1. Изоляция

Технической основой ИС является современная полупроводниковая техноло­гия, позволяющая получить в объёме одного кристалла при использовании многократно повторяющихся в технологическом процессе локальной диффу­зии, эпитаксиального наращивания, окисления, фотолитографии и металлиза­ции области или структуры с различными электрофизическими параметрами, выполняющие функции обычных радиоэлементов. При этом формируемые элементы ИС должны быть электрически изолированы.

В настоящее время получили наибольшее распространение два метода изоляции: с помощью обратно-смещённого p-n перехода и при использовании диэлектрической плёнки. ИС, в которой изоляция осуществляется по первому методу, представляет собой четырёхслойную структуру с изолированными об­ластями n-типа в подложке p-типа (рис.1). При подаче на подложку

Рис.1. Структура изоляции двух транзисторов обратно-смещёнными

р-п переходами

отрицательного потенциала отдельные коллекторные области транзисторов изолируются друг от друга за счёт высокого сопротивления постоянному току смещённого в обратном направлении p-n перехода коллектор-подложка (рис.2).

В этом случае островки материала фактически соединены друг с другом и с

подложкой при помощи распределённых p-n переходов, поэтому в ИС создаются дополнительные паразитные емкости, не существующие при полной электрической изоляции.

В случае диэлектрической изоляции используется поликристаллическая кремневая подложка, а изоляцией служит двуокись кремния (рис.3). Этот тип изоляции исключает наличие паразитных диодов между изолированными эле­ментами схемы. В этом случае имеются паразитные ёмкости, обусловленные

электрическими свойствами изолирующего окисла, но их величина значительно

м еньше, чем в случае изоляции с помощью p-n переходов. Этот тип изоляции более совершенный, но процесс его изготовления сложнее и дороже.

Рис.2. Эквивалентная схема изоляции двух транзисторов обратно-

смещенными рп-переходами

Рис.3. Диэлектрическая изоляция

2. Биполярные активные структуры

Биполярный транзистор npn-типа является ключевым схемным элемен­том ИС. Он обладает лучшими характеристиками , чем транзистор pnp-типа , а технология его изготовления более проста . Остальные элементы ИС выбираются и конструируются таким образом , чтобы они совмещались с ос­новной структурой . Их изготавливают одновременно с созданием npn-транзи­стора на основе какой-либо из его областей . Таким образом , выбор физиче­ской структуры транзистора однозначно определяет основные электрические параметры ИС .

Самое широкое распространение получила вертикальные транзисторная n+pn-структура со скрытым подколлекторным n+-слоем (рис.4) . Этот транзистор изготовлен по планарно-эпитаксиальной технологии, оба pn-пере­хода получены диффузией примесей (в начале акцепторной в эпитаксиальный слой n-типа, затем донорной в только что сформированную область p-типа). В процессе первой диффузии формируется базовая область транзистора , pn-пе­реход база-коллектор (коллекторный) и pn-переход эмиттер-база (эмиттерный).

Вывод коллектора интегрального транзистора расположен на поверхности прибора, что ведет к увеличению сопротивления тела коллектора и ухудшает характеристики транзистора как в усилительном, так и в переключающем ре­жимах. Увеличение степени легирования всего объема коллекторной области и

Р ис.4. Вертикальная структура интегрального планарно-эпитаксиального

транзистора п⁺рп-типа

уменьшение ее удельного сопротивления снижает пробивное напряжение пере­хода коллектор-база и увеличивает емкость этого перехода, то есть тоже ухуд­шает характеристики транзистора. Компромиссным решением проблемы является создание скрытого высоколегированного n+-слоя на границе коллектора и подложки , который обеспечивает низкоомный путь току от ак­тивной коллекторной зоны к коллекторному контакту , не снижая величины пробивного напряжения перехода коллектор-база . Конструктивно этот слой располагается непосредственно под всей базовой областью и простирается вплоть до дальней от базы стороны коллекторного контакта . Толщина этого слоя составляет 2,5…10 мкм , типичные значения _s= 10…30 Ом/ .

Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмиттерной зоной (см. рис. 4 , где рабочая зона заштрихована). Для обеспечения необходи­мого коллекторного тока при минимальном последовательном падении напря­жения коллекторный контакт располагают как можно ближе к эмиттерному. Минимальные значения горизонтальных размеров прибора определяются двумя основными технологическими факторами: минимально достижимыми при фо­толитографии размерами окон в окисле и зазоров между окнами и глубиной бо­ковой диффузии примеси под окисел . Поэтому при проектировании транзи­стора учитывают , что расстояние между базовой областью и коллекторным контактом должно быть значительно больше суммы размеров боковой диффу­зии p-базы и n+-области под коллекторным контактом. Назначение этой n+-об­ласти состоит в обеспечении надежного формирования невыпрямляющего алюминиевого контакта к слаболегированной n-области коллектора, поскольку алюминий является акцепторной примесью в кремнии с пределом растворимо­сти около 10¹⁸ атомов/см³. Уровень же легирования эпитаксиального слоя n-типа, составляющего тело коллектора, равен 10¹⁵ …10¹⁶ атомов /см³. Он диктуется, как уже сказано, необходимостью увеличить напряжение пробоя пе­рехода коллектор-база. Расстояния между изолирующей областью p-типа и элементами транзистора определяются также эффектом боковой диффузии. Они должны быть равны примерно толщине эпитаксиального слоя, которая составляет обычно 3,5…12 мкм.

Эмиттерный и коллекторный переходы транзистора не являются незави­симыми. Взаимодействие между ними обеспечивается малой шириной базы W (см. рис. 4 , где база выделена пунктирной линией). У современных транзисто­ров W < 1 мкм , теоретически минимальное значение W может быть равным 0,03…0,05 мкм . Диффузионная длина носителей тока гораздо больше ширины базы и составляет 5…10 мкм . Основные свойства транзистора определяются процессами в базе . Если база легирована активной примесью однородно , то движение носителей в ней чисто диффузионное . Если же в базе имеется гради­ент концентрации примеси , то в ней есть внутреннее электрическое поле и то­гда движение носителей в ней будет комбинированным . Транзисторы с одно­родной базой называют бездрейфовыми , с неоднородной – дрейфовыми . Дрейфовые транзисторы имеют в ИС наибольшее распространение.

При нормальном включении транзистора на эмиттерном переходе дейст­вует прямое напряжение, а на коллекторном – обратное (рис. 5). При этом элек­троны инжектируются из эмиттера в базу, проходят через нее почти без потерь и попадают в коллектор, находящийся под положительным потенциалом. Кол­лектор собирает электроны, поступившие из эмиттера в базу. Сопротивление

Рис.5. Нормальное включение п­⁺рп-транзистора, работающего в активном режиме

обратносмещенного коллекторного перехода велико – несколько мегом. По­этому в цепь коллектора можно включать большие сопротивления нагрузки , не изменяя величины коллекторного тока и обеспечивая выделение в ней значи­тельной мощности . Сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода , наоборот , довольно мало ( от единиц до нескольких десятков Ом ) . Поэтому при почти одинаковых токах мощность, потребляемая в цепи эмиттера , оказы­вается намного меньше, чем мощность, выделяемая в цепи нагрузки. Следова­тельно, транзистор способен усиливать мощность, то есть он является у с и л и т е л ь н ы м п р и б о р о м.

В принципе эмиттер и коллектор в схемных включениях транзистора можно поменять местами: на коллекторный переход задать прямое напряжение, а на эмиттерный - обратное. Такой режим работы называют и н в е р с н ы м в к л ю ч е н и е м. Передача тока при инверсном включении значительно хуже, чем при нормальном по следующим причинам: концентрация активных приме­сей в коллекторе на несколько порядков меньше, чем в эмиттере, из-за чего электронная составляющая коллекторного тока мала; площадь эмиттера меньше площади коллектора и на неё может попасть только часть электронов, инжектируемых коллектором.

Нормальное и инверсное включения обеспечивают а к т и в н ы й р е ж им работы транзистора как усилительного прибора. Возможны ещё два варианта включения: при прямом смещении и эмиттерного и коллекторного pn-перехо­дов транзистор будет работать в р е ж и м е н а с ы щ е н и я; при подаче об­ратного смещения и на эмиттерный и на коллекторный переходы транзистор будет работать в р е ж и м е з а п и р а н и я (о т с е ч к и).

Биполярные транзисторы могут иметь различные топологические струк­туры. Две типичных конфигурации интегральных транзисторов показаны на рис. 6. Для асимметричной конфигурации (рис. 6,а) характерно протекание

Рис.6. Асимметричная (а) и симметричная (б) топология биполярных интегральных транзисторов

коллекторного тока к эмиттеру только в одном направлении; при симметричной конфигурации (рис. 6,б) коллекторный ток протекает к эмиттеру с трёх сторон, и сопротивление коллектора оказывается примерно втрое меньше, чем асим­метричной конфигурации. Для симметричной конфигурации облегчается разработка топологии металлической разводки, так как в ней оказывается возможным часть коллекторной области разместить под окислом, а поверх окисла над коллектором провести алюминие­вую полоску к эмиттерной или базовой области. На рис.6а, даны типичные то­пологические размеры (в мкм) для ИС средней степени интеграции.

