Транзисторы типа n-p-n

 

 

Вступление

Интегральная микросхема (ИМС) — это изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, которые могут рассматриваться как единое целое, выполнены в едином технологическом процессе и заключены в герметизированный корпус.

В даной работе будет рассмотремы элементы полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах. Биполярный транзистор типа n-p-n является основным схемным элементом полупроводниковых интегральных микросхем (ИМС). Он обладает лучшими характеристиками, чем транзистор типа p-n-p, а технология его изготовления более проста.                             В настоящее время горизонтальные транзисторы типа p-n-p используют в ИМС наиболее часто.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Транзисторы типа n-p-n.

Биполярный транзистор типа n-p-n является основным схемным элементом полупроводниковых интегральных микросхем (ИМС). Он обладает лучшими характеристиками, чем транзистор типа p-n-p, а технология его изготовления более проста.

Остальные элементы ИМС выбираются и конструируются таким образом, чтобы они совмещались со структурой транзистора типа n-p-n. Их изготовляют одновременно с транзистором типа 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 схемы.

Наиболее широкое распространение получила транзисторная структура типа n+-p-n со скрытым подколлекторным n+-слоем (рис. 1). 

Рис. 1. Конструкция интегрального транзистора типа n+-p-n

Следует обратить внимание на то, что 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 эффектность переключения в режиме насыщения).

Увеличение степени легирования всего объема коллекторной области и уменьшение ее удельного сопротивления снижают пробивное напряжение перехода коллектор-база и увеличивают емкость этого перехода, т.е. также ухудшают характеристики транзистора. Компромиссным решением проблемы является создание скрытого высоколегированного n+-слоя на границе коллектора и подложки. Этот слой обеспечивает иизкоомный 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 ρs=10—30 Ом/ڤ.

Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмиттерной областью, и для обеспечения требуемого коллекторного тока при минимальном последовательном падении напряжения коллекторный контакт располагают как можно ближе к эмиттерному.  

Минимальные горизонтальные размеры прибора определяются двумя основными технологическими факторами: минимально достижимыми при фотолитографии размерами окон в окисле кремния и зазоров между окнами, а также размером боковой диффузии под окисел. Поэтому при проектировании транзистора следует учитывать, что расстояние между базовой областью и коллекторным контактом должно быть значительно больше суммы размеров боковой диффузии p-базы и n+-области под коллекторным контактом. Назначение этой n+-области состоит в обеспечении надежного формирования невыпрямляющего контакта алюминия к слаболегированной n-области коллектора, поскольку алюминий является акцепторной примесью в кремнии с растворимостью порядка 1018 атомов/см3 при температуре формирования контакта. Уровень же легирования эпитаксиального n-слоя, составляющего тело коллектора, равен 1015 - 1016 атомов/см3. Как отмечалось, он диктуется необходимостью увеличения напряжения пробоя перехода коллектор-база.

Расстояния между изолирующей р-областью и элементами транзистора определяются также размером боковой диффузии. Они должны быть примерно равны толщине эпитаксиального слоя.

Для асимметричной конструкции (рис. 1) характерно то, что коллекторный ток протекает к эмиттеру только в одном направлении. При симметричной конструкции коллекторный ток подходит к эмиттеру с трех сторон, и сопротивление коллектора оказывается примерно втрое меньше, чем при асимметричной конструкции. Для симметричной конструкции транзистора облегчается разработка топологии металлической разводки, так как в ней часть коллекторной области можно разместить под окислом, а поверх окисла над коллектором провести алюминиевую полоску к эмиттерной или базовой области. Параметры областей интегрального биполярного транзистора, типичные для ИМС средней степени интеграции приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Параметры областей интегрального транзистора типа n-p-n.

