2.15.5 Транзисторы с продольной структурой

В схемотехнике микроэлектронных устройств часто требуется совместить в одном технологическом процессе в пределах одного кристалла БПТ разного типа проводимости. Полагая основной структурой БПТ структуру n-p-n-транзистора, транзисторы со структурой p-n-p исполняются как дополняющие. Так как технологическая структура основного транзистора не соответствует исполнению дополняющего транзистора, то применяются разнообразные конструктивно-технологические решения по созданию дополняющих транзисторов как без увеличения слойного состава структуры, так и с увеличением числа технологических слоев. Основным структурным вариантом дополняющего р-n-р-транзистора является горизонтальная (продольная) изолированная структура, изображенная на рисунке 2.52.

Технология формирования структуры соответствует технологическому циклу формирования структуры ЭПСК. Эмиттерный и коллекторный слои получаются на этапе базовой диффузии, причем коллекторный слой охватывает эмиттер со всех сторон. Это позволяет собирать инжектированные дырки со всех боковых поверхностей эмиттерного слоя. Приповерхностные боковые участки р-слоев хара-ктерны повышеннойконцентрацией примеси, что спо-собствует увеличению коэффициента инжекции. Горизонтальный р-n-p-транзис-тор на основе ЭПСК является бездрейфовым, так как его база является однородным n-слоем. Этот факт и меньшая подвижность дырок предопределяют на порядок худшие усилительные и частотные свойства дополняющего р-n-р-транзис-тора при той же ширине базы, что и у основного дрейфового n-р-n-транзистора. Для увеличения коэффициента передачи эмиттерного тока необходимо уменьшать пло-щадь донной части эмиттерного слоя по сравнению с площадью боковых частей, для чего эмиттерный слой следует планировать возможно более узким. Горизонтальному р-n-р-транзистору свойственна электрофизическая симметрия, так как слои эмиттера и коллектора однотипные, что соответствует одинаковым напряжениям пробоя и удельным емкостям эмиттерного и коллекторного переходов. При одинаковых размерах и форме областей эмиттера и коллектора значения нормального и инверсного коэффициентов передачи тока равны.

Горизонтальная структура в качестве основной рассматривалась в подразделе, посвященном конструкциям МКТ, где инжектор соответствует эмиттеру, а база МКТ соответствует коллектору дополняющего транзистора. Коэффициент усиления по каждому из коллекторов будет примерно в n раз меньше, чем для единого коллектора, но все коллекторы будут действовать «синхронно», а нагрузки, присоединенные к ним, будут изолированы — «развязаны» друг от друга.

Уменьшить ширину базы, ослабить потери инжекции носителей заряда через донную поверхность эмиттера и потери переноса к коллектору можно в усложненной вертикальной структуре, изображенной на рисунке 2.53, а.

Согласно рисунку 2.53,а структура вертикального дополняющего р-n-p-БПТ следуют две такие операции:

– глубокая диффузия р-слоя;

– заключительная диффузия р⁺⁺-слоя.

Последняя операция весьма проблематична, так как для получения р⁺⁺-слоя необходим акцепторный материал, у которого предельная растворимость больше, чем у донорного материала, используемого в формировании n⁺-слоя. Поскольку такие материалы практически отсутствуют, необходимо выполнить операцию травления верхней наиболее легированной части n⁺-слоя перед формированием диффузионного р⁺⁺-слоя, что дополнительно усложняет технологический цикл.

Большие возможности формирования качественных p-n-p-транзисторов открывает технология КНС («кремний на сапфире»). Транзисторы р-n-p и n-p-n изготавливаются последовательно, начиная с этапа эпитаксии р-слоя. Локальная эпитаксия n- и р-слоев осуществляется через разные маски. Ширина баз и степень легирования эмиттерных слоев могут формироваться. Необходимость в локальной эпитаксии и два дополнительных процесса диффузии существенно усложняют и удорожают производство изделий с взаимодополняющими БПТ по технологии КНС.

В горизонтальном р-n-р-транзисторе, показаном на рисунке 2.52, в отличие от вертикального, до коллектора доходят носители, инжектируемые только боковой поверхностью эмиттерного перехода в горизонтальном направлении (Ig), а носители, инжектируемые основанием в вертикальном направлении (Iv), рекомбинируют в объеме полупроводника. Для удобства расчета электрических параметров обычно заменяют боковые участки эмиттерного перехода прямыми линиями и полагают Lоe= Le+2Хecos (π/4) ≈ ≈Le + l,4Хe; Bоe = Be+l,4Xe; Wob =Wb–l,4Xe. Значения Le, Be и Wb принимаются по границам топологического объекта на фотошаблоне, а Хе — глубина залегания эмиттерного и коллекторного переходов.

