книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

Для логических схем также нашли применение полевые тран­ зисторы. Транзисторная структура интегральной схемы изготов­ ляется посредством тех же операций окисления, локального уда­ ления окисла, диффузии и эпитаксии, которые были рассмот­ рены для изготовления дискретного транзистора.

На рис. 17.31,6 приведено поперечное сечение типичного биполярного транзистора интегральной схемы. На нем видны все четыре слоя: диффузионный эмиттер, диффузионная база, эпитаксиальный коллектор и подложка.

Рис. 17.31. Поперечный разрез (б) и геометрия (а) интеграль­ ного транзистора

База получается в результате диффузии примесей р-типа в эпитаксиальный коллектор, удельное сопротивление которого примерно 0,5 Ом-см, а эмиттер — в результате диффузии приме­ сей /г-тппа в базе р-типа. Одновременно с диффузией эмиттера создается контактная область коллектора п-типа. Электрический контакт с эмиттерной базовой и коллекторной областями со­ здается с помощью алюминиевой металлизации. Таким образом, транзистор интегральной схемы состоит из п—р—п диффузион­ ной эпитаксиальной структуры, которая электрически изолиро­ вана с помощью p-типа подложки.

На рис. 17.31, а приведена геометрия транзистора. Эмиттер и база представляют собой прямоугольники. Омическое соедине­ ние с базой осуществляется двумя контактами с одной и с дру­ гой сторон эмиттера. Диффузионный переход коллектор — база полностью окружен металлизированной прямоугольной рамкой, которая является омическим контактом коллектора. Эту струк­ туру окружает самый отдаленный от центра прямоугольник, представляющий собой границы р—п-перехода, образованного между эпитаксиальным коллектором п-типа и подложкой р-типа.

Очевидно, в одной и той же интегральной схеме практически можно проектировать транзистор с любой геометрией и разме­ рами. А следовательно, в одной схеме могут быть созданы одно­ временно высокочастотные и мощные транзисторы.

282

Особенность транзисторов интегральных схем связана с их планарной конструкцией. Все контакты к основным областям транзистора, в том числе и контакт к коллектору, располагаются сверху на одной плоскости интегральной схемы. Такое располо­ жение коллекторного контакта приводит к увеличению распреде­ ленного сопротивления тела коллектора по сравнению с сопро­ тивлением тела коллектора дискретного транзистора, у которого коллекторный контакт расположен снизу. Вследствие образова­ ния добавочного (последовательного с коллектором) сопротивле­ ния увеличивается напряжение насыщения прибора. Величина

высоколегированный слой п-типа. Этот слой получают дополни­ тельной селективной диффузией донорной примеси перед нара­ щиванием эпитаксиального слоя.

Еще одно отличие интегрального транзистора вызвано влия­ нием изолирующего слоя разделяющего элемента интегральной схемы.

Изолирующий р—«-переход представляет собой диод, кото­ рый соединен с коллектором и действует как зависимая от на­ пряжения емкость, соединяющая коллектор с землей.

На рис. 17.33 приведена упрощенная эквивалентная схема интегрального транзистора.

Величина емкости перехода коллектор — подложка для мало­ мощных структур имеет величину от 2 до 5 пф и существенно сказывается на быстродействии транзистора.

Еще одна особенность интегрального транзистора заклю­ чается в требовании малого тепловыделения вследствие высокой плотности монтажа. Поэтому схемы стараются создавать такие,

которые работают при низких уровнях рассеиваемой мощности, т. е. в мнкрорежиме.

Типовые транзисторы имеют следующие параметры /т^ ^500 Л'ІГщ й^і;э.макс30 Вj Т^э.б.макс^5 В; ß^:20. Обратный ток переходов обычно менее 1 мкА, паразитная емкость с подлож­ кой Снп^З пФ.

Поскольку все транзисторы изготавливают одновременно ме­ тодом диффузии в одном и том же кристалле кремния, то это обеспечивает хорошее совпадение их электрических характе­ ристик.