В биполярных транзисторах входной управляющей величиной является либо ток базы, либо ток эмиттера, а выходными управляемыми величинами –либо эмиттерный, либо коллекторный токи, при этом транзистор может быть включён по любой из шести возможных схем включения. Связь между этими токами записывается в виде следующих уравнений:

_К = , , , (1)

где  и   коэффициенты усиления по току в схемах с общей базой (ОБ) и с общим эмиттером (ОЭ) соответственно. Для интегральных транзисторов  = 0,99…0,995 при токах порядка нескольких миллиампер,  = 100…200 и тем больше, чем  ближе к 1.

Величину  можно записать в следующем виде:

, (2)

где  =  коэффициент инжекции, характеризующий долю полезной (для npnтранзистора электронной Jээ) составляющей в общем токе эмиттера;  =  коэффициент переноса , характеризующий долю инжектированных носителей, дошедших до коллектора и избежавших рекомбинации.

С допустимой точностью  определяется выражением

 = , (3)

где Lэ  диффузионная длина неосновных носителей в эмиттере;

Дэ, Дб  коэффициенты диффузии в эмиттерной и базовой областях, легированных до концентраций Nэ и Nб соответственно;  тем ближе к 1, чем меньше величины W и Nб/Nэ. Поэтому эмиттерный слой легируют, как можно сильнее. Значения  равны 0,99…0,977 в нормальном токовом режиме и 0,98…0,985 в режиме микротоков.

Коэффициент переноса можно представить выражением

 = , (4)

где   время жизни неосновных носителей в базовой области. Величина  тем ближе к 1, чем меньше ширина базы и больше . Увеличение  ухудшает частотные свойства транзистора, поэтому, как следует из (3) и (4),главным направлением в улучшении характеристик транзисторов является уменьшение ширины базы. Ширина базы в npn транзисторе, изготовленном по эпитаксиально-планарной технологии, составляет обычно 0,6…0,8 мкм с допустимым отклонением  0,1 мкм.

Коэффициенты усиления тока транзистора зависят от режима его работы: при малых значениях тока (0,001…0,01мА) величина  сравнительно невелика из-за малых значений коэффициента инжекции, что объясняется рекомбинацией носителей в эмиттерном переходе. Большая доля рекомбинационных потерь приходится на приповерхностные слои. Именно поэтому качество обработки и пассивация поверхности имеют огромное значение для получения высоких  при малых токах. В области средних и больших токов (больше 1 мА) существенную роль играет эффект вытеснения тока в эмиттере. Напряжение в любой точке эмиттерного перехода представляет собой разность внешнего напряжения U _ЭБ и падения напряжения в объёме базы. Последняя тем выше, чем дальше удалена эта точка от базового контакта. Значит, напряжение в центральной части эмиттера меньше напряжения у его краёв и край эмиттера приобретает большее прямое смещение, чем середина его площади, поэтому внешние области эмиттера будут работать при больших плотностях тока по сравнению с внутренними. Повышенная плотность тока у краёв эмиттера приводит к повышенным рекомбинационным потерям носителей в этих областях и к уменьшению В. Следовательно, топология мощных транзисторов должна обеспечивать максимальное отношение периметра эмиттера к его площади. Например, целесообразно использовать узкие эмиттеры с большим периметром.

Структура интегрального транзистора характеризуется ещё значениями пробивного напряжения двух pn-переходов: эмиттерного и коллекторного. Если концентрация примесей на обеих сторонах pn-перехода в кремниевых транзисторах меньше 10¹⁸ атомов/см³, то при обратном смещении перехода напряжение пробоя определяется началом лавинного умножения. Это происходит, когда в обеднённой области электрическое поле достигает такой величины, когда свободные носители приобретают энергию, достаточную для выбивания дополнительных вторичных электронов, которые в свою очередь генерируют дополнительные электроны и т.д., что приводит к лавинному увеличению свободных носителей. Пробивное напряжение эмиттерного перехода в 5…7 раз меньше коллекторного, так как последний сформирован менее легированными слоями. Напряжение пробоя коллектор-эмиттер можно оценить по формуле

, (5)

где m для npn-транзистора равно 3…4. В формуле (5) для обозначения пробоя использованы общепринятые три подстрочных индекса, причём последний символ “ нуль ” указывает, что при измерение пробивного напряжения цепь третьего вывода транзистора разомкнута.

