22

коллекторно-базовой цепи транзистора («улучшение» или затягивание фронтов на соответствующих входных перепадах напряжения).

В планарно-эпитаксиальных транзисторах при достаточно высоком сопротивлении эпитаксиального коллекторного слоя (RК) возможно изменение RК из-за эффектов статического вытеснения тока и модуляции проводимости слоя. Поскольку при статическом вытеснении тока работает периферия транзистора, это приводит к некоторому увеличению RК:

RК ≈ RК0.(1 + а/3).

Эффекты высокого уровня инжекции несколько компенсируют влияние статического эффекта вытеснения, уменьшая рост эффективного сопротивления RК с ростом тока коллектора (при Iк больше критического Iкр).

Несмотря на то что с помощью перспективных технологий больших ИС с изоляцией элементов канавками, заполненными двуокисью кремния, удается резко минимизировать емкость подложки Сп<10 фФ, ее влияние, особенно в области микротоков, весьма значительно. Распределенная емкость подложки моделируется сосредоточенным эквивалентом Сп, имеющим обычно постоянное значение. В поликремниевых субмикронных интегральных транзисторах обычно RЭ ≥ 10 Ом, RD ≥ 50 ÷ 200 Ом.

10.3 Другие активные элементы

10.3.1Диоды

Вбиполярных ИС на кремнии используются плоскостные диоды и диоды с барьером Шоттки.

Плоскостные диоды изготавливаются одновременно с транзисторами. Структуры рис. 10.9, а могут обеспечить наибольшее быстродействие, их предпочтительнее использовать в логических ИС; структуры рис. 10.9, б также используют в логических ИС, но в качестве накопительных диодов; структуры рис. 10.9, г - е, имеющие наибольшее значение напряжения пробоя, - в качестве диодов общего назначения [1].

23

Рисунок 10.9 - Структуры диодов

В диодах Шоттки прямой ток переносится почти полностью электронами из полупроводника в металл (в случае полупроводника n-типа). Энергия электронов, инжектируемых в металл, превышает фермиевскую энергию в металле на величину, соответствующую высоте барьера. Избыточная энергия инжектированных электронов рассеивается при столкновениях с др. электронами за время примерно 10-14 с. За такое же время инжектированные электроны могут вернуться в полупроводник после смены полярности смещения. Соответственно, эффект накопления неосновных носителей заряда, характерный для p-n-переходов, в диодах Шоттки фактически отсутствует.

Вольт - амперная характеристика (ВАХ) диода Шоттки описывается уравнением, аналогичным ВАХ p-n-перехода:

IдШ = ISдШ [exp(VдШ / nTϕ T ) − 1],

ISдШ = SдШАRT2 exp(− ϕ МП / ϕ T ),

где nT – коэффициент, определяемый качеством контакта металла с полупроводником и зависящий от особенностей технологии (nT = 1,02 – 1,1); АR – постоянная Ричардсона, составляющая для кремния n-типа 100 – 270 А/ (см2 К2); φМП – высота потенциального барьера контакта металл – полупроводник (0,43 – 0,86 В для Si n-типа); φТ – температурный потенциал; SдШ – площадь диода Шоттки.

25

Др. способ снижения напряженности электрического поля у краев контакта металл – полупроводник предполагает создание защитного кольца под краями металлического электрода путем диффузии акцепторных примесей (рис. 10.10, б). При обратном смещении сформированного таким образом p-n-перехода возникает область объемного заряда, смыкающаяся с областью объемного заряда диода Шоттки. Поскольку p-n-переход имеет достаточно высокое пробивное напряжение, он не оказывает существенного влияния на работу собственно барьера Шоттки.

Особенности характеристик диодов Шоттки определяют область их применения в логических ИС. С их помощью достигается увеличение быстродействия схем за счет уменьшения времени переключения активных элементов и уменьшения перепада уровней напряжения в узлах схемы, подключенных к большой емкостной нагрузке. Снижается также и рассеиваемая мощность.