^ При создании транзисторов нужно избегать вредного влияния одних приборов на другие.

Диоды

В интегральной схеме могут быть созданы диоды практиче­ ски любого вида. Однако при конструировании схемы жела­ тельно применять диоды, эквивалентные переходам эмиттер — база или коллектор — база (рис. 17.34).

Рис. 17.34. Интегральный диод на эмиттерном переходе (а) и на коллек­ торном (б)

Диоды на эмиттерном переходе имеют максимальное обрат­ ное напряжение 5 В, а диоды на коллекторном переходе 30 В.

Обычно в качестве диодов используют целиком транзистор­ ную структуру. На рис. 17.35 показаны пять возможных вариан­ тов диодных соединений транзисторной структуры.

В первом случае (см. рис. 17.35, а) в качестве диода исполь­ зуют эмиттерный переход, а коллекторный — закорачивают.

смещении носители инжектируются в базу как из коллекторного, так и из эмиттерного перехода.

В третьем случае (см. рис. 17.35, б) эмиттер соединен с базой

идиод состоит из коллекторного перехода.

Вчетвертом случае (см. рис. 17.35, г) диод состоит из эмит­ терного перехода, а коллектор изолирован.

Впятом случае (см. рис. 17.35,6) диод состоит из коллектор­ ного перехода, а эмиттер изолирован.

Вкаждом из пяти диодных соединений существуют три раз­ личных перехода, каждый из которых имеет определенную вели-

2 8 4

чину емкости. При расчете емкости следует учитывать, что пере­ ход эмиттер — база близок к ступенчатому переходу, а переход ■база — коллектор плавный. В отличие от дискретных диодов интегральные диоды имеют паразитную емкость перехода кол­ лектор— подложка. Величина этой емкости составляет при­

мерно ІО4 пФ/см2.

Наибольшая емкость (примерно 4 пф) получается при соеди­ нении структуры способом (б), когда все три перехода соеди­ нены параллельно.

Рис. 17.35. Способы включения транзисторных структур в качества диода

Наименьшая емкость (примерно 2 пФ) достигается при со­ единении по способу (г), так как в этом случае емкость под­ ложки соединяется последовательно с емкостью коллекторного перехода благодаря обратному смещению. Присоединив по ме­

как емкость эмиттерного перехода выше, чем емкость коллектор­

ленному в базе. В результате время восстановления в этом слу­ чае более высокое. Время восстановления при включении по спо­ собу (б) сравнимо с (г), так как переход коллектор — база, на который подано прямое смещение как в базу, так и в коллектор.

Самое большое время восстановления наблюдается в слу­ чае (б), где оба перехода имеют прямое смещение и наибольшее количество накопленных носителей заряда.

2S5

Самое низкое прямое напряжение (примерно 0,6 В) полу­ чается в схеме включения по способу (а), когда переход коллек­

напряжением эмиттерного перехода. Величина его обычно со­ ставляет 5—10 В. Напряжение пробоя перехода коллектор — база для диодного соединения транзистора по способам (в) и (<3) составляет 30—50 В.

Обратные токи диодов обычно не превышают 100 нА. Вели­ чина их несколько выше для соединения транзисторной струк­ туры по методу (б), так как в этом случае эмиттерный и коллек­ торный переходы соединены параллельно.

Таким образом, для использования диодов в импульсных схе­ мах целесообразно закорачивать переход база — коллектор, так как обеспечивается лучшее время восстановления и уменьшается сопротивление в прямом направлении.

В некоторых случаях переход эмиттер — база может выпол­ нять функции стабилитрона.

Резисторы

Резисторы для интегральных схем могут быть получены не­ сколькими способами. В качестве резистора могут быть исполь­ зованы отдельные участки объема полупроводника (объемные

Рис. 17.36. Объемный ре­ зистор

резисторы), р—л-переход в прямом или обратном направлениях и, наконец, транзисторные структуры с использованием эффекта поля.

