Көпэмиттерлі транзисторлар.

Кейбір ИМС-тердің айрықша элементі- ТТЛ-логикалық түрі ерекшелігіне қарай көпэмиттерлі транзистор болып табылады,ол бір базалық қабатпен біріккен ,коллектор және М эмиттерден құралған шалаөткізгіш прибор болып табылады.p-n өткелді изоляциясы бар планарлы-эпитаксиальды технология бойынша дайындалған көпэмиттерлі транзистордың структурасы 3.10-суретте көрсетілген.Мұндай транзисторларды кәдімгі планарлы-эпитаксиальды транзисторларды дайындаудыңбіркелкі технологиялық процесінде алады.

3.10-сурет.Көпэмиттерлі транзистордың структурасы.

Сондықтан да екі типтегі транзистор да коллекторда,базада және эмиттерде бірдей қоспа таралуы,өткелде бірдей меншікті сыйымдылық,коллектордың қасиетінен тұрады.Айырмашылығы- коллекторлы және эмиттерлі өткелдердің аудандарында және эмиттер санында,сомен қатар конфигурациясында және контактылардың өзара орналасуында болады.

Көпэмиттерлі транзистордың структурасы жалпы коллектордан тұратын М транзисторлы n-p-n ⁺ структураның жиынтығынан құралады.Эмиттерлі өткелдің әрқайсысында осы транзисторлы структураның активті базалы облыстары орналасқан,бұл өткелдің сыртында базалы облыс пассивті.Көршілес эмиттер арасындағы байланыс оларды байланыстыратын базаның пассивті облыс аймағы арқылы негізгі заряд тасушылар есебінен іске асады.Сондықтан көршілес эмиттерлер арасындағы ток өткізу коэффициенті аз және эмиттерлер арасындағы қашықтыққа тәуелді емес.Эмиттерлер арасындағы минимал қашықтық аз байланыс коэффициентімен қамтамасыз етумен емес,технологиялық мүмкіндігімен анықталады.Бұл көпэмиттерлі транзистордың жинақы структурасын құруға мүмкіндік береді.

Кіріс токтарды азайту үшін көпэмиттерлі транзистор инверсті күшейту коэффициенті В₁ төмен болу керек.Бұны база және эмиттерлі облыстар контакты арасындағы қашықтықтың көбеюімен қол жеткіземіз(3.10-сурет),осының әсерінен r_б кедергі бірнеше жүздеген омға шейін жоғарылайды,ал инверсті күшейту коэффициенті

мәніне дейін төмендейді.Көбінесе осы мақсатта көпэмиттерлі транзисторларды Шоттки барьерімен жасайды.

Көпколлекторлы транзисторлар.

Көпколлекторлы n-p-n- типті транзисторлардың структурасы КЭТ структурасынан ерекшеленбейді.Олардың арасындағы айырмашылық тек қолданылуында. ККТ ны эмиттермен электрлі схемаға қосқанда эпитаксиальды n-қабат болады,ал коллектормен болса-жоғарылегірленген n⁺-облысты болады.Іс жүзінде ең көп қызықтыратыны инжекционды қоректендіретін ККТ-лар болып табылады,ол ең көп таралған цифрлы БИС –И²Л (инжекционды интегралды логика) класының негізін құрайды.

3.11-сурет.Инжекторлы өткелі бар көпколлекторлы транзистордың структурасы(а) және схемасы(б).

Инжекционды коректендіруі бар ККТ-ның екіколлекторлы структурасы және оның эквивалентті схемасы 3.11,а,б –суретте көрсетілген.Мұндай транзисторлар вертикальды структурасы бар n-p-n типті көпколлекторлы қайта қосушы транзисторлардан,және p-n-p типті инжекторлы бойлық транзистордан тұрады.ККТ-ның структурасын бүйірлік немесе вертикальды(3.11 а-суретте көрсетілгендей),бойлық немесе горизонтальды инжекторлармен деп айырады.

Инжекционды қоректендіруі бар ККТ-ның артықшылығы ол инжектордың p-облысы көптеген вертикальды транзисторлар үшін жалпы болуы,ал коллекторлардың саны негізінен технологиялық мүмкіншілігіне қарай анықталады және 2,3,4,5 және одан да көп болады.

