2.8.5. Супербета транзистор

Другое название – транзисторы со сверхтонкой базой (0,2-0,3 мкм). При такой ширине базы коэффициент усиления базового тока составляет В = 3000-5000 и более, откуда и следует их название.

Получение сверхтонкой базы представляет серьезную технологическую проблему. Во-первых, эмиттерная диффузия должна осуществляться с допуском 1,25%, что лежит на пределе технологических возможностей. Во-вторых, когда в процессе диффузии эмиттерного слоя его металлургическая граница приближается к металлургической границе коллекторного слоя на расстояние 0,4 мкм, наступает так называемый эффект оттеснения коллекторного перехода: дальнейшая диффузия атомов фосфора в эмиттерном слое сопровождается диффузией (с той же скоростью) атомов бора в базовом слое. Можно сказать, что эмиттерный слой «продавливает» металлургическую границу ранее полученного базового слоя (рис. 2.36). При этом толщина базы сохраняет значение около 0,4 мкм. Большой коэффициент усиления и супербета транзисторов достигается ценой очень малого пробивного напряжения (1,5-2 В). Это - результат эффекта смыкания переходов, свойственного транзисторам с тонкой базой. Поэтому супербета транзисторы являются не универсальными, а специализированными элементами ИС. Их главная область применения - входные каскады операционных усилителей.

Необходимо заметить, что дальнейшее уменьшение ширины базы до 0,1 мкм и менее связано уже не столько с технологическими, сколько с принципиальными физическими проблемами.

Рис. 2.36. Иллюстрация проблемы получения сверхтонкой

базы

При такой тонкой базе теряет смысл понятие градиента концентрации примеси (и связанное с ним понятие внутреннего электрического поля в ней), качественно меняются процессы рассеяния и характер движения носителей в базе. Тем самым классическая физика полупроводников в значительной мере теряет силу.

2.8.6. Транзисторы p-n-p

Эти транзисторы используются главным образом как нагрузочные приборы для n-p-n-переключательных транзисторов. Все существующие варианты интегральных p-n-p-транзисторов существенно уступают n-p-n-транзисторам по коэффициенту усиления и предельной частоте. Для их изготовления используется стандартная технология, оптимизированная для формирования n⁺-p-n-транзистора.

В настоящее время основным вариантом p-n-p-транзистора является горизонтальный p-n-p-транзистор (рис. 2.37). Он изолирован от других элементов, его технология полностью вписывается в классический технологический цикл с разделительной диффузией.

а б

Рис. 2.37. Горизонтальный p-n-p-транзистор:

а – структура; б - топология

Эмиттерный 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. Базовая область формируется на основе эпитаксиального слоя с подлегированием контактной области во время эмиттерной диффузии. Перенос носителей в таком p-n-p-транзисторе протекает в горизонтальном направлении. Инжектированные из боковых частей эмиттера в базу дырки диффундируют к коллекторной области. Перенос наиболее эффективен в приповерхностной области, так как здесь расстояние между коллектором и эмиттером минимальное и наиболее высокая концентрация примеси в p-слоях. Для уменьшения действия паразитных p-n-p-транзисторов (p-эмиттер, n-эпитаксиальный слой, p-подложка) стремятся уменьшить площадь донной части эмиттера (его делают возможно более узким), используют скрытый n⁺-слой вдоль границы эпитаксиального слоя и подложки. На основе горизонтального транзистора легко сформировать многоколлекторный p-n-p-транзистор.

Главные недостатки горизонтального p-n-p-транзистора - сравнительно большая ширина базы и ее однородность. Эти недостатки можно устранить в вертикальной структуре (рис. 2.38), используя дополнительные технологические операции: глубокую диффузию p-слоя и заключительную диффузию p⁺⁺-слоя. Последняя операция особенно проблематична, так как для получения p⁺⁺- 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 p⁺⁺-слоя, что дополнительно усложняет технологический цикл.

Рис. 2.38. Вертикальный p-n-p-транзистор

Существует вариант вертикального p-n-p-транзистора, так называемый подложечный транзистор (рис. 2.39), технология изготовления которого не отличается от технологии n⁺-p-n-транзистора.

Поскольку подложка микросхемы обычно подключена к точке схемы, имеющей наибольший отрицательный потенциал, транзистор, показанный на рис. 2.39, можно подключить только по схеме с общим коллектором. По тем же причинам, что и горизонтальные p-n-p-транзисторы, подложечный транзистор имеет худшие коэффициент усиления, частотную характеристику. Его база - слаболегированный эпитаксиальный слой - обладает большим сопротивлением и повышенной паразитной емкостью коллекторного перехода из-за значительных его размеров.

а б

Рис. 2.39. Вертикальная структура подложечного

p-n-p-транзистора (а); структура составного транзистора (б)

Составные транзисторы могут быть реализованы на основе двух транзисторов одного или разного типа проводимости, расположенных в одной изолированной области. На рис. 2.39, б представлена транзисторная структура, в которой в зависимости от схемы соединений может быть осуществлен составной транзистор, состоящий из двух n-p-n-транзисторов с общим коллектором, или же составной транзистор, состоящий из вертикального n-p-n- и горизонтального p-n-p-транзисторов. В принципе, возможна реализация составных транзисторов в разных изолирующих областях.

Рис. 2.40. Структура p-n-p-транзистора, полученная по технологии КНС совместно с n-p-n-транзистором

Большие возможности для получения качественных p-n-p-транзисторов открывает технология КНС (см. разд. 2.4). В этом случае (рис. 2.40) p-n-p-транзистор изготавливается отдельно от n-p-n-транзисторов, начиная с этапа эпитаксии p-слоя (эпитаксия n- и p-слоев осуществляется локально, через разные маски). Поэтому и ширина базы, и степень легирования эмиттерного слоя могут быть оптимизированы. Однако необходимость в локальной эпитаксии и два дополнительных процесса диффузии сильно усложняют и удорожают производство.