2.15.4 Транзисторы с контактными переходами Шоттки

Быстродействие переключателей на БПТ в значительной степени определяется длительностью процесса рассасывания заряда неосновных носителей, накопленных в базе и коллекторе при работе транзистора в режиме насыщения. Известны способы защиты БПТ от захода в режим насыщения введением нелинейной обратной связи между коллектором и базой с помощьюбыстродействующих диодов. Благодаря низким напряжениям спрямления, высокому быстродействию и технологической совместимости со структурами БПТ, переходы Шоттки нашли широкое применение в качестве встроенных элементов нелинейной обратной связи БПТ (см. рис. 2.51, а).

Для исключения поверхностных каналов, повышения пробивного напряжения, снижения плотности обратных токов в структуре (см рис. 2.51, б) введена кольцевая охранная р-область, являющаяся частью общей базовой области. Так как емкость и сопротивление зависят от металла контактной пары, концентрации легирующей примеси базы, формы и площади перехода Шоттки, необходимо их выбором обеспечивать (4–5) кратное превышение граничной частоты перехода Шоттки над граничной частотой собственно транзистора. Топология транзистора с переходом Шоттки (внешние границы коллекторной области на рисунке не показаны) изображена на рисунке 2.51, в. Транзистор с переходом Шоттки часто называют транзистором Шоттки (ТШ).

Полагая, что БПТ при степени насыщения S = BIb/Ic шунтированием коллекторно-базового перехода транзистора переходом Шоттки выводится на границу области ненасыщенного режима, ток перехода Шоттки может быть в первом приближении оценен по формуле

Id = Ic (S –1) / B. (2.123)

Благодаря меньшим напряжениям спрямления и высокому быстродействию переходов Шоттки ТШ имеют малый инверсный коэффициент усиления, оцениваемый по формуле

Bi ≈ Ie/Ib ≈ q× n_i² × Db× Кш × [ехр (φ_мn/φ_Т) ] / (Nг×Iош), (2.124)

где Кш — отношение площади донной части эмиттерного перехода к площади перехода Шоттки (Sш);

Nг = ∫ Nb(x)dx (0≤x ≤Xb).

Своеобразной платой за ненасыщенный режим функционирования является увеличение остаточного напряжения на открытом транзисторе Шоттки на величину разности напряжений спрямления классического перехода коллектор-база БПТ и перехода Шоттки. В результате повышается уровень нуля выходных напряжений логических элементов в среднем на 0,2 В, снижается амплитуда выходных сигналов и помехозащищенность устройств с ТШ. Тем не менее применение ТШ и переходов Шоттки составили основу для самостоятельного элементного базиса, получившего наименование транзисторно-транзисторной логики с приборами Шоттки (ТТЛШ).

Структурно-топологическое решение, показанное на рис. 2.51, а, б, используется не только в одноколлекторных и одноэмиттерных конфигурациях транзисторов, но и в многоэлектродных конструкциях транзисторов. Выигрыш во времени переключения транзисторов из открытого в закрытое состояние в зависимости от условий применения может составлять единицы и десятки раз.

Хотя совокупность параметров ТШ аналогична перечню параметров классических БПТ, для отдельных ТШ определять их не продуктивно. Учитывая специализацию применения в ИМС, сведения, приведенные по специфике конструкций переходов Шоттки и ТШ, достаточны для учета их в физико-топологических моделях конструкций с этими приборами.

Пример. Рассчитать площадь алюминиевого контакта Sш ТШ в n-р-n-транзисторе с граничной частотой fα = 850 МГц и зависимость значения Вi от Kш при Nc = 10¹⁶ см^–3; B = 300; Db = 18,2 см²/с; Nг = 2,110¹² см^–2 степень насыщения S = 30 при коллекторном токе Ic = 1,8 мА.

При Nc =10¹⁶ см~³ постоянная времени τ_н практически не ухудшает быстродействия ТШ, поэтому ограничивающей является τ_ш. Максимальный ток, протекающий через переход Шоттки, Id = 0,18 мА. При Io = 2×Iп = 280 А/см² площадь перехода S = 64 мкм², φ_n = 0,57 В, Сб = 0,06 пФ. При f_ш= 5×fα Rэ ≤ 0,6 ком. Инверсный коэффициент усиления при Iош = 1,4×10^–6 А/см², Bi = 2×10^–4 ×Кш.