Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

а)

Рис. 7.6

что оно вместе с емкостью Скп образует цепочку с постоянной времени 'tк = rккСкп• подключенную к активной области тран­

зистора (см. рис. 7.6, а). Наличие этой цепочки, которая: моде­ лирует коллектор, лвллетсл основной особенностью интеграль­ ного транзистора по сравнению с дискретным. Типичные значе­

ния: rкк ""' 100 Ом без скрытого п+-слол и rкк ""' 10 Ом при его

наличии.

Емкость Скп в эквивалентной схеме транзистора подключена параллельно емкости Ск перехода коллектор-база и поэтому складывается: с ней, а сопротивление rкк складывается: с внеш­

ним сопротивлением (сопротивлением нагрузки Rк)· Эквива­

лентная: постоянная: времени для: схемы с общей базой может

быть записана в следующем виде:

(7.1)

где 'ta определяется: временем переноса носителей через базу.

При условии высокопроводлщего п+-слол и малого сопротив­

ления: Rк вторым слагаемым в формуле (7.1) можно пренебречь,

и тогда влияние подложки становится: малосущественным.

Рассмотрим роль паразитного р-п-р-транзистора, у кото­

рого эмиттер образован базой основного транзистора, база -

коллектором основного транзистора, а подложка лвллетсл кол­

лектором (рис. 7.6, б): р-п-р-транзистор лвллетсл вертикаль­ ным, а основной п-р-п-транзистор - горизонтальным.

Паразитный транзистор при обратносмещенном переходе коллектор-подложка будет работать в активном режиме, если п-р-п-транзистор находится в режиме насыщения. Если же п-р-п-транзистор работает в нормальном активном режиме, то паразитныйр-п-р-транзистор окажется в режиме отсечки, и его влияние сводится к увеличению коллекторной емкости ос­ новного транзистора на величину Скп·

В первом случае через паразитный транзистор будет наблюдать­ ся утечка коллекторного тока в р-слой подложки. Необходимо до­ биваться, чтобы коэффициент передачи токар-п-р-транзистора

был по возможности малым, что автоматически достигается при

сильнолегированном п+-скрытом слое, входящем в состав базы этого транзистора. Однако в этом случае р-п-р-транзистор по­ требляет большой ток I 1 , который течет не через :коллекторный пе­ реход, а через переход эмиттер-база паразитного транзистора.

Вслучае диэлектрической изоляции паразитный р-п­ р-транзистор отсутствует, однако емкость Скп сохраняется, но

еевеличина меньше, чем при других видах изоляции.

Вмикроэлектронном исполнении существуют ряд разновид­

ностей биполярных п-р-п-транзисторов, не имеющих анало­

гов в дискретном исполнении. Рассмотрим основные особеннос­

ти некоторых из них.

Многоэмиттерные транзисторы. Этот вид транзисторов состав­ ляет основу таких цифровых ИС, как схемы ТТЛ (транзистор-:­

транзисторная логика). Структура и схемные модели много­ эмиттерного транзистора (МЭТ) представлены на рис. 7. 7, где показаны три эмиттера. :Количество эмиттеров может быть 5-8 и более. МЭТ можно часто рассматривать как совокупность от­ дельных транзисторов с соединенными базами и соединенными

а)

Рис. 7.7

коллекторами. Такое объединение транзисторов на одном крис­ талле приводит к ряду особенностей.

Одна из особенностей связана с тем, что смежные эмиттеры вместе с разделяющим их р-слоем базы формируют паразитный горизонтальный п+-р-п+-транзистор.

При работе МЭТ может складываться ситуация, когда, напри­

мер, на Э1 будет отрицательный потенциал, а на Э2 - положительный. В этом случае паразитный п+-р-п+-транзистор рабо­ тает в активном режиме, и через переход на границе Э2, который должен быть закрыт, будет протекать заметный ток. Для устране­

ния или ослабления этого паразитного для МЭТ эффекта расстоя­ ние между соседними эмиттерами должно в 3 ... 5 раз превышать диффузионную длину электронов в р-базовой области, т. е. состав­ лять 10... 15 мкм. При легировании базы золотом диффузионная

длина составляет 2... 3 мкм. Поскольку паразитный транзистор

может попасть в инверсный режим, то инверсный коэффициент передачи тока а1 должен быть по возможности малым. В против­

ном случае носители, инжектируемые коллектором паразитного

транзистора, например Э2, достигают эмиттеров, например Э17 и аналогично предыдущему случаю через обратносмещенный пере­ ход будет протекать заметный паразитный ток, что крайне неже­ лательно, особенно в цифровых ИС. Для уменьшения а1 в МЭТ технологически увеличивают сопротивление пассивной базы до

200... 300 Ом посредством удаления омического базового контакта от активной области транзистора на большее расстояние.

Многоколлекторные n-р-n-транзисторы. Многоколлектор­ ные транзисторы (МКТ) составляют основу схем инжекционной

логики И2Л. Они по своей структуре не отличаются от структу­

ры МЭТ. МКТ - это, по сути дела, МЭТ, используемый в ин­

версном режиме (рис. 7.8).

э

~

а) г.)

Рис. 7.8

Основным требованием при изготовлении МКТ является полу­ чение больших значений нормального коэффициента передачи то­ ка а от общего эмиттера к коллекторам (задача, обратная МЭТ).

