Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 42
Текст из файла (страница 42)
ПУсть имеется прямоугольная полоска материала длиной а, шириной Ь и толщиной д. Если ток протекает вдоль полоски (т.е. параллельно ее поверхности), то сопротивление полоски можно записать в виде: (7.1) В = р(а/Ы) = В,(а~б), где В, = рд(. Если слой неоднороден па толщине (например, если он получен диффузией примеси), то величина В, запишется в общем виде: В, = )о(х)бх Глава 7. Элементы ннтегральнмх еяем 220 где о(х) = 1/р(х) — удельная проводимость материала в плоскости, расположенной на расстоянии х от поверхности. Прн условии а = Ь прямоугольная полоска принимает квадратную форму, а ее сопротивление делается равным В«. Значит, величину г(, можно определить как продольное солролзиеление злая или пленки квадратной конфигурации. Чтобы подчеркнуть последнюю оговорку, вместо истинной размерности «Ом» пишут «Ом)С)» (чнтается: «Ом на квадрат»).
Знак величину Я„легко рассчитать сопротивление слоя илн пленки прямоугольной конфигурации по известным значениям и н Ь. Из табл. 7.2 вцдно, что пробивное напряжение эмиттерного перехода в 5-7 раз меньше, чем коллекторного. Эта особенность, свойственная всем дрейфовым транзисторам, связана с тем, что змиттерный переход образован более низкоомными слоями, чем коллекторный.
При включении транзистора с общим змиттером пробойное напряжение коллекторного перехода уменьшается в соответствии с (5.29). Если база достаточно тонкая (ш < 1 мкм), то пробой обычно обусловлен зффектом смыкания, а напряжение пробоя характеризуется выражением (5.30). Паразитные параметры. На рис. 7.14, а показана упрощенная структура интегрального л-р-п-транзистора, выполненного по методу разделительной диффузии. Особенность интегрального транзистора состоит в том, что его структура (с учетом подложки) — четырехслойная: наряду с рабочими эмитгерным и коллекторным переходами имеется третий (паразитный) переход между коллекторным л-слоем и подложкой р-типа.
Наличие скрытого и+-слоя (не показанного на рис. 7.14, а) не вносит принципиальных изменений в структуру. з в к э в к Р р-«-р «-р-« Ьп пб а) б) Рне. 7Л4. Интегральный «-р-«-транзнетор: а — упрощенная структура е выделенным паразнтнын р-и-р-транзистором; о — унрощеннзя модель; з — полная модель 231 т,з. Трав»э«тары и — 㻠— н Подложку ИС (если она имеет проводимость р-типа) присоединяют к самому отрицательному потенциалу. Поэтому напряжение на переходе «коллектор — подложка» всегда обратное или (в худшем случае) близко к нулю. Следовательно, этот переход можно заменить барьерной емкостью С„„, показанной на рис.
7.14, а. Вместе с горизонтальным сопротивлением коллекторного слоя г„„емкость С„образует г«С-цепочку, которая подключена к активной области коллектора. Тогда эквивалентная схема интегрального и — р — и-транзистора имеет такой вид, как показано на рис. 7.14, б. Цепочка ㄄— С„„, шунтируюи(ая коллектор, — главная особенность интегрального и — р-и-транзистора. Эта цепочка, естественно, ухудшает его быстродействие и ограничивает предельную частоту и время переключения. Поскольку подложка находится под неизменным потенциалом, ее можно считать заземленной по переменным составляющим. Поэтому, дополняя малосигнальную эквивалентную схему ОБ (рис.
5.16) цепочкой г„С „и пренебрегая сопротивлением гь, приходим к выводу, что емкость Сга складывается с емкостью С„, а сопротивление г»а — с внешним сопротивлением гт„(см. с. 163). Соответственно эквивалентная постоянная времени (5.68) запишется следующим образом: т-. = т«+ (Са + С ) (г + )(а) (7.2) Из выражения (7.2) очевидно, что паразитные параметры С„„и г„„ограничивают быстродействие интегрального транзистора в идеальных условиях, когда т, = О, С„= 0 и гт„= О.
В этом случае эквивалентная постоянная времени т„равна постоянной времени подложки; т„= С„„гаю (7.3) Например, если Саа = 2 пФ и г„„= 100 Ом, получаем т„= 0,2 нс, соответствующая граничная частота г', = 1/2лт«» 800 МГц. С учетом параметров т„, С„и при наличии внешнего сопротивления гт„эквивалентная постоянная времени возрастает, а граничная частота уменьшается. Значение г„„.= 100 Ом, использованное в предыдущем примере, характерно для транзисторов без скрытого п+-слоя.
При наличии скрытого слоя типичны значения г„„= 10 Ом. Тогда 232 Глава 7. Элементы интегральных схем постоянная времени тз оказывается на порядок меньше и влияние подложки становится мало существенным. Соотношение между емкостями Сзз и С„зависит в первую очередь от соотношения площадей соответствующих переходов и концентраций примеси в слоях подложки и коллектора. Обычно С„„= (2-3)С„. При расчете емкости Скз следует учитывать не только донную часть перехода коллектор-подложка, но и его боковые (вертикальные) части (см. рис. 7.14, а). Удельная емкость боковых частей больше, чем донной, поскольку концентрация акцепторов в разделительных слоях возрастает в направлении от дна перехода к поверхности (на рис.