Наименование области	Концентрация примеси N, см-3	Толщина слоя d, мкм	Удельное объемное сопротивле-ние матери- ала ρ, Ом·см	Удельное поверхност- ное сопро- тивление слоя ρs, Ом/ڤ
Подложка р-типа	1,5·1015	200 – 400	10	-
Скрытый n+-слой	-	2,5 – 10	-	10 – 30
Коллекторнаяn-область	1016	2,5 – 10	0,15 – 5,0	-
Базовая р-область	5·1018	1,5 – 2,5	-	100 – 300
Эмиттернаяn+-область	1021	0,5 – 2,0	-	2 – 15
Изолирующая область	-	3,5 – 12	-	6 – 10
Пленка окисла кремния	-	0,3 – 0,6	-	-
Металлическая пленка (алюминий)	-	0,6 – 1,0	1,7·10-6	0,06 – 0,1

Примечание: N-объемная концентрация примеси для подложки и коллекторной области и поверхностная концентрация примеси для эмиттерной и базовой областей.

При больших токах существенную роль играет эффект вытеснения тока эмиттера, который объясняется достаточно просто. Напряжение в любой точке эмиттерного перехода представляет собой разность внешнего напряжения и падения напряжения в объеме базы, т. е. напряжение в центральной части эмиттера меньше напряжения у его краев, и внешние области эмиттера работают при больших плотностях тока по сравнению с внутренними. Повышенная плотность тока у краев эмиттера приводит к повышенным рекомбинационным потерям носителей заряда в этих областях и к уменьшению коэффициента усиления транзистора В. Конструкция мощных транзисторов должна обеспечивать максимальное отношение периметра эмиттера к его площади. Например, целесообразно использовать узкие эмиттеры с большим периметром. Параметры интегральных транзисторов типа п-р-п приведены в табл.2. Рассмотрим разновидности интегральных биполярных транзисторов.

Таблица 2

Параметры интегральных транзисторов типа n-p-n

Параметры	Номинал	Допуск δ,%	Температурный коэффициент, 1/°С
Коэффициент усиления В	100—200	±30	5·10-3
Предельная частота fт, МГц	200—500	±20
Пробивное напряжение Uкб, В	40—50	±30
Пробивное напряжение Uэб, В	7—8	±5	(2-6)·10-3

 

2. Транзисторы с тонкой базой.

Транзисторы с тонкой базой обладают повышенными значениями коэффициента усиления В и необходимы для создания ряда аналоговых ИМС (входные каскады операционных усилителей). У этих транзисторов ширина базы (расстояние между эмиттерными и коллекторными переходами) w = 0,2 – 0,3 мкм, коэффициент усиленияB = 2000 - 5000 при коллекторном токе Iк = 20 мкА и уровне напряжения Uкэ = 0,5 В. Пробивное напряжение коллектор — эмиттер около 1,5 - 2 В.

3. Многоэмиттерные транзисторы (МЭТ).

Конструкция МЭТ, широко используемых в цифровых ИМС транзисторно-транзисторной логики, приведена на рис. 2. Число эмиттеров может быть равным 5 - 8. МЭТ можно рассматривать как совокупность транзисторов с общими базами и коллекторами. При их конструировании необходимо учитывать следующие обстоятельства.

Рис. 2. Конструкция многоэмиттерного транзистора.

Для подавления действия паразитных горизонтальных n+-p-n+- транзисторов расcтояние между краями соседних эмиттеров должно превышать диффузионную длину носителей заряда в базовом слое. Если структура легирована золотом, то диффузионная 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, составило 200 - 300 Ом.

4. Многоколлекторные транзисторы (МКТ).

МКТ - это практически МЭТ, используемый в инверсном режиме: общим эмиттером является эпитаксиальный слой, а коллекторами – n+-области малых размеров. Такая структура является основой ИМС интегральной инжекционной логики (И2Л). Главной проблемой при конструировании МКТ является обеспечение достаточно высокого коэффициента усиления в расчете на один коллектор, для чего скрытый n+-слой необходимо располагать как можно ближе к базовому слою, а n+-коллекторы - как можно ближе друг к другу.

5. Транзисторы типа p-n-p.

Интегральные транзисторы типа р-п-р существенно уступают транзисторам типа п-р-п по коэффициенту усиления и предельной частоте. Для их изготовления используют стандартную технологию, оптимизированную для формирования транзистора типа п+-р-п. Естественно, что получение транзисторов типа р-п-р с близкими к теоретическим пределам параметрами в этом случае невозможно.