Это достигается размещением коллекторов по возможности ближе

друг к другу и совмещением скрытого п+-слоя с базой. В этом слу­

чае п+-слой, будучи частью эмиттера, обеспечит высокий коэффи­

циент (и ток) инжекции, что увеличивает а. Оба отмеченных

способа имеют конструктивно-технологические ограничения. Ти­

пичные реализованные значения а"" 0,8...0,9 (~ = 4 ... 10), что удов­ летворяет нормальному функционированию схем И2Л (см. гл. 9), в которых ~ на один коллектор должен быть больше единицы.

Поэтому число коллекторов не превышает 3 ... 5. Инерционные

параметры типичных МКТ имеют следующие величины: время

пролета tпр"" 5 ... 10 пс, предельная частота не более 20... 50 МГц,

коллекторная емкость по сравнению с МЭТ значительно мень­ ше, и ее влиянием часто можно пренебречь.

Транзистор с барьером Шопки. Используются в таких цифро­ вых ИС, где транзистор работает в режиме насыщения. Этот тип отличается от обычных п-р-п-транзисторов ИС конструкцией базового контакта (рис. 7.9, а). В этой структуре п-р-п-тран­ зистор сочетается с диодом Шоттки за счет того, что алюминие­ вая металлизация, обеспечивающая омический контакт ср-слоем базы, продлена в сторону коллектора. В результате образуется

выпрямляющий контакт Шоттки между металлизацией и сла­ болегированной коллекторной областью, что эквивалентно вклю­

чению диода Шоттки между базой и коллектором (рис. 7.9, б). Диод ограничивает прямое напряжение на коллекторном пере­

ходе на уровне 0,3 ...0,4 В (см. БАХ контакта металл-полупро­ водник в гл. 2), что недостаточно для накопления избыточного

заряда инжектированных неосновных носителей. Поэтому вре­ мя рассасывания пренебрежимо мало, что повышает быстродей­

ствие цифровых схем.

э Б А! к

Рис. 7.9

создается скрытый слой 1 п-типа и скрытый слой 2 р+-типа.

В эпитаксиальном п-слое формируются р-п-р-транзисторы,

которые располагаются в карманахр-типа~ На рис. 7.11 обозна­

чено: эмиттер - 3, активная база- 4, пассивная база - 5, кол­ лектор 6. На скрытый слой 1 через п+-область подается напря­

жение от источника +р, в результате р-п-переходы между слоями 1 и 2 и переход между подложкой и слоем 1 являются обратносмещенными.

Для создания ИС с вертикальными транзисторами требуется значительно больше технологических операций. Коэффициент передачи тока базы вертикального р-п-р-транзистора превы­ шает 100, а достижимая граничная частота - свыше 5 ГГц.

Как отмечалось ранее, для получения р-п-р-транзисторов

с улучшенными параметрами используется технология «крем­

ний-на-сапфире - КИС», при которой р-п-р-транзисторы

формируются, по существу, отдельно от n--'р-п-транзисторов

на диэлектрической подложке из сапфира. Ширина базы и уро­

вень легирования в этом случае могут быть оптимизированы, но

это достигается значительным усложнением технологии, а сле­

довательно, и удорожаниемИС.

7.5. Интегральные диоды

Для того чтобы сформировать диод с р-п-переходом, необхо­ димо только создать диффузионную область р-типа в пластине

п-типа и сделать контакты к верхней и нижней поверхностям пластины. Однако в ИС обычно формируется много диодов и

транзисторов, которые должны быть изолированы друг от друга диэлектриками или обратносмещеннымир-п-переходами, либо

другими способами изоляции (см. п. 7.2). Кроме того, отдельное изготовление диодов в групповом методе производства ИС крайне

нерационально. Проще и дешевле изготавливать транзисторы.

ВИС в качестве диодов используются либо эмиттерный, либо

коллекторный переходы, расположенные в изолирующем карма­ не. Возможно использование комбинации указанных переходов.

Врезультате ДИОД В ИС представляет собой ВЫПОЛНеННОе тем ИЛИ

иным способом диодное включение интегрального транзистора.

Различные варианты этого включения представлены на

рис. 7.12. Кроме показанных там вариантов, в качестве диода

можно использовать структуру, не имеющую эмиттерной облас­ ти, своего рода транзистор без эмиттера. На рис. 7.12 «плюс»

220 Раздел 2. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

буквенных обозначениях внизу рисунка соответствует буква или буквы до черточки, а катоду - после черточки. Типичные параметры интегральных диодов, изображенных на рис. 7.12,

приведены в табл. 7.1, где Ипроб - напряжение пробоя соответ­

ствующего перехода, J06P - обратный ток, Сд - емкость диода (емкость между анодом и катодом), С0 - паразитная емкость между подложкой и катодом или анодом, она обычно совпадает с Скп и шунтирует на «землю» анод или катод; tв - врем.я вос­ становления обратного тока, равное времени переключения ди­

ода из от:крытого в закрытое состояние.

Пробивное напряжение Ипроб эмиттерного перехода в 5... 7 раз меньше, чем коллекторного. Эта особенность присуща всем дрей­ фовым транзисторам и связана с тем, что эмиттерный переход образован более низкоомными слоями, чем коллекторный, по-