Для определения коэффициента передачи тока горизонтального транзистора по аналогии можно воспользоваться расчетным соотношением для коэффициента передачи тока из инжектора в базу МКТ (αin) из подраздела 2.16.2 (с учетом отличий топологических конфигураций рассматриваемых объектов) или выражением общего вида (без учета коэффициента умножения М)

α = γ1× γ × β,

где γ1 — поправочный коэффициент, учитывающий долю дырочного тока эмиттерного перехода, протекающего в горизонтальном направлении;

γ — коэффициент инжекции эмиттера через боковую повернность;

β — коэффициент переноса горизонтальной части эмиттерного тока.

Коэффициент γ1 определяется по по формуле

γ1 = [1+ Soe×Iv/(Sbе×SoeIg)]^–1, (2.125)

где Soe,Sbe — площади донной и боковой частей эмиттерного перехода. Составляюшая тока через донную часть эмиттера Iv обуславливает образование паразитной транзисторной связи через элемент VTп. Величина тока Iv зависит от формы эмиттерной области и параметров структуры, образующей транзистор VTп. Для прямоугольных форм эмиттерной и внутренней частей коллекторной области учет влияния вариантов ЭПСК структуры основного БПТ со скрытым n⁺-слоем (или без него) на плотность токов Ig, Iv позволил представить выражение (2.125) для поправочного коэффициента в следующем виде [5]:

при наличии скрытого n⁺-слоя

γ1 = [1 + (Soе/Sbe)× th (Wb/Lp)× th (W2/Lp)]^–1, (2.125а)

при его отсутствии

γ1 = [1 + (Soе/Sbe)× th (Wb/Lp) × cth (W1/Lp)]^–1. (2.125б)

Значения коэффициентов инжекции γ и переноса β определяются по формулам классической структуры БПТ (см. подраздел 2.13). Из выражений (2.125а), (2.125б) следует, что величина α увеличивается при наличии скрытого n⁺-слоя и уменьшении W1, а также при уменьшении размера Le эмиттерного перехода и увеличении глубины его залегания.

Геометрические размеры горизонтальных транзисторов выбираются с учетом уровня инжекции по допустимому рабочему току (Ied) для горизонтальной составляющей эмиттерного тока по формулам

Ied / Be = Ft×Xe / (ρbWbγ1) при ψ ≥1, (2.126)

Ied/Be = Ft / {(ρb×γ1)√[2× (1–β)^–1]} при ψ ≤1, (2.126а)

где ψ = (Wb /Xe) ×√[2× (1–β)^–1].

По формулам (2.126), (2.126 а) приводится в соответствие с заданным током Ied один из размеров (Ве) эмиттера. Два других размера, глубина залегания Хе и длина Le, полагаются выбранными. Остальные размеры: ширина базы, коллектора, технологические зазоры, размеры контактов определяются конструктивно- технологическими нормами и ограничениями.

Кроме горизонтальных транзисторов с коллектором, полностью охватывающим эмиттер (см. рис. 12.13), часто используются транзисторы с разомкнутым коллектором (рис. 12.14, а). В этой конфигурации коллекторы могут быть либо объединены, либо использоваться раздельно, и тогда транзистор имеет два коллектора (рис. 12.14, б). Обычно горизонтальные транзисторы имеют В < (50–100).

Температурный коэффициент коэффициента усиления В горизонтального транзистора имеет приблизительно то же значение, что и для вертикального p-n-p-транзистора (0,3–0,5) %/°С.

Пример. Выполнить оценку коэффициента передачи горизонтального транзистора со структурой по рисунку 2.5 и а при объединенных коллекторах и ширину эмиттера В2 (по фотошаблону) при следующих исходных ограничениях: рабочий ток Ied =1 мА; длина эмиттера (по фотошаблону) Le =12 мкм; Wb (по фотошаблону) = 6 мкм; Хе =2,4 мкм; ρб = 0,5 Омсм; W2 = 2,6 мкм; Lp = 10,2 мкм.

