Особенности биполярных транзисторов ИС

В полупроводниковых ИС основными элементами являются п—р—я-транзисторы. Технология других элементов приспосабливается к технологии изготовления п—р—л транзисторов, чтобы по возможности избежать дополнительных технологических операций.

Особенности биполярных транзисторов ИС рассмотрим на примере транзистора, который изолирован от других элементов ИС с помощью метода разделительной диффузии (см. рис. 7.1). На рис. 7.5, а показано распределение концентрации примесей в различных областях интегрального транзистора в направлении х от поверхности через эмиттер — базу — коллектор — скрытый слой — подложку. На рис. 7.5, б представлено распределение эффективной концентрации примеси = |ЛГ_Д — АГ_а|, которое является в основном неравномерным, особенно в области базы, что приводит к формированию внутреннего электрического поля (см. гл. 4), т. е. биполярные транзисторы интегральных схем являются дрейфовыми. В соответствии с распределением.

Рис. 7.5.

примеси в базе электрическое поле со стороны эмиттерного перехода является тормозящим для электронов, инжектированных в базу из эмиттера, а со стороны коллекторного перехода — ускоряющим. Наличие участка с тормозящим полем в базе приводит к незначительному (на 20…30%) увеличению времени пролета электронов через базу, что, как правило, при расчетах не учитывается.

Интегральный транзистор имеет четырехслойную структуру. Наряду с рабочими электрическими переходами (эмиттерным и коллекторным), имеется паразитный третий р—л-переход между коллекторным л-слоем и подложкой р-типа (см. рис. 7.1). Наличие скрытого л⁺-слоя не вносит принципиальных изменений в структуру. На подложку р-типа интегрального транзистора подается отрицательный потенциал, т. е. напряжение на переходе коллектор—подложка является всегда обратным или, в крайнем случае, равно нулю, поэтому этот переход можно заменить (моделировать) барьерной емкостью С_кп (рис. 7.6, а). Поскольку степень легирования коллекторного перехода меньше легирования базы, то горизонтальное объемное сопротивление коллекторной области (г_кк) может сильно сказаться на инерционных свойствах транзистора из-за того,.

Рис. 7.6.

что оно вместе с емкостью С_кп образует цепочку с постоянной времени т_к = г_ккС_Кп" подключенную к активной области транзистора (см. рис. 7.6, а). Наличие этой цепочки, которая моделирует коллектор, является основной особенностью интегрального транзистора по сравнению с дискретным. Типичные значения г_кк ~ 100 0 м без скрытого л'-слоя и г_кк ~ 10 Ом при его наличии.

Емкость С_кп в эквивалентной схеме транзистора подключена параллельно емкости С_к перехода коллектор—база и поэтому складывается с ней, а сопротивление г_кк складывается с внешним сопротивлением (сопротивлением нагрузки Я_к). Эквивалентная постоянная времени для схемы с общей базой может быть записана в следующем виде:

где т_н определяется временем переноса носителей через базу.

При условии высокопроводящего п '-слоя и малого сопротивления Я_к вторым слагаемым в формуле (7.1) можно пренебречь, и тогда влияние подложки становится малосущественным.

Рассмотрим роль паразитного р—п—р транзистора, у которого эмиттер образован базой основного транзистора, база — коллектором основного транзистора, а подложка является коллектором (рис. 7.6, б): р—п—р-транзистор является вертикальным, а основной п—р—п-транзистор — горизонтальным.

Паразитный транзистор при обратносмещенном переходе коллектор—подложка будет работать в активном режиме, если л—р—л-транзистор находится в режиме насыщения. Если же л—р—я транзистор работает в нормальном активном режиме, то паразитный р—л—р-транзистор окажется в режиме отсечки, и его влияние сводится к увеличению коллекторной емкости основного транзистора на величину С_кп.

В первом случае через паразитный транзистор будет наблюдаться утечка коллекторного тока в р слой подложки. Необходимо добиваться, чтобы коэффициент передачи тока р—л—р-транзистора был по возможности малым, что автоматически достигается при сильнолегированном л'-скрытом слое, входящем в состав базы этого транзистора. Однако в этом случае р—л—р-транзистор потребляет большой ток /, который течет не через коллекторный переход, а через переход эмиттер—база паразитного транзистора.

В случае диэлектрической изоляции паразитный р—л— р транзистор отсутствует, однако емкость С_кп сохраняется, но ее величина меньше, чем при других видах изоляции.

В микроэлектронном исполнении существуют ряд разновидностей биполярных л—р-л-транзисторов, не имеющих аналогов в дискретном исполнении. Рассмотрим основные особенности некоторых из них.