Жұмыс кезінде инжектор облысын токберуші резистор арқылы қоректендіру көзінің плюсына қосады.Барлық вертикальды ККТ-ның жалпы эмиттерлі облысы болып табылатын n⁺-типті подложканы немесе жоғары омды n-облысты «жер» шинасына қосады.Жоғарыомды n-қабат p-n-p типті көлденең транзисторлардың бір уақытта базалы облысы болып табылады.Диффузионды p-қабат қайта қосылатын ККТ-ның базасы болып табылады және бір уақытта көлденең транзистордың коллекторы оған 3 ендік жағынан n-облыстың ажыратқышын біріктіреді.

Базалы p-облыстан шығуы кілттің кірісі болып табылады,ал коллекторы n⁺ облыстан шығысы-оның шығысы болып табылады (3.11,б-суретті қара)

ККТ-ның жұмыс принципінің негізіне кәдімгі биполярлы транзисторлардағы сияқты физикалық процестер жатады.Тура жылжу өткелі арқылы заряд тасушылардың инжекциясы,базалы облыста олардың дрейфті және диффузионды ауысуы және олардың өткелімен коллекторлеу ККТ- да инжекторлы өткел әрқашан да тура бағытта жылжыған.Бұл n-p-n типті қайта қосылған транзистордағы базасында кемтіктердің жинақталуына әкеледі.

ККТ-ның структурасы негізгі облыстардың өлшемдерімен (инжектор,эмиттер,база,коллектор) олардың өзара орналасуымен , формасымен қалыптастыру технологиясымен изоляция үшін қолданылатын көмекші облыстардың болымен ерекшеленеді.

Инжекционды қоректендіруі бар ККТ-ның негізгі статикалық параметрлері p-n-p типті инжекторлы транзистордың және n-p-n типті қайта қосатын ККТ-ның қалыпты және инверсті токты күшейту коэффициенті және де индекторлы,эмиттерлі және коллекторлы өткелдердің жылулық кері токтары болып табылады.

Мұндай транзисторлардың маңызды статикалық сипаттамалары тізбектей байланысқан транзисторлардың тізбегінде анықталатын кернеу бойынша жіберу сипаттамасы және ток бойынша

Қайта қосудың өткелдік процесінің ұзақтығын сипаттайтын орташа кешігу инжектордың тогына тәуелді және 5-15 нс-ты құрайды.

Соңғы кездері инжекционды қоректендіруі бар ККТ-ның структурасын – олардың тез әрекеттілігін жоғарылатуға мүмкіндік беретін Шоттки барьері бар диодтармен толықтырады.

§3.3 МДП-транзисторлар.

Биполярлы Транзисторлармен қатар шалаөткізгіш ИМС-терде МДП-транзисторларды тиімді қолданады,олар жұмыс істеу принципі бойынша өрістік приборларға жатады.Олардың жұмысы көлденең электр өрісі бар шалаөткізгіш материалдың қабатының кедергісінің модуляциясына негізделген.Осыдан исток пен сток арасындағы ток көлденең электр өрісі әсерінен негізгі заряд тасушылар тасымалданады,ал осы токтың шамасын басқару көлденең электр өрісімен жүзеге асады.Биполярлыға қарағанда өрістік транзисторлардың ток бойынша күшейтуі жоқ болады.Олар кернеу және қуат бойынша күшейтумен қамтамасыз ететін активті элемент болып табылады,олардың сипаттамасы структураға және берілген кернеуге тәуелді, ал жұмыс істеу принципі өріс эффектісіне негізделген.

Өрістік транзисторлардың екі түрі белгілі:p-n өткелмен басқарылатын транзисторлар және изоляцияланған затворы бар транзисторлар,немесе МДП-транзисторлар.ИМС техникасында негізінен планарлы технология бойынша дайындалатын МДП транзисторлар қолданылады.Планарлы МДП-транзисторлардың исток және сток облыстары қарама-қарсы электрөткізгіш типті кремнилі пластинаға легірлейтін қоспаның локальды диффузиясымен қалыптастырады,шалаөткізгіштен затвордың изоляциясын исток пен сток облыстары арасында пластина бетінде орналасқан диэлектрлі қабаттың құрылуымен жүзеге асырады.Затворды және электродтар (шығыстары) структуралы облыстарға металлизациямен орындайды.Затвор астындағы диэлектрик материалы ретінде кремний оксидін SiO₂ қолданса,мұндай приборларды МОП транзисторлар деп атайды. МДП-транзисторлар – төртполюсті шалаөткізгіш приборлар.Исток,сток және затвордан басқа оларда төртінші қосымша электрод болады,ол транзисторлар дайындалатын негіздегі подложкаға-шалаөткізгіш пластинаға байланысады.МДП транзисторларда диэлектрик пен шалаөткізгіш арасындағы шекаралық қабаттың өткізгіштігі затворға берілген кернеу әсерінен жылжымалы заряд тасушылардың бағытталуы есебінен өзгереді.Ұқсас әрекет подложкаға берілген кернеуді көрсетеді.