6. Горизонтальные транзисторы типа p-n-p.

В настоящее время эти транзисторы используют в ИМС наиболее часто. Их изготовляют одновременно с транзисторами типа п+-р-п по обычной технологии. Эмиттерный и коллекторный слои получают на этапе базовой диффузии, причем коллекторный слой охватывает эмиттер со всех сторон. Базовая область формируется на основе эпитаксиального слоя с подлегированием контактной области во время эмиттерной диффузии. Перенос носителей заряда в транзисторе типа р-п-р происходит в горизонтальном направлении. Дырки, инжектированные из боковых частей эмиттера в базу, диффундируют к коллекторной области. Перенос наиболее эффективен в приповерхностной области, так как здесь расстояние w между коллектором и эмиттером минимально и, кроме того, наиболее высокая концентрация примеси в р - слоях. Ширину базы w удается выполнить равной 3 - 4 мкм (мешает боковая диффузия под маску), в результате чего коэффициент усиления оказывается равным 50, а fт = 20 - 40 МГц. Без особого труда получают w = 6 - 12 мкм, но при этом В = 1,5 - 20, а fт = 2 - 5 МГц. Для подавления действия паразитных р-n-р - транзисторов (р -эмиттер, n - эпитаксиальный слой, р – подложка) стремятся уменьшить площадь донной части эмиттера (его делают возможно более узким), используют скрытый n+-слой вдоль границы эпитаксиального слоя и подложки. На основе горизонтального транзистора легко сформировать многоколлекторный транзистор типа р-n-р (рис. 3).

Рис.3. Конструкция многоколлекторного горизонтального транзистора типа p-n-p.  

 

Основные недостатки горизонтального транзистора типа р-п-р - сравнительно большая ширина базы и однородность распределения примесей в ней (транзистор является бездрейфовым). Их можно устранить двумя способами. Для этого используют дрейфовую структуру. Два электрода в противоположных концах базы создают в базовом слое электрическое поле, которое уменьшает время переноса инжектированных дырок и создает в эмиттере смещение, снижающее инжекцию из его донной части.

7. Вертикальные транзисторы типа p-n-p.

Можно использовать также вертикальную р-n-р - структуру. Для ее формирования необходимо изменить технологию: проводить более глубокую диффузию для формирования р - слоя и вводить дополнительную операцию диффузии для создания р++ - слоя, причем для получения р++ - слоя требуется акцепторная примесь, у которой предельная растворимость больше, чем у донорной примеси в n+-слое. Фактически перед проведением диффузии акцепторов приходится стравливать наиболее легированную часть n+-слоя, т. е. вводить еще одну дополнительную операцию.

8. Составные транзисторы.

Составные интегральные транзисторы могут быть реализованы на основе двух транзисторов одного или разных типов, расположенных в одной изолированной области. В зависимости от схемы соединений могут быть реализованы составные транзистора, состоящие из двух транзисторов типа п-р-п с общим коллектором или из вертикального транзистора типа п-р-п и горизонтального транзистора типа р-п-р. В принципе возможна реализация составных транзисторов в разных изолированных областях.

Составной транзистор имеет коэффициент усиления, равный произведению коэффициентов усиления составляющих его транзисторов: B = B1B2, однако быстродействие составного транзистора определяется наименее быстродействующим транзистором.

9. Интегральные диоды.

Любой из р-n - переходов планарно-эпитаксиальной структуры может быть использован для формирования диодов, но только переходы база - эмиттер и база - коллектор действительно удобны для схемных применений. Имеется пять возможных вариантов диодного включения интегрального транзистора: а - переход база - эмиттер с коллектором, закороченным на базу; б - переход коллектор - база с эмиттером, закороченным на базу; в - параллельное включение обоих переходов; г - переход база - эмиттер с разомкнутой цепью коллектора; д - переход база - коллектор с разомкнутой цепью эмиттера. Параметры интегральных диодов приведены в табл.3.

Таблица 3