книги из ГПНТБ / Маркова В.Н. Малютки ПТ

(примесь tt-типа) из контактного эмиттерного сплава.

Основное отличие структуры эпитаксиаль­ ного транзистора от мезатриода — наличие узкой коллекторной области с высоким сопро­ тивлением и мощный слой материала с очень малым значением р (п-р-п-п+ структура1).

Высокоомная область непосредственно на границе перехода обеспечивает здесь пиковые напряжения больше 40 в, т. е. более высокие, чем у мезатриодов, удельное сопротивление исходного материала которых не превышает 1—2 ом-см. Время переключения эпитак­ сиальных триодов в два раза меньше, чем однотипных мезатриодов. У эпитаксиальных ПТ ^рас=;10 нсек, Ul{SC= 0,5—0,7 в, а токи невелики, примерно несколько миллиампер, мощность рассеяния такая же, как у меза­ триодов.

В эпитаксиальном триоде область коллек­ тора с низким удельным сопротивлением в рекомбинации основных носителей, инжекти­ рованных металлическим контактом, играет ту же роль, что и в триоде с диффузионным н+-слоем у коллекторного вывода.

1 В отличие от обозначений п и р для слоев с опре­ деленным типом проводимости символы п+ и р+ введе­ ны как характеристики более легированных слоев той же проводимости. Это может быть сплав металла с по­ лупроводником в рекристаллизационной области или по­ лупроводник, в котором примесные уровни смыкаются в примесную зону. Иногда эти символы вводятся для то­ го, чтобы показать, что между двумя областями с од­ ним типом проводимости существует резкий перепад концентраций примеси, играющий роль слабого пере­ хода.

61

П л а н а р н ы й т р а н з и с т о р . Малые площади переходов точно заданных контроли­ руемых размеров и узкая база для повыше­ ния fMaKC, хороший отвод тепла, высокое ро для получения больших значений а, низкое сопротивление насыщения, хорошая защита перехода от внешних воздействий для обеспе­ чения стабильной работы — таков комплекс требований, предъявляемых при разработке конструкций приборов. Этим требованиям ча­ стично удовлетворяют планарные триоды.

Планарный транзистор отличается от дру­ гих ПТ наличием пленки окиси кремния на поверхности. Так как технологически такую пленку проще получить на кремнии, чем на германии, то планарные транзисторы, в основ­ ном, кремниевые. На рис. 21 схематически изображены этапы изготовления планарного триода, В пленке окисла, полученного терми­ чески на исходном кристалле (рис. 21, а) в парах воды на воздухе или в кислороде, фо­ тографически вытравливается окно для диф­ фузии базовой примеси — бора (рис. 21, б). В процессе диффузии окно снова затягивается пленкой, а переход выходит на поверхность под надежную защиту Si02 (рис. 21, в). Для диффузии эмиттерной примеси — фосфора — травится новое окно (рис. 21, г), которое опять затягивается пленкой S i02 (рис. 21, д). Затем в сплошной пленке вытравливаются ка­ навки для электродов, после чего в вакууме напыляют контакты типа «подкова» или «за­ мочная скважина» (см. рис. 16). Для улучше­ ния частотных свойств и сохранения мощности иногда напыляют звездообразные контакты с

62

большим периметром. В этом случае эффект тот же, что и при Гребешковой конструкции.

Рис. 21. Этапы изготовления кремниевого планар­ ного транзистора:

Планарный триод имеет крупный недоста­ ток. В процессе диффузии эмиттера или окис­ ления на поверхности кремния создаются центры загрязнения донорной примесью, кото­

6 3

рая при разогреве диффундирует, создавая трубки п+-типа. Трубки являются путями утечки и пробоя. В результате возникновения трубок Uк не может быть больше 20 в. Для предохранения от загрязнения донорной при­ месью вблизи коллекторного перехода на по­ верхности базовой области создается кольце­ вой канал р+-типа, который препятствует диф­ фузии доноров по поверхности.