МДП-транзисторларды екі негізгі түрге бөледі:

Индукцияланған каналмен(3.12 а-сурет)- канал затвордағы басқарылатын кернеу әсерінен индукцияланады;

Кіріктірме каналмен(3.12 б-сурет) –исток пен сток арасындағы канал технологиялық жолмен құрылады,көбінесе локальды диффузиямен.

3.12-сурет.МДП-транзисторлардың негізгі түрлерінің структуралары.1-исток,2-затвор,3-затвор астындағы диэлектрик,4-сток,5-n-типті кіріккен канал.

Индукцияланған каналы бар транзисторлар жай формада жоғарғы қоршауы- металдық затвор,ал төменгісі- шалаөткізгіш,диэлектригі-SiO₂ қабаты болатын конденсатор боп келеді.(3.12 а-сурет) Егер затворға оң кернеу берсек,онда затвордағы оң заряд шалаөткізгіштегі теріс зарядты индукциялайды. Затвордағы кернеудің көбеюінің әсерінен шалаөткізгіштегі индукцияланған заряд өседі.Затвордағы анықталған кернеу кезінде беткі қабат электрөткізгіштіктің түрін өзгертеді,нәтижесінде исток пен стоктың облыстарын байланыстыратын n-типті электрөткізгіштікті канал индукцияланады.

Канал кедергісі затвордағы кернеуге тәуелді болғандықтан исток пен сток арасындағы токты затвордағы кернеумен модуляциялауға болады.3.13,а,б –суретте индукцияланған каналды МДП-транзисторлардың шығыстарының және жіберу сипаттамалары берілген,мына тәуелділіктерді көрсетеді

U₃=0 кезіндегі исток пен сток арасынан өтетін ток p-n өткелдің кері тогымен келіскен.(исток-подложка,сток-подложка)

n-типті кіріктірме канал (3.12-сурет) кедергісі бірқалыпты болады.Затвордағы кернеу болмағанда исток пен сток арасындағы потенциалдар айырымы берілгенде каналда анықталған ток жүреді.Затворға берілген теріс кернеуін өсіргенде каналдағы заряд тасушылардың концентрациясы азаяды және онда жүдеген қабат пайда болады.Затвордағы анықталған теріс кернеуден каналдағы ток тоқтатылады.

Егер затворға берілген оң кернеу жоғарыласа, каналдағы ток көбейеді(3.13 в,г-сурет).Сондықтан индукцияланған каналы бар МДП-транзисторлар негізгі заряд тасушылармен диэлектрик-шалаөткізгіш шекаралық қабатындағы молайту режимінде жұмыс істейді,ал кіріктірме каналы бар МДП-транзисторлар негізгі заряд тасушылармен каналдың молайту және жүдету режимінде жұмыс істей алады.3.13 б,г-суретте келтірілгендер МДП-транзисторлардың екі түрінің жіберу сипаттамалары,олардың жұмыс істеу режимдерінің артықшылықтарын көрсетеді.

3.13-сурет.МДП-транзисторлардың шығыс(а,в) және жіберуші(б,г) сипаттамасы.

I-жүдеу режимі; II-байыту режимі; U_c- стоктағы кернеу; U₃-затвордағы кернеу; I_c-исток пен сток арасындағы ток.

Каналдарының электрөткізгіштік механизмі бойынша МДП-транзисторларды n және p-типті каналдары бар транзисторларға бөледі.Транзистордың каналы подложканың негізгі көлемінен,көлемдік зарядтың жоғарыомды қабатымен изоляцияланған.Сондықтан егер подложкаға бірнеше транзистор дайындалса,онда олардың өзара әсерін елемеуге болады және қосымша изоляция қажет болмайды.ИМС-те негізінен n- және p-типті индукцияланған каналы бар МДП-транзисторларды қолданады.

