Тема 2: Проектирование полупроводниковых ис на биполярных транзисторах Конструкции биполярных транзисторов

Основным схемным элементом биполярных ИС является биполярный n-p-n транзистор. Он обладает лучшими характеристиками, чем p-n-p транзистор, а технологически его изготавливать проще, поэтому все остальные элементы биполярных ИС выбирают и конструируют исходя из технологии и конструкции n-p-n транзистора. Практически все элементы изготавливают на основе переходов n-p-n транзистора. В современных ИС широкое распространение получил n⁺-p-n транзистор со скрытым подколлекторным n⁺ слоем, выполненный по планарно-эпитаксиальной технологии. Вид такого транзистора в разрезе изображен на рисунке.

Необходимость скрытого n⁺ слоя объясняется следующими причинами: тело коллектора имеет высокое удельное сопротивление (т.к. коллектор слабо легирован), а вывод коллектора располагается на поверхности. В результате получается большой путь для тока коллектора и потери в коллекторе. Увеличить легирование области коллектора и снизить удельное сопротивление не представляется возможным, т.к. в этом случае резко снижается пробивное напряжение коллекторного перехода. Выходом является формирование скрытого подколлекторного n⁺слоя. Он играет роль шунтирующей проводящей перемычки с малым сопротивлением, через которую протекает весь придонный ток транзистора. Конструктивно этот слой располагается непосредственно под всей базовой областью и простирается до области коллекторного контакта. Толщина этого слоя 2,5-10 мкм, удельное поверхностное сопротивление _s=10-30 Ом/ٱ. Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмиттерным контактом и для обеспечения требуемого коллекторного тока при минимальном падении напряжения стараются коллекторный контакт расположить как можно ближе к эмиттерному. Минимальные горизонтальные размеры транзистора определяются двумя основными технологическими факторами:

1. Минимально достижимыми при фотолитографии размерами окон в окисле кремния и зазорами между ними.

2. Размер боковой диффузии под окисел.

Поэтому при проектировании транзисторов следует учитывать, что расстояние между базовой областью и коллекторным контактом должно быть значительно больше суммарных размеров боковой диффузии двух областей. Расстояние между изоляцией p-области и элементами транзистора также определяются размерами боковой диффузии. Эти расстояния примерно равны толщине эпитаксиального слоя и составляют 3,5-12 мкм.

Существует две основных конструкции биполярного транзистора. Они изображены на рисунках.

не симметричная конструкция симметричная конструкция

В несимметричной конструкции ток от коллектора к эмиттеру протекает только с одной стороны, а в симметричной – с трех сторон. В результате этого сопротивление коллектора получается в три раза меньше, что означает улучшение частотных характеристик и переключательных свойств, а также облегчает разводку соединений между транзисторами.

Рассмотренные конструкции транзисторов хорошо работают только при малых токах (I_K<1мА), т.к. в области средних и больших токов существенную роль начинает играть эффект вытеснения тока эмиттера (резко падает коэффициент передачи тока ), поэтому в мощных транзисторах для увеличения  стараются обеспечить максимальное отношение периметра эмиттера к его площади. С этой целью целесообразно использовать узкий эмиттер с большим периметром. Этого удается достичь за счет «гребенчатой» конструкции эмиттера, причем чем мощнее транзистор, тем больше «гребенок».

Одной из характеристик транзистора являются значения пробивных напряжений двух его p-n-переходов. Обычно концентрация примесей на обеих сторонах p-n-перехода <10¹⁸ атомов/см³. Тогда пробой определяется началом лавинного умножения. Пробивное напряжение U_эб0 в 5-7 раз меньше, чем пробивное напряжение U_кб0, т.к. переход база-коллектор сформирован менее легированными слоями. Напряжение пробоя U_кэ0 меньше U_кб0 и оценивается по следующей формуле: , где m=3 или 4. Пробой может также наступить в результате прокола базы. Такой прокол характерен для транзисторов с особо тонкой базой. Например, при ширине базы =0,7 мкм пробой наступает при напряжении U_кэ0=3,5 В.

Характеристики транзистора зависят также от частоты сигнала. Эта зависимость объясняется физической структурой транзистора и наличием в нем паразитных элементов. Частота f_Т, на которой коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером падает до 1, называется предельной частотой коэффициента усиления тока. Другой частотной характеристикой является максимальная частота генерации f_max, при которой усиление по мощности падает до 1. Эти две характеристики связаны следующим соотношением: , где – постоянная времени базы транзистора, S – ширина эмиттера.

Для обычного интегрального n-p-n транзистора f_Т=400 МГц, f_max=500 МГц. Т.к. подвижность электронов значительно выше, чем подвижность дырок, то частотные свойства n-p-n транзисторов на порядок выше, чем у p-n-p. Несмотря на низкое пробивное напряжение, во входных каскадах аналоговых ИС широко применяются n-p-n транзисторы с тонкой базой. Такие транзисторы имеют =2000-5000 при ширине базы =0,2-0,3 мкм, коллекторном токе I_K<20мкА и напряжении коллектор-эмиттер U_кэ=0,5 В. Пробивное напряжение таких транзисторов U_кэ0=1,5-2 В.