1.14. Типы транзисторов Биполярный n-р-n-транзистор

N-р-n-транзистор, являющийся основным элементом биполярных ИМС (рис. 1.27), изготавливают по планарной эпитаксиальной технологии. Все остальные элементы ИМС выполняют в том же технологическом цикле.

Эпитаксиальный слой n (коллектор транзистора) принято называть коллекторным слоем (хотя на его основе можно, например, изготовить и резистор), диффузионный слой р (база транзистора) – базовым слоем, диффузионный слой n+ (эмиттер транзистора) – эмиттерным. Базовый слой – всегда диффузионный, поэтому в интегральных микросхемах используются только дрейфовые транзисторы. Пунктиром на рис. 1.27 показан путь тока между коллектором и эмиттером (базовый ток на несколько порядков меньше, им пренебрегают). От коллектора ток проходит к эмиттеру через большое сопротивление коллекторного слоя в горизонтальном направлении r_КК и сопротивление в вертикальном направлении r_КК^*. Вертикальная составляющая сопротивления коллекторного слоя мала (r_КК^* << r_КК), поэтому общее сопротивление в цепи коллектора определяется величиной r_КК. Чтобы уменьшить r_КК, в транзистор вводят дополнительный элемент - скрытый сильнолегированный n+ слой. Тогда основная часть тока от коллектора к эмиттеру проходит по низкоомному участку n+, сопротивление коллекторного слоя получается небольшим (уменьшается почти в 20 раз). Рабочий интегральный транзистор n-р-n связан в структуре с «паразитным» транзистором р-n-р (Э', Б' и К' на рис. 1.27). Последний неизбежно получается, так как структура четырехслойная, и есть еще слой р (подложка). Если паразитный транзистор заперт (на эмиттере Э' – минус, на базе Б' – плюс), то n-р-n-транзистор работает в активном режиме. Но если паразитный транзистор отперт (на эмиттере Э' – плюс, на базе Б' – минус), то в его эмиттерной цепи течет ток I, в коллекторной – ток и часть тока ответвляется в подложку, минуя рабочий n-р-n-транзистор. В этом случае последний оказывается в режиме насыщения. Коллекторный ток I_К рабочего p-n-p-транзистора уменьшается на величину тока, уходящего в подложку. Таким образом «паразитный» транзистор, отсасывая часть тока, ухудшает свойства рабочего транзистора. Для того чтобы избежать ухудшения параметров транзистора в режиме переключения, необходимо резко уменьшить ток через паразитный транзистор в подложку. К сожалению, ток I уменьшить нельзя, следовательно, нужно уменьшить коэффициент . Известно, что

,

где W – толщина базы;

L – диффузионная длина.

Чтобы уменьшить а, следует увеличить W или уменьшить L. Но при увеличении W (толщина эпитаксиального n-слоя на рис. 1.27) ухудшатся другие параметры структуры. Следовательно, необходимо уменьшить L = Dt. Коэффициент диффузии D нельзя уменьшить, следовательно, нужно уменьшить время жизни носителей t. Последнее можно выполнить, если пролегировать всю структуру золотом. После легирования а получается равным лишь нескольким десятым единицы, значение уменьшается и ухудшения ключевых свойств рабочего n-р-n-транзистора не происходит. Далее следует заметить, что паразитная емкость С_КП и сопротивление r_КК образуют RC-цепочку с постоянной времени , оказывающей большое влияние на частотные свойства интегрального транзистора. Величина t зависит от глубины эпитаксиального слоя, площади «кармана», в котором размещается транзистор, типа изоляции и пр. Если проанализировать влияние всех этих факторов, то оказывается, что из-за наличия подложки предельная частота интегрального p-n-p-транзистора не может быть выше 500 МГц.