Многоэмиттерные транзисторы. Этот вид транзисторов составляет основу таких цифровых ИС, как схемы ТТЛ (транзистор— транзисторная логика). Структура и схемные модели многоэмиттерного транзистора (МЭТ) представлены на рис. 7.7, где показаны три эмиттера. Количество эмиттеров может быть 5—8 и более. МЭТ можно часто рассматривать как совокупность отдельных транзисторов с соединенными базами и соединенными.

Рис. 7.7.

коллекторами. Такое объединение транзисторов на одном кристалле приводит к ряду особенностей.

Одна из особенностей связана с тем, что смежные эмиттеры вместе с разделяющим их p-слоем базы формируют паразитный горизонтальный п⁺—р—п*-транзистор.

При работе МЭТ может складываться ситуация, когда, например, на будет отрицательный потенциал, а на Э₂ — положительный. В этом случае паразитный п+—р—п⁴ -транзистор работает в активном режиме, и через переход на границе Э₂, который должен быть закрыт, будет протекать заметный ток. Для устранения или ослабления этого паразитного для МЭТ эффекта расстояние между соседними эмиттерами должно в З…5раз превышать диффузионную длину электронов в p-базовой области, т. е. составлять Ю…15мкм. При легировании базы золотом диффузионная длина составляет 2…3мкм. Поскольку паразитный транзистор может попасть в инверсный режим, то инверсный коэффициент передачи тока а_; должен быть по возможности малым. В противном случае носители, инжектируемые коллектором паразитного транзистора, например Э₂, достигают эмиттеров, например Э, и аналогично предыдущему случаю через обратносмещенный переход будет протекать заметный паразитный ток, что крайне нежелательно, особенно в цифровых ИС. Для уменьшения а, в МЭТ технологически увеличивают сопротивление пассивной базы до 200…300 Ом посредством удаления омического базового контакта от активной области транзистора на большее расстояние.

Многоколлекторные п—р—л-транзисторы. Многоколлекторные транзисторы (МКТ) составляют основу схем инжекционной логики И²Л. Они по своей структуре не отличаются от структуры МЭТ. МКТ — это, по сути дела, МЭТ, используемый в инверсном режиме (рис. 7.8).

Рис. 7.8.

Основным требованием при изготовлении МКТ является получение больших значений нормального коэффициента передачи тока а от общего эмиттера к коллекторам (задача, обратная МЭТ). Это достигается размещением коллекторов по возможности ближе друг к другу и совмещением скрытого п^-слоя с базой. В этом случае п ⁺ -слой, будучи частью эмиттера, обеспечит высокий коэффициент (и ток) инжекции, что увеличивает а. Оба отмеченных способа имеют конструктивно-технологические ограничения. Типичные реализованные значения, а ~ 0,8…0,9 (|3 = 4… 10), что удовлетворяет нормальному функционированию схем И²Л (см. гл. 9), в которых (5 на один коллектор должен быть больше единицы. Поэтому число коллекторов не превышает 3…5. Инерционные параметры типичных МКТ имеют следующие величины: время пролета t_np ~ 5… 10 пс, предельная частота не более 20…50 МГц, коллекторная емкость по сравнению с МЭТ значительно меньше, и ее влиянием часто можно пренебречь.

Транзистор с барьером Шоттки. Используются в таких цифровых ИС, где транзистор работает в режиме насыщения. Этот тип отличается от обычных п—р—п транзисторов ИС конструкцией базового контакта (рис. 7.9, а). В этой структуре п—р—п-транзистор сочетается с диодом Шоттки за счет того, что алюминиевая металлизация, обеспечивающая омический контакт с р-слоем базы, продлена в сторону коллектора. В результате образуется выпрямляющий контакт Шоттки между металлизацией и слаболегированной коллекторной областью, что эквивалентно включению диода Шоттки между базой и коллектором (рис. 7.9, б). Диод ограничивает прямое напряжение на коллекторном переходе на уровне 0,3…0,4 В (см. ВАХ контакта металл—полупроводник в гл. 2), что недостаточно для накопления избыточного заряда инжектированных неосновных носителей. Поэтому время рассасывания пренебрежимо мало, что повышает быстродействие цифровых схем.

Рис. 7.9.

Супербета транзистор. Эти транзисторы имеют сверхтонкую базу с шириной 0,2…0,3 мкм, что позволяет получать коэффициенты передачи тока в схеме с ОЭ на уровне 3000…5000 и более. Технологический процесс получения сверхтонкой базы является весьма прецизионным, что реализуется на пределе технических и технологических возможностей. Из-за тонкой базы пробивное напряжение у этих транзисторов очень мало (1,5…2 В). При заметно больших напряжениях реализуется эффект смыкания эмиттерного и коллекторного переходов.

Основное применение супербета транзисторов — входные каскады операционных усилителей (гл. 8).