Лекция № 7. Моп-транзисторы. Биполярные транзисторы
Полевой транзистор со структурой металл-окисел-полупроводник (полевой МОП-транзистор или просто МОП-транзистор для краткости) является «рабочей лошадкой» современных цифровых микросхем. Его главным достоянием с точки зрения цифровой обработки является прекрасная работа в качестве ключа, а также малое количество паразитных эффектов. Другие его важные преимущества состоят в том, что достигаемая на его основе высокая плотность интеграции совместно с относительно «простым» процессом изготовления делают возможным экономически оправданное производство больших и сложных схем.
Различают два типа полевых МОП-транзисторов. n-МОП-тразистор содержит n+-области истока и стока, погруженные в подложку р-типа (рис. 2.29).
Рис. 2.29. МОП-транзистор n-типа с обедненной областью и индуцированным каналом при положительном напряжении VGS
Ток переносится электронами, двигающимися по каналу n-типа между истоком и стоком. Это отличается от диода на p-n переходе, в котором ток переносится как электронами, так и дырками. МОП-приборы могут также изготавливаться с использованием подложки n-типа и р+-областей истока и стока. В таком транзисторе ток переносится дырками, двигающимися в канале р-типа. Подобный прибор называется МОП-транзистором с р-каналом или р-МОП-транзистором. В технологии комплементарных МОП-транзисторов (КМОП) присутствуют приборы обоих типов. Вид поперечного сечения структуры и топологии, формируемой в результате современного КМОП-процесса, представлен на рис. 2.30.
На рис. 2.30 введены условные обозначения слоев: POLY1 – слой поликремния; N+ и Р+ - области N и P диффузии соответственно; PSUB – подложка р-типа.
Рис. 2.30. Поперечное сечение структуры, формируемой в КМОП-процессе
Условные обозначения различных МОП-транзисторов показаны на рис. 2.31.
Транзистор является четырехпортовым прибором с выводами затвора, истока, стока и подложки (рис. 31, а и в). Поскольку подложка в общем случае подключается к источнику постоянного напряжения, одинакового для всех приборов данного типа (к земле (GND) у n-МОП-транзисторов, к напряжению Vdd у р-МОП-транзистора), чаще всего она на принципиальной схеме не показывается (рис. 31, б, г). Если четвертый вывод не показан, то предполагается, что подложка подключается к соответствующему выводу источника питания.
Рис. 2.31. Условные обозначения МОП-транзисторов
Топологии МОП-транзисторов
Наряду с простейшими топологиями транзисторов (рис. 2.31) широко используются и более сложные.
Многозавторные МОП-транзисторы имеют несколько соединенных затворов, что позволяет оптимально реализовать приборы с широкими каналами (W/L велико). Разновидностями многозатворных МОП-транзисторов являются свернутый и гребенчатый МОП-транзисторы (рис. 2.32).
Рис. 2.32. Топология многозатворных МОП-транзисторов:
а – свернутого, б – гребенчатого
Свернутый МОП-транзистор (рис. 32, а) содержит два затвора, поэтому позволяет при заданной ширине канала вдвое уменьшить ширину активной области. Это существенно уменьшает площадь истока/стока S/D (а значит и паразитные емкости, обусловленные площадью) и площадь всего прибора, а также снижает сопротивление затвора. Однако сток-истоковая емкость, обусловленная периметром, возрастает.
Гребенчатый МОП-транзистор (рис. 32, б) используют при очень широких каналах. Они имеют не только лучшие емкостные и резистивные характеристики, но и более подходящую форму, чем однозатворные МОП-транзисторы.
МОП-транзисторы в аналоговых схемах. В аналоговых схемах к МОП-транзисторам предъявляются гораздо более строгие требования, чем в цифровых схемах. Это обусловлено и характером сигналов, принимающих непрерывный ряд значений, и необходимостью достижения высоких коэффициентов усиления. Первое условие накладывает ограничения на разброс характеристик транзисторов, а второе – на величину выходного сопротивления. Для удовлетворения таких требований в аналоговых ИС, приходится использовать транзисторы с длиной канала, в 1,5 – 2, а в критических случаях в 4 раза превышающей минимальный топологический размер. Это неизбежно увеличивает размеры схем, ухудшает быстродействие и повышает потребляемую мощность. Более того, с переходом к «глубокому субмикрону» из-за снижения напряжения питания резко уменьшается динамический диапазон, и необходимо существенно изменять сами схемы.
