны у Коледова, с. 30–34.