И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Применяется несколько способов изоляции. Наиболее простой и дешевой является изолядия л — р-переходом. В этом случае в кристалле, например из кремния типа р, методом диффузии делаются области типа л, называемые «карманами» (рис. 9.5). В «карманах» затем формируются необходимые пассивные или активные элементы, а л — р-переход между «карманом» и кристаллом в работающей ИС постоянно находится под обратным напряжением. Для этого на кристалл постоянно подается отрицательный потенциал в несколько вольт. Кремниевый л — р-переход при обратном напряжении имеет очень высокое сопротивление (несколько мегаом), которое и выполняет роль изодяции. Очевидно, что между любыми двумя элементами сопротивление изоляции будет равно двойному обратному сопротивлению изолирующего л-р-перехода. Следует учитывать, что каждый такой переход имеет барьерную емкость, и поэтому между элементами возникает паразитная емкостная связь через емкости переходов.
Второй вид изоляции — диэлектрическим слоем — показан на рис. 9.6. Здесь также имеются «карманы» для последующего формирования в них нужных элементов, но между «карманом» и кремниевым кристаллом имеется тонкий диэлектрический слой диоксида кремния ЯОз. Создание этого слоя значительно усложняет изготовление микросхемы. Но зато изоляция получается значительно лучше, чем л — рпереходом. И паразитная емкость между Рис. 9.5. Изоляция элементов л — р-нерекодом 147 а) б) Юе»"з Салбзлр 148 Рис. 9.6. Изоляция элементов диэлектриче- ским слоем «карманом» и кристаллом при этом методе изоляции гораздо меньше, так как диэлектрический слой в несколько раз толще изолирующего л — р-перехода. Однако из-за технологической сложности изоляции диэлектрическим слоем чаще всего применяется изоляция и — р-переходом, В дальнейшем изложении везде на рисунках показана именно такая изоляция.
Получила распространение изоляция типа кремний иа сапфире. На сапфировой подложке, являющейся хорошим диэлектриком, наращивается эпитаксиальный слой кремния, что вполне возможно, так как сапфир и кремний имеют одинаковую кристаллическую решетку. Слой кремния протравливается до сапфира так, что образуются кремниевые «островки» (рис.
9.7, а). В этих «островках» методом диффузии формируются необходимые элементы, которые оказываются изолированными друг от друга снизу сапфиром, а с боков— воздухом. Недостаток этого метода в том, что у микросхемы получается рельефная поверхность, затрудняющая устройство металлических соединений между элементами. Представляет интерес еще так называемая изолланариая технология создания изоляции, иначе называемая комбинированной. В этом случае боковые стороны «карманов» изолированы диэлектрическим слоем диоксида кремния, Рис. 9.7.
Изоляция «кремний иа сапфире» (а) и изоплаиариая (Б) а нижняя сторона изолирована от подложки л — р-переходом под обратным напряжением (рис. 9.7, б). При таком методе паразитная емкость между элементами несколько меньше, чем при изоляции только л — р-переходом, и достигается большая плотность размещения элементов, так как промежутки между элементами значительно уменьшаются. Биполярные транзисторы. Они делаются по планарной или планарнозпитаксиальной технологии. Методом диффузии в кристалле создаются области коллектора, базы и эмиттера (рис. 9.8).
На рисунке транзистор показан в разрезе и в плане. Структура транзистора углубляется в кристалл не более чем на 15 мкм, а линейные размеры транзистора на поверхности не превышают нескольких десятков микрометров. Как правило, изготовляются транзисторы типа л — р — и. Внутренний (скрытый) слой с повышенной концентрацией примесей л' в коллекторе служит для уменыпения сопротивления и, следовательно, потерь мощности в области коллектора.
Но у коллекторного пере- К Б Э Б К Рис. 9.8. Биполярный транзистор типа и — р — л хода область коллектора должна иметь пониженную концентрацию примесей, чтобы переход имел болыпую толщину. Тогда емкость у него будет меньше, а напряжение пробоя выше. Область эмиттера также часто делают типа а' для уменьшении сопротивления и увеличения инжекции. Сверху на транзисторе создается защитный слой оксида ЯОз.
От областей коллектора и базы часто делают по два вывода (рис. 9.8), для того чтобы можно было соединить данный транзистор с соседними элементами без пересечений соединительных линий. Такие пересечения весьма нежелательны, так как они значительно усложняют производство. Действительно, в месте пересечения надо на нижнюю соединительную линию нанести диэлектрическую пленку, а поверх нее нанести верхнюю соединительную линию, т. е. надо сделать две лишние технологические операции. Кроме того, место пересечения всегда представляет опасность в отношении пробоя от случайных перенапряжений.
Важная проблема при проектировании и конструировании ИС вЂ” такое размещение (топология) элементов схемы, при котором соединения могут быть сделаны без пересечений или, в крайнем случае, с минимальным числом пересечений. Кроме того, важно, наа сколько это возможно, уменьшить паразитные связи между элементами. При большом числе элементов может быть огромное число вариантов их размещения, и для рассмотрения всех таких вариантов с целью выбора оптимального надо затратить очень много времени. В последнее время эту работу стали выполнять электронно-вычислительные' машины, которые, действуя по определенным заданным условиям, в К 5 Б Рис.