При создании объемных резисторов в определенных местах однородного полупроводника р- или л-типа проводимости задан­ ной конфигурации выполняют два невыполняющих контакта (рис. 17.36).

Величина сопротивления объемного резистора определяется удельным сопротивлением, длиной и площадью сечения этой области материала

' <17- »

где I, Ь, d — соответственно длина, ширина и толщина слоя; р — удельное сопротивление материала.

286

При идеальных контактах удельное сопротивление опреде­ ляется объемными свойствами в соответствии с выражением

где q — заряд электрона; р.р и цп — соответственно подвижность дырок и электронов; р и « — их концентрация.

Объемный резистор обычно изготовляют из материала исход­ ной пластины. Объемные резисторы не нашли широкого приме­ нения в интегральных схемах в виду ограниченного числа схем, в которых не нужна изоляция резисторов.

Р

а)

Рис. 17.37. Диффузионные резисторы, изготовленные одинарной диффузией

(а)и двойной диффузией (б)

Винтегральных схемах чаще всего применяют резисторы, представляющие собой тонкий слой полупроводника, образован­

ный при диффузии и отделенный от остальной части кристалла р—«-переходом. Такие резисторы получили название диффузион­ ных. Для обеспечения требуемой изоляции р—«-переход смещают в обратном направлении. Диффузионные резисторы являются линейными и хорошо согласуются с законом Ома в рабочем интервале напряжений.

Основными параметрами диффузионного резистора являются:

—поверхностное сопротивление Rs в Ом/ювадрат;

—номинальная величина сопротивления резистора в Ом;

—температурный коэффициент сопротивления резистора

ТКС;

—максимально допустимая мощность Рмакс в Вт;

—максимально допустимый ток /маКс в А;

—максимально допустимое напряжение {/ыак0 в В.

Диффузионные резисторы могут быть изготовлены методом одинарной диффузии (рис. 17.37, а). Подложка p-типа с удельным сопротивлением (0,5-7-5 Ом-см) обеспечивает крепление, в то время как слой «-типа толщиной около 3 мкм определяет вели­ чину сопротивления. Изоляцию в этом случае обеспечивает р—«- переход, который смещают в обратном направлении.

Сопротивление диффузионного резистора будет зависеть от профиля, глубины диффузии (cf) и от отношения длины и ши­ рины (//6) диффузионной площади.

На рис. 17.37,6 показан резистор, изготовленный методом двойной диффузии. Область резистора отделена от остальной ча­

287

ста кристалла слоем материала п-типа, обеспечивающим хоро­ шую изоляцию. Поэтому в таких резисторах не требуется пода­ вать обратно смещение на изолирующий р—«-переход.

Изоляцию диффузионных резисторов можно также осущест­ влять с помощью диэлектрической пленки двуокиси кремния или другими способами.

Диффузионные резисторы должны обладать как можно мень­ шими размерами, поэтому для их изготовления следует исполь­ зовать высокоомные слои с малым поперечным сечением в виде

1

■ г Л і п и ппиЦР т і

Рис. 1/.38. Геометрии диффузионных резисторов

узких зигзагообразных полосок (рис. 17.38). Концы полосы уве­ личены для обеспечения омического контакта. Омические кон­ такты создаются на высоколегированных областях «-типа.

Изменяя концентрацию примеси, можно легко варьировать номинал резистора. Так, например, для п-типа Rs может изме­ няться от 10 до 500 Ом/см2, в то время как для «-типа Rs состав­ ляет всего 2,5 Ом/см2.

Обычно ширина таких сопротивлений и промежутков между ними составляет 25—50 мкм. На площади 0,125 мм2 можно изго­ товить резисторы с номинальными значениями 20-М0 кОм. Обычно диапазон сопротивлений ограничивается значениями от 5 до 50 «Ом.

На практике резисторы, как правило, изготавливают одновре­ менно на одном чз этапов создания транзистора. Резисторы с ма­ лым удельным сопротивлением создаются во время диффузии эмиттера. Резисторы со средним удельным сопротивлением изго­ товляют во время диффузии для создания базы. Кроме того, резисторы могут быть изготовлены в области коллектора или в материале подложки, когда требуются высокие номиналы со­ противлений.