10.3.2 Транзисторы

Транзистор Шоттки. В логических ИС скорость переключения биполярных транзисторов ограничена временем рассасывания избыточного заряда, накопленного в режиме насыщения [6]. В этом режиме эмиттерный и коллекторный переходы транзистора смещены в прямом направлении, что приводит к накоплению неосновных носителей заряда в базовой и коллекторной областях. Уменьшение накопленного заряда возможно путем шунтирования коллекторного перехода транзистора барьером Шоттки. Поскольку прямое падение напряжения на диоде Шоттки меньше, чем на переходе коллектор-база, диод снижает (фиксирует) напряжение на переходе. В результате главная часть избыточного тока базы протекает через диод, что предотвращает насыщение транзистора.

Транзисторные структуры с барьером Шоттки характеризуются расширенным контактом базы, частично углубляющимся в коллекторную область (см. рис. 10.11) [1]. Диод Шоттки, включенный параллельно

26 коллекторному переходу, образуется в месте контакта металла с

высокоомным полупроводником коллекторной области. Для повышения пробивного напряжения и уменьшения плотности тока этого диода используют расширенную металлизацию (рис. 10.11, а) или защитное кольцо p-типа, являющееся частью базовой области (рис. 10.11, б).

Транзистор Шотки можно рассматривать как обычный интегральный транзистор с высоким коэффициентом передачи тока, повышенным падением напряжения в режиме насыщения (UКэнас = 0,3 - 0,4 В), увеличенной емкостью коллекторного перехода (СкШ = Ск + СШ) и малым временем рассасывания (tрас ≈ 0). Остальные параметры имеют примерно те же значения, что и у обычного транзистора.

При выборе металла, образующего диод Шоттки, и его площади необходимо обеспечивать, чтобы быстродействие диода Шоттки превышало быстродействие собственно n-p-n-транзистора.

Рисунок 10.11 - Топология и структура транзисторов Шоттки: а – с расширенным электродом; б – с защитным кольцом

На рис. 10.12 представлена структура горизонтального p-n-транзистора Шоттки [1]. В этой структуре роль коллектора выполняет металлический электрод, образующий барьер Шоттки с базовой областью. Транзистор с коллектором в виде барьера Шоттки имеет практически нулевой инверсный

27

коэффициент передачи тока, т. к. коллекторный переход не инжектирует неосновные носители, пренебрежимо малое сопротивление тела коллектора и нулевое время пролета через область коллектора, что весьма важно для СВЧ - транзисторов.

Рисунок 10.12 - Транзистор типа p-n с барьером Шотки

Транзисторы с инжекторным p-n-переходом. Биполярный транзистор, имеющий специальный инжекторный p-n-переход, является основным элементом инжекционной интегральной логики. Структура транзистора с инжекторным p-n-переходом приведена на рис. 10.13 [1].

В этой структуре можно выделить следующие два транзистора: задающий горизонтальный p1–n1–p2 и переключающий вертикальный n2–p2–n1, который работает в инверсном режиме. Т. к. некоторые области p–n–p и n–p– n-транзисторов совмещены, то инжекционную структуру в ряде случаев называют совмещенной. Область p1, введенную для инжекции избыточных носителей, называют инжектором. Питание инжектора осуществляет от внешнего генератора тока или источника напряжения через резистор, причем напряжение источника должно превышать падение напряжения на прямосмещенном p-n-переходе (0,6 – 0,85 В). Если инжекторный переход смещен в прямом направлении, то часть дырок, инжектируемых таким переходом, попадает в область p2 и нарушает электронейтральность базы вертикального n2–p2–n1-транзистора. В результате через эмиттерный переход этого транзистора начинает протекать ток, смещающий его в прямом

28

направлении. Таким образом, транзистор с инжекторным p-n-переходом без всяких дополнительных элементов выполняет функцию инвертора.

Рисунок 10.13 - Структура транзистора с инжекторным p-n-переходом

Интегральный полевой транзистор. С технологией изготовления ИС на основе биполярных структур совместима и технология изготовления полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом. На рис. 10.14 представлена структура такого транзистора. Эпитаксиальный слой n-типа, образующий изолирующую область, служит также материалом для канала n- типа и областей истока и стока. Для уменьшения последовательного сопротивления истока и стока проводится дополнительная диффузия донорной примеси для образования n+-областей.

Рисунок 10.14 - Структура полевого транзистора с p-n-переходом: 1 – канал; 2, 3 – затворы