Транзисторы для быстродействующих и сверхбыстродействующих цифровых ис
Имеется несколько путей повышения быстродействия транзисторов:
Транзистор с диодами Шоттки. Скорость переключения транзисторов, работающих в режиме насыщения, сильно ограничена временем рассасывания избыточного объемного заряда, который накапливается в области базы и коллектора. Это проблема легко решается при сочетании интегрального транзистора с диодом Шоттки, который шунтирует коллекторный переход транзистора.
В этих конструкциях алюминиевая металлизация, обеспечивающая контакт с p-слоем базы, продлена в сторону коллекторного n-слоя. Алюминиевый пленочный проводник образует с p-слоем базы невыпрямляющий омический контакт, а с n-слоем коллектора – контакт Шоттки. На рисунке а) показан транзистор с диодом Шоттки, в котором контакт продлен до охранного кольца. На рисунке б) изображен транзистор с обычным расширенным электродом базы. Диоды Шоттки могут использоваться и в многоэмиттерных транзисторах. При этом диоды с p-n-переходами заменяются диодами Шоттки. Применение диодов Шоттки позволяет увеличить степень интеграции МС при одновременном увеличении быстродействия в 1,5-2 раза.
Уменьшение размеров элементов. Пропорциональное уменьшение геометрических размеров всех областей МС является традиционным направлением увеличения ее быстродействия. Это связано с уменьшением паразитных емкостей p-n-переходов. Минимальные размеры топологии определяются возможностями литографии. Наименьшие размеры (<1 мкм) позволяет получить электронолитография и рентгенолитография. Кроме этого размеры транзистора сильно зависят от глубины залегания p-n-перехода, поэтому одним из путей уменьшения размеров транзистора является создание конструкции транзистора с небольшой глубиной залегания p-n-переходов.
Существенное уменьшение глубины залегания p-n-переходов связано с освоением технологии ионного легирования. Недостатками этой технологии является очень высокий уровень дефектности областей кремния, подвергнутых ионной бомбардировке. Этот недостаток удается устранить нанесением на подложку поликристаллического кремния, который и подвергается локальной ионной бомбардировке. Затем производится диффузионный отжиг, в процессе которого примеси диффундируют из поликремния в подложку на небольшую глубину. В результате получается следующая транзисторная структура:
Такой транзистор имеет Uкб=8-12 В, Uэб=3,5-6 В, Uкэ=5-12 В, β=40-100.
Существует также конструкции с выступающими поликремниевыми электродами. Такие конструкции существенно уменьшают размеры транзистора и увеличивают предельную частоту fТ до 7ГГц.
Применение техники самосовмещения вместе с ионным легированием позволяет получить еще меньшие размеры тразисторов.
Такой транзистор имеет сверхмалые размеры. Однако в нем существует дополнительное сопротивление базы за счет легирования бором поликристаллического кремния. Поэтому без принятия специальных мер эта конструкция непригодна для сверхбыстродействующих ИС. Для устранения этого явления в конструкции применяется особый поликремний, сплавленный с платиной.
Недостатком конструкций с малыми размерами областей является низкое пробивное напряжение переходов и как следствие, пониженное напряжение питания и пониженная помехоустойчивость.
Транзистор с эмиттером на гетеропереходах. Гетеропереход – это переход между двумя материалами с различной шириной запрещенной зоны. В обычных транзисторах используется гомопереход с шириной запрещенной зоны по обе стороны эмиттера 1,1 эВ. Большая ширина запрещенной зоны в сторону эмиттера обеспечивает более высокий коэффициент инжекции. Это означает, что в полном токе эмиттерного перехода отношение тока электронов к току дырок будет значительно выше. От коэффициента инжекции непосредственно зависит коэффициент усиления транзистора. В обычном транзисторе повышения этого параметра можно добиться только за счет увеличения концентрации примесей в эмиттере и уменьшения – в базе. В транзисторе на гетеропереходах этого можно добиться и при сильно легированной базе. Меньшее сопротивление пассивной области базы дает возможность значительно повысить быстродействие транзистора без уменьшения или даже с увеличением коэффициента усиления тока β.
Транзистор на гетеропереходах изготавливается с использованием легированного фосфором низкоомного полуизолированного поликристаллического кремния в качестве материала эмиттера. Этот материал является смесью поликристаллического кремния и двуокиси кремния и имеет ширину запрещенной зоны 1,3-1,4 эВ. Пленка полуизолированного поликремния толщиной примерно 0,2 мкм контактирует непосредственно с базовой областью. Поверх нее наносится обычная пленка легированного поликристаллического кремния толщиной 0,3-0,5 мкм, на которую наносится металлическая разводка. Технологически это не связано с введением новых или изменением существующих технологических операций. Такая конструкция позволяет без уменьшения геометрических размеров транзистора добиться быстродействия в 1,5-2 ГГц.