Емкости МОП-структуры
Затвор МОП-транзистора изолирован от проводящего канала подзатворным окислом, который обладает емкостью на единицу площади. Общая величина этой емкости называется емкостью затвора Сg и может быть разбита на две составляющие, каждая из которых ведет себя по-разному. Очевидно, что одна часть вносит свой вклад в заряд канала. Вторая часть зависит исключительно от топологической структуры транзистора.
Рассмотрим транзисторную структуру, изображенную на рис. 2.33.
Рис. 2.33. Ёмкости перекрытия МОП-транзистора
В идеале диффузионные области истока и стока должны заканчиваться непосредственно под границей окисла затвора. В реальности же, как исток, так и сток обычно заходят под окисел на расстояние xd, называемое боковой диффузией. Поэтому эффективная длина канала транзистора L становится меньшей, чем длина по чертежу Ld (или исходно запроектированной длины транзистора), на величину ∆L = 2хd. Это также приводит к увеличению паразитной емкости между затвором и истоком (стоком), которая носит название емкости перекрытия.
Поскольку величина xd определяется технологией, то принято объединять ее с емкостью окисла в параметр, называемый емкостью перекрытия на единицу длины транзистора СО.
Наиболее значимый паразитный элемент МОП-структуры — емкость затвор-канал СGC — изменяется как по величине, так и в плане перераспределения между тремя ее составляющими: емкости затвор-исток, затвор-сток и затвор-подложка в зависимости от рабочей области и напряжений на выводах транзистора. Изменение перераспределения поясняется на простых схемах, изображенных на рис. 2.34.
Рис. 2.34. Емкость затвор-канал и влияние режима работы на ее перераспределение относительно трех других выводов прибора
Когда транзистор находится в области отсечки (рис. 34, а), канал отсутствует, и общая емкость определяется емкостью между затвором и подложкой. С переходом в резистивную область (рис. 34, б) формируется инверсный слой, который играет роль проводника между истоком и стоком. Как следствие, емкость затвор-подложка равна нулю, поскольку электрод подложки экранируется от затвора каналом. В режиме насыщения (рис. 34, в) канал смыкается, вся емкость сосредотачивается между затвором и истоком.
В емкостную компоненту дают вклад обратносмещенные p-n переходы исток-подложка и сток-подложка. Емкость обедненной области нелинейная и уменьшается с ростом обратного смещения.
Сопротивление истока/стока
Влияние на быстродействие схемы могут оказывать другие паразитные элементы, в частности, последовательные сопротивления областей стока и истока. Их влияние усиливается с масштабированием транзисторов в сторону уменьшения размеров, так как это приводит к уменьшению глубины залегания переходов и размеров контактных окон.
Последовательное сопротивление вызывает ухудшение быстродействия прибора, поскольку уменьшает ток стока при заданном управляющем напряжении. Таким образом, поддержание его значения на возможно низшем уровне является важной целью при проектировании, как для разработчика приборов, так и для разработчика микросхем. Одним из возможных решений, которое стало популярным во многих современных технологических процессах, является покрытие областей стока и истока материалом с низким удельным сопротивлением, например, титаном или вольфрамом. Этот процесс называется силицидацией и позволяет эффективно снизить величину поверхностного сопротивления. Другой возможностью является изготовление транзистора с большей, чем нужно, шириной. Если в технологическом процессе предусмотрено использование силицидации, то при достаточном внимании к топологии паразитное сопротивление теряет свою важность. Но следует помнить, что несерьезное отношение к топологии может привести к величинам сопротивлений, существенно ухудшающим быстродействие прибора.
Транзисторы типа n-p-n
Биполярный транзистор типа n-p-n является основным схемным элементом биполярных полупроводниковых интегральных микросхем. Он обладает лучшими характеристиками, чем транзистор типа p-n-p, а технология его изготовления более проста.
Остальные элементы интегральной схемы выбираются и конструируются таким образом, чтобы они совмещались со структурой транзистора типа n-p-n. Их изготовляют одновременно с транзистором типа n-p-n на основе какой-либо из его областей. Таким образом, выбор физической структуры транзистора типа n-p-n определяет основные электрические параметры остальных элементов схемы.
Топология транзисторов
Конфигурация интегрального n-p-n транзистора имеет несколько вариантов. Два из них показаны на рис. 2.35.
