Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 44
Текст из файла (страница 44)
На рнс. 7.18 показана структура интегрального ТШ. Здесь очень изящно решена задача сочетания транзистора с диодом Шоттки: алюминиевая металлизация, э Б А1 К обеспечивающая омический контакт с р-слоем базы, проделана в а р сторону коллекторного и-слоя. На Шоттки Барьер,' первый взгляд, коллекторный слой оказался закороченным со р-з! слоем базы. На самом же деле алю рис т ьз. интегральный тран- миниевая полоска образует с аистор с барьером шоттки р-слоем базы невыпрямляющий„ омический контакт, а с и-слоем коллектора выпрямляющий контакт Шоттки (см. раздел 3.3). Поэтому эквивалентная схема такой структуры соответствует схеме на рис.
8.12. Разумеется, структурное решение, показанное на рис. 7.18, можно использовать не только в простейшем транзисторе, но и в МЭТ. В обоих случаях отсутствуют накопление и рассасывание избыточных зарядов и получается существенный (в 1,5 — 2 Раза) выигрыш во времени переключения транзисторов из полностью открытого в запертое состояние. Глава т. Эяомсвтм иитогрвяьимх охом Супербета транзистор. Это название присвоено транзисторам ео еверхтонкой базой: и = 0,2 — 0,3 мкм. При такой ширине базы коэффициент усиления базового тока составляет В = 3000 — 3000 и более, откуда и следует их название. Получение сверхтонкой базы представляет серьезную технологическую проблему. Во-первых, ширина базы есть разность глубин базового и эмиттерного слоев: ю = дб — д,. Если допуск на ширину базы составляет Я 10%, т.е. 0,02 мкм, то при глубине базового слоя дб = 2 мкм глубина эмиттерного слоя должна составлять с(, = 1,8 я 0,02 мкм. Значит, эмиттерная диффузия должна осуществляться е допуском я 1,25%, что лежит на пределе технологических возможностей.
Во-вторых, когда в процессе диффузии эмиттерного слоя его металлургическая граница приближаетея к металлургической границе коллекторного слоя на расстояние 0,4 мкм, наступает так называемый эффект оттеснения коллекторного перехода: дальнейшая диффузия атомов фосфора в эмиттерном слое сопровождается диффузией (с той же скоростью) атомов бора в базовом слое. Можно сказать, что эмиттерный слой спродавливаеть металлургическую границу ранее полученного базового слоя (рис, 7.19). При этом толщи- на базы сохраняет значение около 0,4 я+ р мкм.
Для того, чтобы преодолеть отмеченные трудности и обеспечить воспроизводимость ширины базы, потребовалиеь многолетние усилия фиРис. 7.19. Иллюстрация пробив тя по„,тчси евер оииоа зиков-технологов. Больигой коэффибявм Циент Усилениа У сУпеРбета тРанзи- сторов покупается ценой очень малого пробивного напряжения (1,5 — 2 В). Это — результат эффекта смыкания переходов, свойственного транзисторам с тонкой базой (см. равд.
4.4). Поэтому супербета транзисторы являются не универсальными, а специализированными элементами ИС. Их главная область применения — входные каскады операционных усилителей (раздел 10. 10). Необходимо заметить, что дальнейшее уменьшение ширины базы до 0,1 мкм и менее связано уже не столько с технологическими, сколько е принципиальными физическими проблемами. А именно, если принять среднюю концентрацию акцепторов в базе равной 8 101б см з (см. рис. 7.12), то на 1 см длины их приходится 2 10б.
При ширине базы 0,1 мкм (т.е. 10 "" см) 7.5. трэн«асторы Р-л-Р оказывается, что в базе располагаются всего два слоя акцепторных атомов. При этом теряет смысл понятие градиента концентрации примеси (и связанное с ним понятие внутреннего поля), качественыо меняются процессы рассеяыия и характер движения носителей в базе. Тем самым классическая теория транзисторов в значительной мере теряет силу. 7,5.
Транзисторы р — и-р Получение р — и — р-транзисторов с такими же высокими параметрами, как и и — р-и-транзисторы, в едином технологическом цикле остается до сих пор нерешенной задачей. Поэтому все существующие варианты интегральных р — и-р-транзисторов существенно уступают и — р — п-транзисторам по коэффициенту усиления и предельной частоте.
Как известно, при прочих равыых условиях р — и — р-транзисторы уступают и — р-и-транзисторам по предельной частоте примерно в 3 раза из-за меыьшей подвижыости дырок по сравнению с электронами. Поэтому в данном случае, говоря о меньшей предельной частоте р-и — р-траызисторов, мы имеем в виду, что не удается обеспечить те «равные условия«, при которых различие было бы только в 3 раза.
На ранней стадии развития ИС в качестве р — л — р-транзисторов попользовались р — л — р-структуры, образованные слоями базы, коллектора н подложки (рнс. 7.20, а). Такие транзисторы обычно называют ларазитными по аналогии с теми, которые входят в состав транзисторов л-р-л (см. Рнс. 7.14, а). Создание паразитного р — л-р-транзистора не требует дополнительных технологических операций, однако его параметры оказываются крайне низкими нз-за большой ширины базы (сравнимой с глубиной эпитакснального слоя) н слабой степени легнРозання эмнттера. Практически толщина базы составляет около 10 мкм, что соответствует предельной частоте ут = 1 — 2 МГц, а коэффициент усиления В обычно не превышает 2-3.
