2.3. Биполярные транзисторы интегральных схем

На рис. 12 показаны физическая структура, разрез, биполярного транзистора интегральных схем и его топологический чертеж, план. Именно эту структуру можно считать началом развития промышленной биполярной кремниевой интегральной технологии, получившей широкое распространение уже в начале 70 годов. Существенная особенность представленной структуры – применение разделительной p⁺диффузии для создания бокового изолирующегоp-n- перехода. Размеры щели под разделительную диффузию и допустимые расстояния до n⁺коллекторного контакта увеличивали площадь транзистора на кристалле и тормозили увеличение степени интеграции.

В середине 80 годов был реализован гораздо более высокий уровень интеграции путем применения изолирующей разделительной канавки, рис. 13. Эта конструкция [6] позволяет расположить базовые выводы вплотную к разделительной канавке и не запрещает разделительной канавке попадать в скрытый n+ слой. В такой новой структуре размер транзистора определяется только шириной контактных окон к базе и эмиттеру и допустимыми расстояниями между контактными полосками выводов базы и эмиттера.

Рис. 12.Физическая структура и топология диффузионных областей в транзисторе с боковой изоляцией разделительной диффузией.

ЭД – эмиттерная диффузия; ЭО – эмиттерное окно;

БД – базовая диффузия; БО – базовое окно;

РД – разделительная диффузия; КО – коллекторное окно;

СС – скрытый слой; ПО – подложечное окно;

М – металлизация.

Рис. 13.Структура и топология транзистора с изоляцией окисленными канавками.

SiO₂– окисленные канавки;

ПБ – пассивная база;

ЭД – эмиттерная диффузия.

2.4. Кремниевые транзисторы свч диапазона

Конструкция и свойства СВЧ транзисторов существенно отличаются от обычных биполярных транзисторов. СВЧ транзисторы работают на частотах порядка 10 ГГц, в то время как тактовые частоты биполярных транзисторов в интегральных схемах, как правило, не превышают 100 МГц. На рис. 14 показана упрощенная эквивалентная схема СВЧ транзистора, сохраняющая наиболее существенные элементы, ограничивающие максимальную частоту .

На частоте максимальное усиление по мощности падает до единицы

- граничная частота в схеме ОЭ . Модуль коэффициента усиления тока в схеме ОЭ падает до единицы на частоте

где - постоянная времени эмиттерной цепи, рис. 14

- время диффузии сквозь базу;

Рис. 14. Эквивалентная схема транзистора на ВЧ.

- время пролета сквозь ОПЗ коллекторного перехода, максимальная дрейфовая скорость электронов

Становится понятной роль омического сопротивления базы . Даже если предельно сократить задержки внутри транзистора и увеличить, тобудет ограничиваться постоянной времени. На рис. 15 показан элемент СВЧ транзисторной структуры. Тонкая активная база с глубиной залегания перехода менее 1 мкм сочетается с глубокой пассивнойp⁺ базой, обеспечивающей уменьшение омического сопротивления базы. Использование гребенчатой структуры, многократно повторяющей приведенный на рис. 15 фрагмент, позволяет увеличить выходную мощность до 10 Вт на частотах порядка 10 ГГц.

Рис. 15.Фрагмент структуры мощного СВЧ транзистора

Радикальным решением оказалось предложенное в начале 90 годов применение твердых растворов в качестве тонкой активной базы. Уменьшение ширины запрещенной зоны в твердом растворе затрудняет инжекцию дырок из базы в эмиттер. Даже при объемной концентрации акцепторов в базесм-3 сохраняется близкая к единице эффективность инжекции электронов n+эмиттером . Сочетание тонкой, около 0,01 мкм ,базы с малым омическим сопротивлением базы позволяет продвинуть максимальные частоты кремниевых транзисторов вплоть до 100 ГГц. На рис. 16 показана энергетическая диаграмма гетеропереходной транзисторной структуры. Видно, что барьер для инжекции дырок из базы в эмиттер увеличивается на.

Рис. 16. Энергетическая диаграмма гетеропереходного транзистора.

Внешние напряжения на электродах равны нулю. Величины барьеров для электронов и дырок определяются уровнями легирования и разрывом валентной зоны на переходах .