Рис. 2.35. Топология транзисторов: а) асимметричная; б) симметричная
Первая конфигурации (рис. 2.35, а) называется асимметричной: в ней коллекторный ток протекает к эмиттеру только в одном направлении. Вторая конфигурация (рис. 2.35, б) называется симметричной: в ней коллекторный ток протекает к эмиттеру с трех сторон. Соответственно сопротивление коллекторного слоя оказывается примерно в 3 раза меньше, чем у асимметричной топологии.
Вторая конфигурация характерна также тем, что контактное окно и металлизация коллектора разбиты на две части. При такой конструкции облегчается металлическая разводка: алюминиевая полоска (например, эмиттерная на рис. 2.35, б) может проходить над коллектором по защитному окислу, покрывающему поверхность ИС.
Паразитные параметры
На рис. 2.36, а показана упрощенная структура интегрального n-p-n транзистора, выполненного по методу разделительной диффузии.
Рис. 2.36. Интегральный n-p-n транзистор: а) упрощенная структура с паразитным p-n-p транзистором; б) упрощенная модель; в) полная модель
Особенность интегрального транзистора состоит в том, что его структура (с учетом подложки) – четырехслойная: наряду с рабочими эмиттерным и коллекторным переходами имеется третий (паразитный) переход между коллекторным n-слоем и подложкой p-типа. Наличие скрытого n+- слоя (не показанного на рис. 2.36, б) не вносит принципиальных изменений в структуру.
Подложку ИС (если она имеет проводимость р-типа) присоединяют к самому отрицательному потенциалу. Поэтому напряжение на переходе «коллектор - подложка» всегда обратное или (в худшем случае) близко к нулю. Следовательно, этот переход можно заменить барьерной емкостью CКП, показанной на рис. 2.36, а.
Вместе с горизонтальным сопротивлением коллекторного слоя rКК емкость СКП образует RC цепочку, которая подключена к активной области коллектора. Тогда эквивалентная схема интегрального n-p-n транзистора имеет вид, как показано на рис. 2.36, б.
Цепочка rКК – СКП, шунтирующая коллектор, – главная особенность интегрального n-p-n транзистора. Эта цепочка, естественно, ухудшает его быстродействие и ограничивает предельную частоту и время переключения.
Разновидности n-p-n-транзисторов
В процессе развития микроэлектроники появились некоторые разновидности n-р-n-транзисторов, не свойственные дискретным электронным схемам и не выпускаемые в виде дискретных приборов. Ниже рассматриваются наиболее важные из этих разновидностей.
Многоэмиттерный транзистор
Структура многоэмиттерного транзистора (МЭТ) показана на рис. 2.37, а.
Такие транзисторы составляют основу весьма распространенного класса цифровых ИС — так называемых схем ТТЛ.
В первом приближении МЭТ можно рассматривать как совокупность отдельных транзисторов с соединенными базами и коллекторами (рис. 2.37, б). Особенности МЭТ как единой структуры следующие (рис. 2.37, в).
Во-первых, каждая пара смежных эмиттеров вместе с разделяющим их р-слоем базы образует горизонтальный (иногда говорят - продольный) транзистор типа n+-p-n+. Если на одном из эмиттеров действует прямое напряжение, а на другом обратное, то первый будет инжектировать электроны, а второй будет собирать те из них, которые инжектированы через боковую поверхность эмиттера и прошли без рекомбинации расстояние между эмиттерами. Такой транзисторный эффект является для МЭТ паразитным: в обратносмещенном переходе, который должен быть запертым, будет протекать ток. Чтобы избежать горизонтального транзисторного эффекта, расстояние между эмиттерами должно превышать диффузионную длину носителей в базовом слое.
Рис. 2.37. Многоэмиттерный транзистор: а – топология и структура, б – схемные модели, в – взаимодействие между смежными эмиттерами
Во-вторых, важно, чтобы МЭТ имел как можно меньший инверсный коэффициент передачи тока. В противном случае в инверсном режиме, когда эмиттеры находятся под обратным напряжением, а коллектор под прямым, носители, инжектируемые коллектором, будут в значительной мере достигать эмиттеров, и в цепи последних, несмотря на их обратное смещение, будет протекать ток — паразитный эффект, аналогичный отмеченному выше.