Не менее существенным недостатком паразнтных р — и — р-транзистоРов является то, что разделительный р -слой связан с подложкой, а через нее с другими разделительными слоями. Следовательно, коллекторы всех таких р-л — р.транзиеторов оказываются соединенными дРуг е другом, а зто сильно ограничивает сферу нх применения (ср. с Рнс.
7.1), Вводя дополнительную технологическую операцию — глубокую диффузию акцепторов (рнс. 7.20, б), можно получить меньшую толщину базы н улучшить параметры (В = 8 — 10 и ут 4-6 МГц). Однако Глава 7. Элементы интегральных схем Э Б Э Б К Рис. 7.20. Паразитные р — л — р-транзисторы: а — змиттер, полученный на этапе базовой диффузии л-р-л-транзистора; б — змиттер, полученный спе- циально глубокой диффузией бора увеличивается время проведения диффузии и сохраняется недостаток„ обусловленный связью коллекторов через подложку.
В настоящее время основным структурным вариантом р — д — р-транзистора является горизонтальный р — и — р-транзистор (рис. 7.21). Он изолирован от других элементов, имеет гораздо лучшие параметры„чем паразитный р — и — р-транзистор, а его технология полностью вписывается в классический технологический цикл с разделительной диффузией. Эмиттерный и коллекторный слои получаются на этапе базовой л диффузии, причем коллекторный слой охватывает эмиттер со всех сторон.
Это позволяет собирать инжектированные дырки со всех бел л+ ковых частей эмиттерного слоя. Приповерхностные боковые участ- К Э Б р ки р-слоев характерны повышенной концентрацией примеси, что способствует увеличению коэффициента инжекции. Поскольку базол вая диффузия сравнительно мелкая (2-3 мкм), ширину базы (т.е.
расу зз а+ стояние между р-слоями) удается сделать порядка 3 — 4 мкм. В резуРис. 7.2Б Горизонтальный льтате предельная частота может р-л-р.транзистор (топологил и структура) составлять до 20 — 40 Мьц, а коэф- фициент усиления до 50. Из рис. 7.21 видно, что горизонтальный р — л — р-транзистор (как и паразитный) является бездрейфовым, так как его база однородная — эпитаксиальный д-слой. Этот фактор вместе с 7.5. Транзисторы р-н-р 243 меньшей подвижностью дырок предопределяет примерно на порядок худшие частотные и переходные свойства р — и — р-транзистора даже при той же ширине базы, что и у дрейфового и-р — н-транзистора.
Из рис. 7.21 также видно, что для увеличения коэффициента передачи змиттерного тока желательно, чтобы площадь донной части эмиттерного слоя была мала по сравнению с площадью боковых частей. Значит, эмиттерный слой нужно делать как можно более узким. Заметим, что горизонтальному р — п — р-транзистору свойственна электрофизическая симметрия, так как слои эмиттера и коллектора однотипные. В частности, зто означает, что пробивные напряжения эмиттерного и коллекторяого переходов — одинаковы (обычно 30-50 В). Близкими оказываются также нормальный и инверсный коэффициенты усиления тока В„, и В .
Горизонтальная структура позволяет легко осуществить многоколлекторный р — и — р-транзистор: достаточно разделить кольцевой р-коллектор (рнс. 7.21) на и частей и сделать отдельные выводы от каждой части. Коэффициент усиления по каждому из коллекторов будет примерно в и раз меньше, чем для единого коллектора, но все коллекторы будут действовать «синхронно», а нагрузки, присоединенные к ним, будут изолированы — «развязаны» друг от друга. Главные недостатки горизонтального р — и — р-транзистора— сравнительно большая ширина базы и ее однородность.
Эти недостатки можно устранить в вертикальной структуре (рис. 7.22), но ценой дополнительных технологических операций. Из рис. 7.22 следуют две такие операции: глубокая диффузия р-слоя и заключительная диффузия р«+-слоя. Последняя операция весьма проблематична, так как р- з для получения р++-слоя необходим акцепторный материал, у которого г предельная растворимость больше, и чем у фосфора, используемого для получения и+-слоя. Поскольку та- р-в! КИЕ МатЕРИаЛЫ ПраКтнЧЕСКИ ОтСУт- Рис. 7.22. Вартан ный ствуют, верхнюю — наиболее леги- о-а-р-трав»и«тор рованную часть и'-слоя необходимо стравить до осуществления р++-слоя, что дополнительно Усложняет технологический цикл. Глава 7. Элементы интегральных схем Большие возможности для получения качественных р — и — р-транзисторов открывает технология КНС (екремний на сапфире», см. равд.
7.2). В этом случае (рис. 7.23) р-и-р-траве в к э в к зистор изготавливается по существу отдельно от и — р — и-трап;~,д' р " р „ зисторов, начиная с этапа эпи= — р.„.р — „.р.» — — — таксии р-слоя (эпитаксия и- и — — — — — — р-слоев осуществляется локаль— — — — Сапфир- но, через разные маски).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