Характеристики транзистора зависят от частоты сигнала, различны для разных схем включения транзистора, зависят от его физической структуры, наличия в ней паразитных элементов. Частота f_Т, на которой коэффициент передачи по току в схеме с ОЭ уменьшается до 1и транзистор теряет усилительные свойства, называется п р е д е л ь н о й ч а с т о т о й к о э ф ф и ц и е н т а у с и л е н и я тока. Другим показателем, характеризующим высокочастотные свойства транзистора, является максимальная частота генерации f _max, при которой усиление по мощности падает до 1. Они связаны соотношением

, (6)

где r_бС_К –постоянная времени базы транзистора, выраженная через распределённое сопротивление базы r_б и ёмкость коллектора С_К;

S -ширина эмиттера.

Для интегральных транзисторов f_T и f_max приблизительно равны 400 и 900 МГц. Из-за того, что подвижность электронов в полупроводниковом материале существенно выше подвижности дырок, npn-транзисторы имеют более высокую предельную частоту коэффициента усиления, чем pnp-транзистры.

3. Диоды

В качестве диодов в ИС обычно используют транзисторные структуры в диодном включении (рис.7). На этом же рисунке приведены упрощённые схемы диодов.

На рис.7а переходы эмиттер-база и коллектор-база смещены в прямом направлении и носители инжектируются в оба перехода. Так как этот диод образован двумя параллельными переходами, он имеет наибольший обратный ток и наибольшую ёмкость, равную сумме ёмкостей переходов база-эмиттер и база-коллектор. Напряжение пробоя определяется напряжением пробоя перехода эмиттер-база (5…7 В).

При необходимости применения диодов с более высоким рабочим напряжением используются диоды p-n перехода база-коллектор (рис.7б). При удельном сопротивлении коллектора 0,5 Ом/см напряжение пробоя перехода составляет около 50 В. Аналогична схема диода рис.7в, где диод также образован переходом база-коллектор при разомкнутом эмиттере; для уменьшения размеров диода и снижения паразитной ёмкости эмиттерную область в такой структуре обычно не формируют.

В ключение диода согласно рис.7г имеет наименьшую ёмкость, так паразитная ёмкость равна последовательно включённым ёмкостям переходов коллектор-база и коллектор-подложка.

Рис.7. Включение транзисторных структур по диодной схеме

В быстродействующих маломощных переключательных схемах в качестве диода чаще используется p-n-переход эмиттер-база, при этом pn-переход база-коллектор закорочен (рис.7д). Эта структура обладает малым падением напряжения при прямом смещении, незначительной паразитной ёмкостью. Основное достоинство схемы – малое время восстановления.

Время восстановления диода определяет его быстродействие. Если через диод протекает установившийся ток прямого направления, то при переключении полярности напряжения диод переключается не мгновенно. Это объясняется явлением накопления неосновных носителей. Чем выше время их жизни, тем быстрее инжектируемые носители рекомбинируют, а диод быстрее возвращается в равновесное выключенное состояние.

При короткозамкнутом переходе коллектор-база время восстановления получается меньшим, так только при этом условии в коллекторной области не накапливается дополнительный заряд. При разомкнутой цепи коллектора (рис.7г) существует равновесный потенциал смещения в прямом направлении, и помимо заряда в коллекторной области возникает дополнительный заряд в области базы; соответственно время восстановления получается больше.

Наибольшее время восстановления имеет схема, приведённая на рис.7а, где оба перехода сильно смещены в прямом направлении, и имеет место наибольшая величина накопленного заряда.

Следует заметить, что легирование кремния золотом значительно уменьшает время жизни носителей, уменьшая время восстановления.

При выборе диода необходимо учитывать, что в диодах, легированных золотом, обратный ток зависит от температуры, при которой проводится диффузия золота. Чем выше температура, тем больше величина обратного тока, но меньше время восстановления. Падение напряжения на диодах в прямом направлении можно оценить на основании данных об объёмных сопротивлениях различных областей структуры. Задача эта достатоточно сложна, так как эффективные объёмы для определения объёмного сопротивления зависят от варианта диодного включения и могут не совпадать с объёмами транзистора.

Так, например, в переходе коллектор-база при разомкнутом эмиттере ток протекает в основном через четыре вертикальные “стенки” коллекторного перехода, так как “стенки” находятся ближе к контактам, а внутреннее поле базы, связанное с градиентом примесей концентрации, направлено так, что оно противодействует протеканию прямого тока диода по направлению, нормальному к поверхности кристалла. Наименьшее падение прямого напряжения имеет схема, приведённая на рис.7д, в которой переход коллектор-база замкнут, но структура работает всё же как транзистор; поэтому ток базы значительно меньше коллекторного тока.

Наибольшее падение прямого напряжение в схеме, указанной на рис.7г. Этот диод применяется в схемах диодно-транзисторной логики. Для повышения помехоустойчивости диод используется как накопительный элемент, включаемый последовательно с базой переключающего транзистора.