Коледов Л.А. - Технология ИС (1086443), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Коллектор собирает элекгроньи поступившие из эмиттера в базу. Чтобы третий, изолирующий р-и переход транзистора был смещен в обратном направлении, кремниевая подложка р-типа присоединяется к точке схемы, имеющей наибольший отрицательный потенциал (см. рис. 2.!). В нормальном включении токи коллектора и эмиттера почти одинаковы с точностью до незначительного тока базы (см. рис. 2.2). Последний компенсирует убыль основных носителей (дырок) в результате рекомбинации (хоть и незначительной, но все же отличной от нуля), а также небольшие потери дырок из области базы из-за их инжекции в область эмиттера. Сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода велико — несколько мегаом.
Поэтому в цепь коллектора можно включать большие сопротивления нагрузки, не изменяя величины коллекторного тока и обеспечивая в цепи нагрузки выделение значительной мощности. Сопротивление прямосмешепного эмиттерного перехода, наоборот, довольно мало (от единиц до нескольких десятков ом). Поэтому при почти одинаковых токах мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается намного меньше чем мощность, выделяемая в цепи нагрузки. Следовательно, транзистор способен усиливать мощность, г.
е. он является усилительным прибором. В транзисторных схемах один вывод прибора обычно используется для входного сигнала, другой -- для выходного. Третий вывод— общий для входного и выходного сигнала. Из шести возможных вариантов включения только три дают увеличение полезной мощности. Это уже рассмотренная схема с обгцим эмиттером (см. рис, 2.2), а также схемы с общей базой и общим коллектором. Каждый из этих вариантов имеет свой набор положительных качеств и недостатков. Выбор того или иного варианта зависит от требуемых значений входного и выходного сопротивлений, коэффициентов усиления по току и напряжению, Схема с обшей базой позволяет наглядно рассмотреть работу транзистора, физическую природу проходящих в нем процессов. Однако она обладает малым входным сопротивлением, равным сопротивлению эмиттерного перехода, и не обеспечивает усиления тока, что делает ее не очень удобной для большинства применений. Часто используется другой вариант включения — с общим эмиттером, для которого характерна заданная величина тока базы.
В принципе эмиттер и коллектор в схемных включениях транзистора можно поменять местами: на коллекторный переход задать прямое напряжение, а на эмитгерный — обратное. Такой режим работы называют инвгрснеим включением. Передача тока при инверс- 2' 35 ном включении значительно хуже, чем при нормальном по следующим причинам: концентрация активных примесей в коллекторе на несколько порялков меньше, чем в эмиттере, из-за чего электронная составляющая коллекторного тока мала; площадь эмиттера меньше площади коллектора и на нее может попасть только часть электронов, инжектируемых коллектором.
Нормальное и инверсное включение обеспечивают активный режим работы транзистора как усилительного прибора. Возможны еще два варианта включения: при прямом смещении и эмиттерного и коллекторного р-и перехода транзистор будет работать в режиме насьсщенил; при подаче обратного смещения и на эмиттерный и на коллекторный переход транзистор будет работать в режиме запиранин (отсечки). В интегральных микросхемах используются и транзисторы, у которых эмиттер и коллектор имеют дырочную проводимость, а база — электронную. Их называют р-и-р-транзисторами.
Естественно, что они имеют другие полярности рабочих напряжений. Неосновными носителями в базовой области этих транзисторов булут дырки, полвижность которых в 2...3 раза меньше подвижности электронов. Поэтому быстродействие и ряд других характеристик таких транзисторов хуже, чем у и-р-и-транзисторов. Однако наличие р-и-р-транзисторов в полупроводниковых микросхемах наряду с и-р-и-транзисторами дает лополнительные возможности лля улучшения характеристик микросхем.
В качестве примера можно указать на наличие горизонтального р-и-р- и вертикального и-р-и-транзисторов в схемах интегрально инжекционной логики (см. рис. !.19). Транзисторы и-р-и и р-и-р- типа, употребляющиеся совместно в интегральных микросхемах, называют комплементарными (взаимодополняющими).
2.2. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ВАРИАНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ ПО ПЛАНАРНО-ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ Транзисторы типа и-р-и. Биполярный транзистор и-р-и-типа является ключевым схемным элементом полупроводниковых микросхем.