288

Если резистор выполняется одновременно с коллектором, то его удельное сопротивление будет близко к 1 Ом-см, если одно­

создании базы (рис. 17.39). Такие резисторы имеют приемлемое значение поверхностного сопротивления (5-^50 кОм/квадрат) и удовлетворительный температурный коэффициент сопротив­ ления.

Рис. 17.39. Диффузионный резистор, изготовленный на основе базовой обла­ сти транзисторной структуры

У диффузионных приборов глубина диффузионного слоя очень мала (менее 3 мкм) и относительно постоянна. Существо­ вание градиента концентрации примеси в диффузионных слоях приводит к тому, что большая часть проводимости создается сильнолегированными областями, прилегающими к поверхности. Поэтому сопротивление диффузионной области может быть за­ менено поверхностным сопротивлением материала (Rs) Ом/квадрат и отношением Ijb диффузионной области.

Следовательно, сопротивление диффузионного резистора мо­ жет быть рассчитано по формуле

где / и b — соответственно длина и ширина диффузионного слоя, В-см; Qs — удельное поверхностное сопротивление диффузион­

ного слоя в Ом-см; Qs= Q/d, где Q — среднее удельное сопротив­ ление диффузионного слоя, в Ом-см; d — глубина залегания диффузионного слоя в см.

Таким образом, для требуемого в интегральной схеме і?д, I и b по формуле (17.3) рассчитывается Qs, а следовательно, и ре­ жим диффузии.

Если диффузионный резистор легирован донорной примесью Nd, то удельное сопротивление Q будет определяться из выра­ жения

1

(17.4)

ЯѴ-nNd ’

289

На рис. 17. 40 приведены эквивалентные схемы диффузионных резисторов. На рис. 17.40, а — эквивалентная схема резистора, изготовленного методом одинарной диффузии.

Диод Дп и распределенная емкость р—/г-перехода, связанные с диффузионным сопротивлением R, являются паразитными эле­ ментами, если осуществляется контакт с материалом подложки.

Обратное напряжение пробоя диода составляет приблизи­ тельно 50 В, атом утечки обычно меньше 10 мА. Величина рас­ пределенной емкости обычно изменяется от 20 до 5 пФ/см2.

При разработке схем следует учитывать, что напряжение на

изготовленного методом двойной диффузии. Диффузионное со­ противление на этой схеме Ri. Если один из переходов паразит­ ного транзистора приоткроется, то ток утечки между сопротивле­ нием и коллектором возрастает. Для избежания этого область базы обычно соединяют с точкой наибольшего потенциала.

Как видно из эквивалентной схемы диффузионного резистора, с увеличением частоты сопротивление его падает вследствие шунтирующего действия распределенной емкости.

На рис .17.41 приведена частотная характеристика резистора с сопротивлением 3,2 кОм. Кривая показывает, что влияние рас-

290

пределенной емкости начинает сказываться при частотах свыше 1 МГц. Резистор применим до 10 МГц.

Однако в схемах, где нет связи через подложку, эффект пара­ зитной емкости значительно меньше и частотный диапазон шире.

Диффузионные резисторы имеют относительно большой тем­ пературный коэффициент сопротивления, обусловленный зави­ симостью от температуры подвижности дырок и электронов. Подвижность носителей обычно уменьшается с температурой. Температурные изменения подвижности дырок, зависящие от

концентрации примеси, меньше зависят от температуры с повы­ шением концентрации. Сопротивление резистора согласно (17.3) обратно пропорционально подвижности дырок. Следовательно, диффузионные резисторы имеют положительный температурный коэффициент, зависящий от концентрации примеси.

Кривые зависимости сопротивлений резисторов, полученных во время диффузии базовой области, от температуры показана на рис. 17.42.

температурах. Очевидно, самый низкий ТКС имеет эмиттерный слой, а самый высокий — коллекторный.

291