Многоколлекторные n-р-n-транзисторы
Структура многоколлекторного транзистора (MKT), показанная на рис. 2.38, а, не отличается от структуры МЭТ. Различие состоит лишь в использовании структуры. Можно сказать, что MKT — это МЭТ, используемый в инверсном режиме, общим эмиттером является эпитаксиальный n-слой, а коллекторами служат высоколегированные n+-слои малых размеров. Эквивалентная схема MKT показана на рис. 2.38, б.
Рис. 2.38. Многоколлекторный транзистор: а) структура; б) схемные модели; в) траектория движения инжектированных носителей
Главной проблемой при разработке MKT является увеличение нормального коэффициента передачи тока от общего n-эмиттера (инжектора) к каждому из n+-коллекторов. Естественно, что эта проблема — обратная той, которая решалась в случае МЭТ, когда коэффициент передачи от n-слоя к n+-слоям старались уменьшать.
В данном случае желательно, чтобы скрытый n+-слой располагался как можно ближе к базовому или просто контактировал с ним. Тогда этот высоколегированный n+-слой, будучи эмиттером, обеспечит высокий коэффициент инжекции. Что касается коэффициента переноса, то для его повышения n+-коллекторы следует располагать как можно ближе друг к другу, сокращая тем самым площадь пассивной области базы. Оба эти пути, конечно, ограничены конструктивно-технологическими факторами.
Транзистор с барьером Шоттки (ТШ)
На рис. 2.39 показана структура интегрального ТШ.
Рис. 2.39. Интегральный транзистор с барьером Шоттки
Здесь очень изящно решена задача сочетания транзистора с диодом Шоттки: алюминиевая металлизация, обеспечивающая омический контакт с p-слоем базы, проделана в сторону коллекторного n-слоя. На первый взгляд, коллекторный слой оказался закороченным со слоем базы. На самом же деле алюминиевая полоска образует с р-слоем базы невыпрямляющий омический контакт, а с n-слоем коллектора выпрямляющий контакт Шоттки.
Разумеется, структурное решение, показанное на рис. 2.39, можно использовать не только в простейшем транзисторе, но и в МЭТ. В обоих случаях отсутствуют накопление и рассасывание избыточных зарядов, и получается существенный (в 1,5-2 раза) выигрыш во времени переключения транзисторов из полностью открытого в запертое состояние.
Транзисторы p-n-p
Получение p-n-p-транзисторов с такими же высокими параметрами, как и n-p-n-транзисторы, в едином технологическом цикле остается до сих пор нерешенной задачей. Поэтому все существующие варианты интегральных p-n-p-транзисторов существенно уступают n-p-n-транзисторам по коэффициенту усиления и предельной частоте.
Основным структурным вариантом p-n-p-транзистора является горизонтальный p-n-p-транзистор (рис. 2.40).
Рис. 2.40. Горизонтальный p-n-p-транзистор (топология и структура)
Он изолирован от других элементов, а его технология полностью вписывается в классический технологический цикл с раздельной диффузией.
Эмиттерый и коллекторный слои получаются на этапе базовой диффузии, причем коллекторный слой охватывает эмиттер со всех сторон. Это позволяет собирать инжектированные дырки со всех боковых частей эмиттерного слоя. Приповерхностные боковые участки р-слоев характерны повышенной концентрацией примеси, что способствует увеличению коэффициента инжекции.
Горизонтальный p-n-p-транзистор является бездрейфовым. Этот фактор вместе с меньшей подвижностью дырок предопределяет примерно на порядок худшие частотные и переходные свойства p-n-p-транзистора даже при той же ширине базы, что и у дрейфового n-p-n-транзистора. Для увеличения коэффициента передачи эмиттерного тока желательно, чтобы площадь донной части эмиттерного слоя была мала по сравнению с площадью боковых частей. Значит, эмиттерный слой нужно делать как можно более узким.
Главные недостатки горизонтального p-n-p-транзистора – сравнительно большая ширина базы и ее однородность. Эти недостатки можно устранить в вертикальной структуре (рис. 2.41), но ценой дополнительных технологических операций.
Рис. 2.41. Вертикальный p-n-p-транзистор
Из рис. 2.41 следует две операции: глубокая диффузия р-слоя и заключительная диффузия р++-слоя. Последняя операция весьма проблематична, так как для получения р++-слоя необходим акцепторный материал, у которого предельная растворимость больше, чем у фосфора, используемого для получения n+-слоя. Поскольку такие материалы практически отсутствуют, верхнюю, наиболее легированную часть n+-слоя необходимо стравить до осуществления р++-слоя, что дополнительно усложняет технологический цикл.