Он обладает лучшими характеристиками, чем транзистор р-п-р-типа, а технология его изготовления более проста. Остальные элементы микросхемы выбираются и конструируются таким образом, чтобы они совмещались с основной структурой. Их изготавливают одновременно с созданием и-р-и-транзистора на основе какой-либо из его областей. Таким образом, выбор физической структуры транзистора однозначно определяет основные электрические параметры микросхемы. Самое широкое распространение получила т4!эанзисторная и+-р-и-структура со скрытым подколлекторным и -слоем (см. рис 1,12 и рис.
2.!), Следует обратить внимание на то, что вывол коллектора интегрального транзистора расположен на поверхности прибора. Это ведет к увеличению сопротивления тела коллектора „ухудшает характеристики транзистора как в усилительном (частотную), так и в переключающем (уменьшает эффективность переключателя в режиме насыщения) режимах. Увеличение степени легирования всего объема коллекторной области и уменьшение ее удельного сопротивления снижает пробивное напряжение перехода коллектор — база и увеличивает емкость этого перехода, т. е. тоже ухудшает характеристики транзистора. Компромиссным решением проблемы является создание скрытого высоколегированного пч -слоя на границе коллектора и подложки Этот слой обеспечивает низкоомный путь току от активной коллекторной зоны к коллекторному контакту, не снижая величины пробивного напряжения перехода коллектор — база. Конструктивно этот слой располагается непосредственно под всей базовой областью и простирается вплоть до дальней от базы стороны коллекторного контакта.
Толщина этого слоя составляет 2,5...10 мкм, типичные значения р,=!0...30 Ом/П. Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмиттерной зоной (см. рис. 2.!). )Тля обеспечения необходимого коллекторного.тока при минимальном последовательном падении напряжения коллекторный контакт располагают как можно ближе к эмиттерному. Минимальные значения горизонтальных размеров прибора определяются двумя основными технологическими факторами; минимально достижимыми при фотолитографии размерами окон в окисле и зазоров между окнами и глубиной боковой диффузии примеси пол окисел. Поэтому при проектировании транзистора надо учесть, что расстояние между базовой областью и коллекторным контактом должно быть значительно больше суммы размеров боковой диффузии р-базы и и -области под коллекторным контактом. Назначение этой и+-области состоит в обеспечении надежного формирования невыпрямляющего алюминиевого контакта к слаболегированной и-области коллектора, поскольку алюминий является акцепторной примесью в кремнии с пределом растворимости около 10'~ атомов/см'.
Уровень же легирования эпитаксиального слоя п-типа, составляющего тело коллектора, равен !О"...!О" атомов/см'. Он ликтуется, как уже сказано, необходимостью увеличить напряжение пробоя перехода коллектор — база. Расстояния между изолирующей областью р-типа и элементами транзистора определяются также эффектом боковой диффузии. Они должны быть равны примерно толщине эпитаксиального слоя, которая составляет обычно 3,5...
12 мкм. Две типичных конфигурации интегральных транзисторов показаны на рис. 2.4. Для асимметричной конфигурации характерно то, что коллекторный ток в ней протекает к эмиттеру только в одном направлении. При симметричной конфигурации коллекторный ток протекает к эмиттеру с трех сторон и сопротивление коллектора Рнс.
2.4. Топология биполярных интегральных транзисторов для микросхем средней степени иитеграциис о — ас етряеивя; б — си мет. рв яая Б к д) 6Л А! п1 оказывается примерно втрое меньше, чем при асимметричнои конфигурации. Для конструкции транзистора симметричной конфигурации облегчается разработка топологии металлической разводки, так как в ней оказывается возможным часть коллскторной области разместить под окислом, а поверх окисла над коллектором провести алюминиевую полоску к эмиттерной или базовой области.
На риг. 2.4, а даны топологические размеры областей интегрального биполярного транзистораа, типичные для микросхем средней степени интеграции. Типичные параметры этих областей приведены в табл. 2.1. В биполярных транзисторах входной управляющей величиной является либо ток базы, либо ток эмиттера, а выходными управляемыми величинами — либо эмнттерный, либо коллекторный токи (см. 2.1).
Связь между этими токами записывается в виде следующих уравнений: 1,=а1т; 1к=В1 '* В = а/(1 — а). (2.1) (2.2) (2.3) В этих уравнениях а и  — коэффициенты усиления по току в схемах с общей базой и с общим эмиттером соответственно. Для Т абл и ца 2.>. Типичные параметры слоев интегрального и-р-и-транзистора Приме аи е и — коипеи раппа пр меси >лл» лвффузиояим* безо ом з и ер опз слоев— позер яоствая конце грац я>, и -- талмяиа слоя; р, — улельиое сопротв сапе материала р, — улель.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