7.14, а зта концентрация характеризуется густотой штриховки). Типичное значение удельной емкости для донной части составляет Со„= 100 пФ/ммз, а для боковых частей Соул = 150 — 250 пФ/ммз. Обычно все три составляющие емкости Свв оказываются почти одинаковыми и лежат в пределах 0,5-1,5 пФ. Пассивную область базы вместе с лежащими под ней областями коллектора и подложки можно представить как некий ларазитиый р — и — р-транзистор.
На рис. 7.14, а структура такого транзистора обведена штриховой линией, а эквивалентная схема, характеризующая взаимосвязь рабочего и-р — л-транзистора с паразитным, показана яа рис. 7.14, в. Если и — р-и-транзистор работает в нормальном активном режиме ((7„з > 0), то паразитный транзистор находится в режиме отсечки ((7, < О, см. знаки без скобок). В этом случае коллекторный переход паразитного транзистора представлен емкостью С (рис. 7.14, б).
Если же л-р — и-транзистор работает в инверсном режиме или в режиме двойной инжекции (У„< 0), то паразитный р-л-р-транзистор находится в активном режиме ((7, > О, см. знаки в скобках). При этом в подложку уходит ток 1, = и „г/п где 1, — часть базового тока (рис. 7.14, е). Утечка базового тока в подложку ухудшает параметры транзистора в режиме двойной инжекции (см. раздел 8.2). Поэтому транзисторы, предназначенные для работы в таком режиме, специально легируют золотом.
Атомы золота играют в кремнии роль ловушек, т.е. способствуют уменьшению времени жизни носителей. Соответственно коэффициент и „уменьшается до значений менее 0,1, и утечкой тока в подложку можно пренебречь. В случае диэлектрической изоляции паразитный р-л-р-транзистор отсутствует, но емкость С„„сохраняется. Она, как уже отмечалось, меньше, чем при изоляции р-л-переходом. Если ди- взз т,э. Транзисторы и-р — и электриком является двуокись кремния, то удельная емкость при толщине 1 мкм составляет около 35 пФ/ммэ. Типовой технологический цикл.
Промышленность иоставляет разработчику ИС готовые пластины кремния, прошедшие механическую и химическую обработку. Поэтому будем считать, что в начале технологического цикла имеется пластина кремния р-типа с отполированной поверхностью, покрытой тонким, естественным слоем окисла. В этой пластине групповым методом нужно изготовить транзисторы со структурой, показанной на рис. 7,6, б. Последовательность операций будет следующаяг. 1) Общее окисление пластины. 2) 1-я фотолитография: создание окон в окисле епод скрытые л"-слои».
3) 1-я диффузия (создание скрытых и+-слоев, рис. 7.15, а); диффузант — мышьяк илн сурьма. 4) Стравливание окисла со всей поверхности. Окно паД ккДиффУеюо Эеот Окна поД еннттеРиУю ДиффУеню ат Окна под разделительную Ок о под Заеоеую а) Рис. т.тб. Этапы технологического цикла создания интегрального л-р-л-транзистора со скрытым лчслоем методом разделительной а> диффузии: и — создание скрытых слоев; б — создание базовых слоев в зпитаксиальных карманах; е — создание змиттерных слоев и слоев под омические контакты коллекторов; г — общая металлизация; д — создание рисунка ме1 В пРиводимом перечне опущены многочисленные операции очистки и отмывки пластины, а также нанесения и удаления фоторезиста.
Глава т. Элементы нятеграл»яых схем 5) Наращивание зпитаксиального и-слоя (при этом скрытый и»-слой несколько диффундирует как в подложку, так и в эпитаксиальный слой; см. с. 222). 6) Общее окисление. 7) 2-я фотолитография: создание окон в окисле «под разделительную диффузию». 8) 2-я диффузия (создание разделительных р-слоев и соответственно изолированных и-карманов в эпитаксиальном слое, рис. 7.5); диффузант — бор. 9) 3-я фотолитография: создание окон в окисле «под базовую диффузию».
10) 3-я диффузия (создание базовых р-слоев, рис. 7.15, б); диффузант — бор. Диффузия двухстадийная («вагонка» и «разгонка>, см. с. 179 — 180). 11) 4-я фотолитография: создание окон в окисле «под эмиттерную диффузию и омические контакты коллекторов». 12) 4-я диффузия (создание и+-слоев, рис. 7.15, в); диффузант — фосфор. Иногда эта диффузия тоже двухстадийная.
13) 5-я фотолитография: создание окон в окисле «под омические контакты». 14) Общее напыление алюминия на пластину (рис. 7.15, г). 15) 6-я фотолитография: создание окон в фоторезисте «под металлическую разводку». 16) Травление алюминия через фоторезистную маску, снятие фоторезиста (рис. 7.15, д). 17) Термическая обработка для вжигания алюминия в кремний. Сборочные операции мы опускаем: они были рассмотрены в разделе 6.10.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