Биполярлы транзисторларға қарағанда МДП-транзисторлардағы каналдағы ток негізгі заряд тасушылармен құрылады:n-каналды транзисторлар электронды электрөткізгіштік негізінде жұмыс істейді;ал p-каналдылар кемтіктік электрөткізгіштік негізінде жұмыс істейді,бірақ та олардың жұмыс принципі каналдың типіне тәуелді емес.МДП-транзисторлардың кіріс кедергісі басқарушы электрод жағынан биполярлы транзисторлардың кіріс кедергісінен жоғары болады және 10¹⁰-10¹⁴Ом болады.МДП-транзисторларда кіріс токтары аз болғандықтан шығыс тізбектегі токтың өзгеруін кіріс кернеу басқарады.Сондықтан Электровакуумды приборларға МДП-транзисторлардың күшейту қасиеті крутизнамен сипатталады.МДП-транзисторлардағы крутизнаны көптеген практикалық қолдануларда жиілікке тәуелді параметр деп есептейді.Сондықтан бұл транзисторлардағы ИМС-тың тезәрекеттілігі схеманың паразитті параметрлерімен шектелген.

МДП-транзисторларда былай бөледі:

затвор бойынша крутизна

Подложка бойынша крутизна

(3.11),(3.12) формулаларында U_з, U_с, U_п-затворға,стокқа,подложкаға сәйкес берілген кернеулері;I_с-исток пен сток каналы арасындағы ток.

МДП-транзистордың маңызды параметрі кернеу бойынша күшейту коэффициенті болып табылады:

R_вых-МДП-транзисторлардың вольт-амперлі сипаттамасының жазық облысындағы дифференциалды шығыс кедергісі.n-индукцияланған каналы бар МДП-транзисторлардың вольт-амперлік сипаттамасы 3.14-суретте келтірілген.

МДП-транзисторлар статикалық және динамикалық параметрлердің жиынтығы болып табылады.Іс жүзінде МДП-транзисторларда келесі статикалық параметрлерді қолданады:пороговый кернеу U₀-канал ашылатын затвордағы минимал кернеу(Uc=const,Uп=0);салыстырмалы крутизна k-затвордағы 1 В басқарушы кернеудің өзгеруі кезіндегі транзистордағы крутизнаның өзгеруі;подложканың әсер ету коэффициенті η-подложкадағы кернеудің стоктың тоғына,және U_ашу ашу кернеуінің өзерісіне әсер етуін сипаттайды;жазық облыстағы транзистордың шығыс дифференциал кедергісі-R_шығ;Сток пен исток арасындағы U_{доп.с-ис,}сток пен подложка арасындағы U_{доп.cпод},затвор мен исток арасындағы кернеу U_{доп.з-ис} жатады.

3.14-сурет. n-типті индукцияланған каналы бар МДП-транзисторлардың ВАС-ы.1-триодты облыс,2-қанығу облысы.3-пробой облысы.

Динамикалық режимде МДП-транзисторларды сипаттайтын негізгі параметрлер:затвор мен каналдың арасындағы толық сыйымдылық-C₀;затвор мен исток арасындағы кіріс сыйымдылық C_вх;сток пен подложка арасындағы шығыс сыйымдылық-C_вых;затвор мен сток арасындағы өтетін сыйымдылық-С_пр;қайта қосу тұрақты уақыты-τ₀.

МДП-транзисторлардың электрлі параметрлері мен сипаттамалары МДП-структураның негізгі электрофизикалық параметрлерімен анықталады,оларға жататындар-бетіндегі эффективті заряд тығыздығы Q_бет,подложкадағы қоспа атомының концентрациясы N_д және N_a, шалаөткізгіш-диэлектрик шекарасындағы шалаөткізгіш пластинаның бетіндегі заряд тасушылар әрекеті-μ және структураның геометриялық өлшемдері(сток пен истоктың диффузионды облысының орнының тереңдігі W_диф ,L ұзындық және z каналының ені,диэлектриктің қалыңдығы d_д).

Өз кезегінде,структураның электрофизикалық параметрлері оларды қалыптастырудың технологиялық режиміне тәуелді.Планарлы технология бойынша дайындалған p-типті индуктивті каналы бар МДП-транзисторлар үшін транзистордың негізгі электрлі параметрлері арасындағы тәуелділік және структуралардың электрофизикалық параметрлері келесі қатынаспен анықталады:

Табалдырықты кернеу

Салыстырмалы крутизна

Подложканың әсер ету коэффициенті

Шығыс кедергі

(3.14)-(3.15) формулаларда диэлектрик және шалаөткізгіштегі шығыс жұмыстарының айырымына сәйкес келетін φ_МДП-потенциал:ε_д , ε_п – сәйкес диэлектрик және подложка материалының диэлектрлі өткізгіштігі;N_д-подложкадағы донорлы қоспа концентрациясы:

n_i-шалаөткізгіштегі жылжымалы заряд тасушылардың жеке концентрациясы.

