2.8.1. Интегральные биполярные транзисторы
Транзисторы с n+-p-n-структурой со скрытым n+-слоем является широко распространенным и ключевым элементом полупроводниковых ИМС (рис. 2.11). Они обладают лучшими характеристиками, чем транзисторы p-n-p-типа, а технология их изготовления более проста. Остальные элементы микросхемы изготовляются одновременно с созданием транзистора на основе какой-либо из его областей.
Наиболее экономичной при массовом производстве ИМС является планарно-эпитаксиальная технология с изоляцией элементов p-n-переходом. Поэтому планарно-эпитаксиальные транзисторы являются наиболее распространенными для построения различных микросхем. Кроме того, транзисторы, изготовленные по планарно-эпитаксиальной технологии, обладают улучшенными параметрами и характеристиками по сравнению с планарно-диффузионными. Следует отметить, что планарно-эпитаксиальная технология помимо основных видов с изоляцией элементов p-n-переходом и диэлектриком имеет несколько модификаций; среди них наиболее перспективными считаются изопланарный процесс и технологический процесс, в котором изоляция элементов осуществляется при диффузии коллектора.
На рис. 2.31 показаны этапы формирования n+-p-n-транзистора по планарно-эпитаксиальной технологии.
Две типичных конфигурации интегральных n+-p-n-транзисторов (в плане) представлены на рис. 2.32.
Первая конфигурация (рис. 2.32, а) называется асимметричной: в ней коллекторный ток протекает к эмиттеру только в одном направлении: на рис. 2.28, а - справа. Вторая конфигурация (рис. 2.32, б) называется симметричной: в ней коллекторный ток протекает к эмиттеру с трех сторон. Соответственно сопротивление коллекторного слоя rкк оказывается примерно в 3 раза меньше, чем у асимметричной конфигурации.
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 2.32, б) может проходить над коллектором по защитному окислу, покрывающему поверхность ИМС.
Рис. 2.31. Этапы технологического цикли создания интегрального n-p-n-транзистора со скрытым n-слоем методом разделительной диффузии: а - создание скрытых слоев; б - создание базовых слоев в эпитаксиальных карманах; в - создание эмиттерных слоев и слоев под омические контакты коллекторов;
г — общая металлизация; д — создание рисунка металлической разводкой
Рис. 2.32. Конфигурация (топология) транзисторов:
а - асимметричная; б – симметричная
2.8.2. Многоэмиттерный транзистор
Основным элементом некоторых ИМС, в частности логических типа ТТЛ, является многоэмиттерный транзистор (МЭТ), представляющий собой полупроводниковый прибор, содержащий коллектор и М эмиттеров, объединенных одним базовым слоем. Число эмиттеров может составлять 5-8 и более. Структура МЭТ представлена на рис. 2.33, а.
Рис. 2.33. Многоэмиттерный транзистор: а – структура;
б - топология; в – взаимодействие между соседними эмиттерами
Транзистор выполнен по планарно-эпитаксиальной технологии с изолирующим p-n-переходом, что позволяет изготавливать его в едином технологическом цикле совместно с обычными планарно-эпитаксиальными транзисторами.
В первом приближении МЭТ можно рассматривать как совокупность М транзисторов с общими базами и коллекторами. При их конструировании необходимо учитывать следующие обстоятельства.
Во-первых, каждая пара смежных эмиттеров вместе с разделяющим их p-слоем базы образует горизонтальный (продольный) транзистор типа n+-p-n+ (рис. 2.33, в). 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, вообще говоря, должно превышать диффузионную длину носителей в базовом слое. Если транзистор легирован золотом, диффузионная длина не превышает 2-3 мкм и достаточно указанное расстояние делать равным 10-15 мкм, что позволяет создавать компактные МЭТ – структуры.
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.
Для уменьшения паразитных токов через эмиттеры при инверсном включении МЭТ искусственно увеличивают сопротивление пассивной области базы, удаляя базовый контакт от активной области транзистора, чтобы сопротивление перешейка, соединяющего базовый контакт с базовой областью, было равным 200...300 Ом. При этом инверсный коэффициент усиления снижается до 0,001-0,005. Очень часто с этой целью МЭТ делают с барьером Шоттки.