Результаты оценок: Wob =2,64 мкм; Loe = l5,4 мкм; Soe/Sob= = 3,2; β = 0,97; γ1 = 0,83; α = 0,81; B = 4,3; ψ = 9>1 (эффективный коэффициент инжекции на один коллектор равен γ1/2=0,41); Ied/Be = 0,023 mА/мкм; Boe = 43 мкм; Be = 40 мкм.

Частотные свойства коэффициента передачи горизонтального транзистора определяются аналогично обычному n-p-n-тран-зистору. Однако в частотной модели горизонтального транзистора учитывается заряд неосновных носителей, накапливаемый в «активной» (между боковыми поверхностями эмиттера и коллектора) и «пассивной» (под донной частью эмиттерного перехода) частях базовой области. Для горизонтального транзистора

τ_α = Qg /Ic, (2.127)

где Qg = Qoe+Qb;

Qoe, Qb — заряды неосновных носителей, накопленные под донной частью эмиттера и в активной базе соответственно.

При выполнении условий Wb/Lp, W1/Lp выражение (2.127) преобразуется к виду

τ_α = [(Wb²/(2Dp)]  [1+SoeW1/(SbeWb)], (2.127а)

в отсутствии скрытого n⁺-слоя, и

τ_α = [(Wb²/(2×Dp)[1+2×Soe×W2/(Sbe×Wb)], (2.127б)

при наличии скрытого слоя.

Формулы (2.127) не учитывают влияния емкостей переходов эмиттер-база и коллектор-база и подложки. Учет влияния емкостей на быстродействие горизонтального транзистора осуществляется по электрической схеме замещения подобно тому, как это оговаривалось в отношении основного вертикального транзистора. Топология дополняющего БПТ занимает при прочих равных условиях больше площади, чем основной БПТ вертикальной структуры. Потому, несмотря на меньшие удельные емкости перехода эмиттер-база, емкости переходов коллектор-база и база-подложка с электродными сопротивлениями образуют повышенные постоянные времени в дополняющем БПТ. Названные факторы ограничивают быстродействие дополняющих p-n-p БПТ десятками (10–50) мегагерц.

Пример. Оценить значение τ_α горизонтального транзистора при следующих исходных данных: Wb = 6 мкм; Dp = 6 см²/сек; W1 = 3 мкм; W2 = 2,5 мкм; Soe/Sbe = 3.

Т

а

б

опология горизонтального транзистора, изображенная на рисунке 2.54, с раздельными коллекторными областями известна, как обращеный МКТ с управлением по базе или эмиттеру (см. рис. 2.54,а). Ее применение упрощает топологию схем, в которых требуются р-n-р-транзисторы с объединенными эмит-терными и базовыми контактами. Решение проблемы внешней инжекции носителей в базу МКТ позволило выйти на приборы с инжекционным питанием, рассмотренные в подразделе 2.16.2.

В ряде схемных решений го­ризонтальный p-n-p-транзистор должен иметь небольшой, но стабильный коэффициент усиления при разбросах технологических режимов его изготовления. Многоколлекторное исполнение БПТ, когда при общих эмиттере и базе отношение коэффициентов передачи тока по отдельным коллекторам транзистора определяется отношением потоков носителей заряда пропорциональных «активным» боковым поверхностям эмиттера, решение по стабилизации усиления реализовано соединением электродов представленным на рисунке 2.54, б [4].

Так, полагая суммарный коэффициент усиления двухколлекторного транзистора, при условии, что оба коллектора (К1 и К2) закорочены, равным Вс, а коэффициенты усиления транзисторов при использовании каждого коллектора в отдельности равны В1, В2 и удовлетворяют условию B2/B1 = Sbe2/Sbe1 = n, можно показать, что по оставшимся трем электродам (база, коллектор К2, эмиттер) транзистор характеризуется эквивалентным коэффициентом передачи тока базы Вэ, определяемым по формуле

Вэ = n/[1+(n+1)/Bc].

В представленном выражении при Вс >> (n+1) значение Вэ определяется стабильностью геометрических размеров и не зависит от нестабильности усиления Вс, что и требовалось.

Пример. Необходимо оценить среднее значение и изменение усиления тока Вэ при изменении Вс в диапазоне (10–30) при n = 5 для рассмотренной схемы стабилизации коэффициента передачи тока на двухколлекторном транзисторе.

Результат оценки: значение Вэ= 3,13–4,17, т.е снижается с ±50% до ±14%.