9.9. Горизонтальный транзистор типа р — и — р короткое время могут выбрать наивыгоднейший вариант размещения элементов. Типичные параметры биполярных транзисторов полупроводниковых ИС таковы: коэффициент усиления тока базы 200, граничная частота до 500 МГц, емкость коллектора до 0,5 пФ, пробивное напряжение для коллекторного перехода до 50 В, для змиттерного до 8 В, Удельное сопротивление ни р-слоев составляет несколько сотен, а нь-слоев — не более 20 Ом/гл. Необходимо обратить внимание на то, что в полупроводниковых ИС всегда образуются некоторые паразитные элементы. Например, из рис.
9.8 видно, что наряду с транзистором типа н — р — н, созданным в кристалле типа р, существует паразитный транзистор р — н — р, который образуется кристаллом, областью коллектора и областью базы транзистора. А транзистор и-р-и вместе с кристаллом образует паразитный тиристор и — р — н — р. Вследствие наличия обратного напряжения на изолирующем переходе паразитные транзисторы и тиристор нормально заперты, но при попадании в них каких-либо импульсов помех может произойти нежелательное отпирание и срабатывание этих элементов. В биполярных транзисторах, изготовленных по планарной технологии, основной ток через змиттерный н коллекторный переходы протекает вертикально (если сама ИС расположена горизонтально).
Такие транзисторы, называемые вертикальными, делаются преимущественно типа п — р — ~. В некоторых случаях нужны транзисторы типа р — п — р. Они обычно имеют такую структуру, что ток через переходы протекает в горизонтальном направдении (рис. 9.9). Этн транзисторы называют горизонтальными. У них база по сравнению с вертикальными транзисторами получается толще и соответственно этому граничная частота ниже.
Для учета влияния паразитных элементов составляют эквивалентную схему транзистора. Возможны различные эквивалентные схемы. Один из вариантов показан на рис. 9.10. Здесь у основ- 149 э Рнс. 9.10. Эквивалентная схема. транзис- тора ИС ного транзистора Т, типа и-р-н коллектор имеет емкость С„.„ относительно подложки Л, а область базы и коллектора основного транзистора вместе с подложкой образуют паразитный транзистор Та типа р — н — р. Между областью коллектора и ее выводом показано так называемое объемное сопротивление коллектора гкм которое может составлять десятки ом.
Постоянная времени г„,С„.„влияет на время заряда и разряда емкости С„.„, а следовательно, и на частотные свойства транзистора. Чем меньше Скв и г„„ тем выше предельная частота. Для уменьшения г, создается скрытый и+- слой в коллекторе, а для уменьшения С„.„ применяется изоляция диэлектриком, что исключает образование паразитного транзистора Т,. Многоэмнттерные транзисторы. Помимо обычных транзисторов в цифровых полупроводниковых ИС применяютРнс. 9.11. Структура н условное графическое обозначение многсэмнттернсгс транзистора 150 ся также многоэмиттерные транзисторы. Принцип устройства таких транзисторов и их изображение на схемах показаны на рис.
9.11. Для примера взят четырехэмиттерный транзистор. Такой транзистор можно отпирать подачей импульса прямого напряжения на любой из четырех эмиттерных переходов. К каждому эмиттеру подключается свой источник отпирающего импульса. При этом важно, чтобы такой импульс напряжения не проник в другие источники входных импульсов, так как эмиттерные переходы, не работающие в данный момент, будут находиться под обратным напряжением.
Например, если на эмиттер Э, подан импульс отрицательного напряжения, то н — р-переход этого змиттера отпирается и в транзисторе возникает коллекторный ток. Отрицательный потенциал с Э, передается на базу типа р, а поскольку эмиттеры Эа, Ээ и Эя имеют нулевой потенциал, то на их н-рпереходах получается обратное напряжение, резко увеличивается сопротивление и, таким образом, импульс, поданный на Э„ не будет попадать в цепи эмиттеров Эа, Эа и Эя, т.е. зти цепи развязаны друг с другом.
Если бы четыре разных источника отпирающих импульсов были подключены вместе к одному эмиттеру, то развязки не получилось бы. В этом случае для развязки в цепь каждого источника входного сигнала включают диоды, что значительно сложнее, чем применение одного многоэмиттерного транзистора. Следует обратить внимание, что в многоэмиттерном транзисторе работающий эмиттер вместе с базой н другим, соседним, эмиттером образует паразитный транзистор. Чтобы уменьшить влияние последнего, между соседними змиттерами делают расстояние не менее 10 мкм, т.
е. у такого паразит- ного транзистора получается сравнительно толстая база. Подобно многозмиттерным транзисторам применяются многоколлектор. ные транзисторы. Их структуру можно представить себе, если в схеме на рис. 9.11 четыре эмиттера включить как коллекторы, а коллектор заставить работать как эмиттер.
Супербета-транзистор. В микросхемах иногда делают транзисторы с таким названием. В них база имеет толщину всего лишь 0,2 — 0,3 мкм и за счет этого коэффициент усиления р достигает нескольких тысяч. Однако предельное напряжение и„е в этих транзисторах не превышает 2 В. При большем напряжении происходит смыкание коллектор- ного перехода с змиттерным. Составной транзистор.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