Q_бет-беткі зарядтың эффективті тығыздығы негізінен табалдырықты кернеу U₀-ге әсер етеді және R_шығ шығыс кедергіге жанама әсер етеді.Q_бет-дің өсуі U₀-дің артуына және R_шығ-тың азаюына алып келеді.Сондықтан диэлектриктің қасиетімен шарттасқан Q_бет-зарядтың азаюы технологияның маңызды мәселесі болып табылады.Сонымен бірге беттік заряд МДП-транзисторлардың тұрақтылығына әсер етеді.(3.14)-тен көргендей табалдырықты кернеуге подложкадағы қоспа концентрациясы әсер етеді - N_д көбейсе U₀ де көбейеді.Подложкадағы қоспа коцентрациясы, яғни оның меншікті кедергісі ρ_п сомен бірге сток-подложка пробойындағы кернеуге U_пр.c-п және подложка материалы тұрақтылығына әсер етеді.

МДП-транзисторлардың параметрлеріне айтарлықтай әсер ететін затвор астындағы диэлектрик қалыңдығы((3.14)-(3.17)-ні қара).Диэлектриктің қалыңдығын арттырса U₀,η, және R_шығ мәні артады және салыстырмалы крутизна k төмендейді.Сонымен бірге диэлектриктің қалыңдығы затвор –подложка пробойының кернеуіне тәуелді.Диэлектриктің қалыңдығының ең ұтымды мәні осыдан U_пр.з-п ,k үлкен мәнге жетеді және U₀-дің жеткілікті төмен мәніне жетеді.

Осы келтірілген анализден көргендей ,қажетті параметрлері бар МДП-транзисторларды шығарғанда диэлектрик және подложка үшін материалын таңдау өте маңызды болып табылады.

Ал транзисторлардың структуралық облыстарының геометриялық өлшеміне келетін болсақ,оларды минималды таңдау керек.Максималды салыстырмалы крутизна k-ны алу үшін канал ұзындығын азайту маңызды.Бұл сонымен қатар транзистордың сыйымдылығын азайтуға алып келеді.Каналдың минималды ұзындығы технологиялық факторлармен шектелген:исток және сток облыстарын қалыптастырғанда фотошаблондарды дайындау және қиыстырудың дәлдігімен,исток пен стокты құрғандадиффузионды процестің бақылануы.Қазіргі заманғы МДП-транзисторлардың канал ұзындығы 3-7 мкм аралығында жатады. Исток пен сток облыстары сапалы p-n өткелді және төмен беттік кедергіні алу үшін жеткілікті легірленген болу керек.Әдетте исток пен сток облысы пен қалыптасады.МДП-транзисторлардың тезәрекеттілігі канал бойындағы заряд тасушылардың ұшу уақыты және каналдың кедергісі арқылы жеке сыйымдылығының зарядталу уақытымен шектеледі.p-типті канал ұзындығы 10мкм болғанда МДП-транзистордың максималды кушейту жиілігі 120МГц ке жетеді,яғни биполяр транзистордың шекаралық жиілігіне жақындайды.Алайда МДП-транзисторлардағы ИМС-тің тезәрекеттілігі төмен.Бұл былай түсіндіріледі:транзисторлардың және де ИМС-ке МДП-транзисторлардың паразитті сыйымдылықтары әсер етеді.(затвор-сток және затвор-исток). МДП-транзисторларда ИМС-ты құру процесінің технологиясын арттыру үшін,жылдық схема шығу үшін,параметрлердің оптимизация сы және тұрақтылығы үщін,сыйымдылықты азайту үшін соңғы уақытта МДП-транзисторлардың көптеген түрлері шығарылған:толықокисьті жекеқосарлы технологиямен әзірленген кремнийлі және молибденді затворы бар;диффузионды,V-МОП және басқалары.3.1-таблицада әр түрлі технологиямен дайындалған МДП-транзисторлардың кейбір параметрлеріне салыстырмалы анализ келтірілген.

Исток және сток үшін Шоттки барьерімен контактысы қолданылған МОП-транзисторлардың структуралары шығарылған.

3.1-таблица