Для производства твердых схем, когда все активные элементы — триоды или диоды — выполнены в одном кристалле, а сопротивле­ ния и емкости — либо участки кристалла и переходы, либо тонкопленочная схема поверх окиси, для таких схем нужны триоды с выво­ дами в одной плоскости. Впрочем, такой триод лучше присоединить к готовым микросхемам, клеить их на подложки, при герметизации он требует меньшего объема защитной эмали. Рассмотренная конструкция имеет двухплос­ костное распределение электродов: коллектор противостоит эмиттеру и базе. Если базовое контактное кольцо окружить еще одним коль­ цом — контактом коллектора — и провести в это кольцо диффузию донорной примеси одно­ временно с диффузией эмиттера, то последо­ вательное сопротивление коллектора увели­ чится за счет включения в цепь узкой области кристалла под базой и уменьшится за счет низ­ коомной приконтактной области. В результате, серьезных изменений в работе прибора не произойдет, а удобства от одноплоскостной конструкции выводов очевидны. По такому методу в настоящее время изготовляют боль­ шинство микротриодов.

6 4

Если процесс изготовления был проведен достаточно чисто, планарные триоды надежны и стабильны во времени. Травление и защита лаком не дают такого эффекта, как окисле­ ние. Иногда защита окислом производится после получения структур.

Пленка диэлектрика БіОг используется для создания новых конструкций приборов. Создан тетрод, в котором полевой контакт, «сетка», расположен на окисной пленке и как бы под­ ключен через конденсатор к базе. Он управ­ ляет эмиттерным током и модулирует входные и выходные характеристики. В схеме с общим

дах благодаря высокой чистоте перехода /ко в два — четыре раза меньше, чем в приборах других типов.

На основе эпитаксиальных триодов разра батывается новый класс микромощных тран­ зисторов, в которых рассеиваемая мощность меньше 1 мет. Такие ПТ используются в ло­ гических схемах, особенно в матричных эле­ ментах, когда вся схема выполнена по типу модуля или твердой схемы. Микромощные транзисторы можно сжать по объему, так как токи в несколько микроампер не вызывают разогрева триода. Счетчики на микромощных транзисторах работают на частоте от 1 до 100 Мгц. Специальные устройства обеспечи­ вают сигналы нормальной мощности на входе и выходе.

В процессе изготовления таких ПТ на основ­ ном полупроводнике выращивается эпитак­ сиальный высокоомный коллекторный слой, а базовую и эмиттерную области, покрытые окисным слоем, получают по технологии изго­ товления планарного транзистора (рис. 22). Новейшие транзисторы этого типа имеют зве­ здообразную конфигурацию электродов — ба­ зы и эмиттера. Эпитаксиальные планарные триоды называют иногда универсальными, так как они характеризуются высокочастотными свойствами, малым напряжением насыщения, стабильностью характеристик Г Универсаль­ ные транзисторы не являются каким-то новым классом приборов, изготовляемых по одной технологии. Германиевые эпитаксиальные мезатранзисторы и даже мезатриоды с послевплавной диффузией, работающие в широком диапазоне частот от 200 кгц до 120 Мгц, в некоторых странах (например, в США) так­ же называют универсальными.

Структуру эпитаксиального транзистора можно получить исключительно диффузион­ ным способом. Но ведут диффузию не два, а три раза. Первая диффузия заменяет эпитак­ сию; за основу берется не «+, а «-тип крем­ ния. При этом на поверхности всего кристалла получается «+-слой. Затем с одной стороны кристалла этот слой снимается и так же, как в планарном триоде, получают диффузионные базу и эмиттер. Можно получить диффузион-1

1 Максимальное время переключения универсальных планарных транзисторов 2N2102 и 2N1613 равняется

30 нсек, {/„б=120 в, /„=0,1 ш , Unac~ 0,5-=-1 е при

/к . ва с “ 0 ,15 Ü.

6 6

ные слои равномерной толщины на большой площади, но при эпитаксиальном выращива­ нии это весьма затруднительно. У планарного транзистора с тройной диффузией пробивное

Рис. 22. Разрез эпитаксиального планарного транзистора звездооб­ разными электродами (коллектор­ ный переход р-і).

напряжение коллектора не меньше, чем в эпи­ таксиальном, 50—60 в.

Простота и воспроизводимость планарных транзисторов, гибкость структуры, возмож­ ность придавать электродам любую конфигу­ рацию, высокая механическая прочность и стабильность в работе, вероятно, будут спо­ собствовать вытеснению мезаконструкций планарными. В настоящее время успешно раз­ рабатываются и кремниевые, и германиевые триоды, у которых защитная окисная пленка наносится на переходы после изготовления коллектора по типу меза. Окись напыляется, выращивается под давлением при низких тем­ пературах или образуется из полихлорсила­

нов. В этом случае получают Мезапланарные или мезаэпитаксиально-планарные триоды.

Примерно с 1962 г. эпитаксиальные и пла­ нарные мезатриоды стали выпускать в произ­ водственных масштабах. Очевидно, развитие высокочастотных триодов будет итти по пути

вый высокочастотный триод, способный кон­ курировать с электронными лампами. Он представляет собой логическое продолжение сплавного триода, вернее, его высокочастот­ ных видоизменений (например, триода с фре­ зерованной канавкой). Основная цель, которая преследовалась при создании поверхностно­ барьерного триода,— максимальное сужение базы и повышение предельной частоты fa, не считаясь с потерей мощности рассеяния РМакс-

Переходы поверхностно-барьерного триода находятся на границе металл-полупроводник. Если триод кремниевый, переход является энергетическим барьером, высота которого определяется контактной разностью потенциа­ лов. Высота барьера Аср определяется работой выхода в полупроводнике фп и в металле срм:

Дф = фп — Ф„ Г®»!-

Когда фмСфп, электроны переходят из ме­ талла в полупроводник. После установления термодинамического равновесия приток элек­ тронов в полупроводник прекратится; з приконтактном слое возникнет объемный заряд электронов.

6 8

В этом случае у дырочного полупроводника получится поверхностно-барьерный переход. Приложив напряжение таким образом, что на металле будет плюс, а на полупроводнике ми­ нус, мы создадим поле, оттягивающее носи­ тели из приконтактного слоя: дырки уйдут в глубь полупроводника, а электроны — в ме­ талл; высота барьера возрастет (обратное смещение). У электронного полупроводника электроны заполнят приконтактный слой и, как бы не менялась полярность внешнего на­ пряжения, никакого выпрямления тока здесь не произойдет, контакт будет омическим.

При фм3>фп электроны из полупроводника пойдут в металл и на границе полупроводни­ ка возникнет положительный объемный заряд. Выпрямление будет в том случае, если полу­ проводник л-типа, а омический контакт на кристалле р-типа. У германия выпрямитель­ ные свойства не зависят от разности фп—<рм- Выпрямление можно получить только на элек­ тронном материале. Это объясняется тем, что в германии решающую роль играет припо­ верхностный инверсионный слой, представляю­ щий собой тонкий слой полупроводника, у ко­ торого знак носителей противоположен знаку носителей основного кристалла. Этот слой образуется в результате наличия поверхност­ ных уровней.

Обычно поверхностные уровни — это уров­

/j-слой. Если полупроводник л-типа, образует­ ся р-п переход. В германии /7-типа должна наблюдаться та же картина с захватом дырок.

69

Но в электронном полупроводнике р-п пере­ ход на поверхности сохраняется и тогда, когда на нее нанесен металл, в дырочном же вы­ прямление на поверхности нельзя обнаружить. Это явление пока не получило объяснения.

Поверхностно-барьерный триод изготов­ ляют электролитическим травлением лунок диаметром іОО—150 мкм (эмиттер) и 150— 200 мкм (коллектор) с последующим электро­ химическим осаждением металла в лунках. В качестве контактного металла чаще всего используют индий, иногда олово, медь, цинк или кадмий. Толщина контакта — несколько микрометров, ширина базы — 1—2 мкм. Бла­ годаря такой конструкции триода в цепь эмит­ тер — база включается сопротивление узкого базового перешейка г0.б, заключенного между лунками, что значительно повышает сопротив­ ление входа. Это качество выгодно отличает поверхностно-барьерный триод от других трио­ дов, работающих на неосновных носителях. Первые схемы с непосредственными связями (в вычислительных машинах) были собраны на поверхностно-барьерных триодах. Но высо­ кое год в импульсном режиме, как мы знаем, имеет и отрицательную сторону.

Для повышения эффективности эмиттера и напряжения коллектора эмиттерный и коллек­ торный контакты иногда слегка вплавляют. При этом образуется новая конструкция ми­ кросплавного триода.

Микросплавные транзисторы применяются в высокочастотной технике. Время переключе­ ния таких ПТ составляет сотые доли микро­ секунды,

ТО