2 Проектирование элементов и кристаллов биполярных имс

2.1 Введение

В полупроводниковых микросхемах в качестве активных приборов применяются биполярные и полевые транзисторы. По определению радиоэлементы полупроводниковых микросхем размещаются в приповерхностном объеме полупроводниковой пластины или в полупроводниковой области, размещенной на диэлектрической подложке.

Приповерхностный объем характеризуется поперечным сечением (структурой) и плоскостными областями, выделенными на поверхности пластины (топология). В структуре приповерхностного объема выделяются слои, отличающиеся совокупностью параметров. Со стороны поверхности пластины этим слоям придаются определенные плоскостные (топологические) формы и размеры. Технологические процессы формирования радиоэлементов в приповерхностном объеме пластин связаны с формированием слоев структуры и придания им топологических форм и размеров для достижения необходимых параметров элементов.

Биполярные транзисторы получили широкое распространение в современной электронике. В микроэлектронике БПТ также широко применяются, составив основу направления биполярных микросхем. Основным элементом этих микросхем является БПТ, для задания рабочих режимов которого требуются резисторы, диоды. Наиболее сложная по составу слоев структура БПТ содержит по крайней мере два рабочих p-n-перехода (эмиттерно-базовый и коллекторно-базовый). На рисунке 2.1 показаны две структуры БПТ:

• с коллекторной областью 2, совмещенной с пластиной 4 (рис. 2.1, а);

• с коллекторной областью 2, отделенной от пластины 4 и, следовательно, от других транзисторов, расположенных на пластине (рис. 2.1, б).

На рисунке 2.1, а выделены эмиттерный (поз. 2), коллекторный (поз. 1), базовый (поз. 3) слои структур БПТ. В структуре, изображенной на рисунке 2.1,б, присутствуют дополнительные границы 4, разделяющие коллекторы 1 БПТ один от другого и общего несущего основания 5. Границы 4 выполняют функцию изоляции для транзисторов и могут быть реализованы в виде p-n-перехода, неполярного диэлектрика или их сочетания. Как видно по рисунку 2.1, структура БПТ с изолированными областями коллекторов содержит не менее четырех слоев, включая несущее основание. Для исполнения изолированных диодов и резисторов требуется не более четырех слоев. Поэтому слои изолированных структур БПТ одновременно могут быть применены для исполнения на их основе и других сопутствующих радиоэлементов ИМС. Такое решение является основным в реализации ИМС с БПТ, так как позволяет исключить дополнительное увеличение числа слоев структуры, хотя и ограничивает выбор параметров слоев для радиоэлементов значениями, принятыми для такого прибора, как БПТ.

2.2 Состав радиоэлементов бпт имс

В электрические схемы цифровых и аналоговых электронных устройств с БПТ входят следующие радиоэлементы:

• биполярные транзисторы, резисторы, диоды, конденсаторы, прочие радиоэлементы.

Электрические схемы, после определенной доработки, могут быть реализованы в микроэлектронном исполнении в виде микросхем. Доработка схем предполагает приведение параметров образующих радиоэлементов и режимов их функционирования в область значений, допустимых для исполнения радиоэлементов в виде элементов кристаллов. Если для ряда радиоэлементов доработка схем не позволяет избежать значений параметров, несовместимых с исполнением на кристалле, то принимается решение об исполнении схемы в виде гибридной ИМС или переходе к узлам с печатным или объемным исполнением. Для принятия решений в процессе проектирования микроэлектронной аппаратуры в подобных ситуациях необходимо знать и уметь учитывать ограничения на параметры радиоэлементов, выполненных по полупроводниковой или пленочной технологии.

Резисторы исполняются в эмиттерном, базовом или коллекторном слоях транзисторной структуры. Резисторы от других элементов схемы в кристалле изолируются p-n-переходом или, если слой коллекторный, изоляцией, принятой для изоляции коллекторов БПТ. Конструкция резистора представляет собой полосу в слое, от которой с двух сторон предусмотрены отводы.

Диоды широко применяются в аналоговых и цифровых устройствах в качестве функциональных элементов задания режима БПТ или выполнения функциональных преобразований цифровых и непрерывных сигналов. В диодах микроэлектронных конструкций могут использоваться от одного до трех p-n-переходов транзисторной структуры. Применяемость диодов, исполненных на одном p-n-переходе, ограничена, так как один из электродов диода должен быть совмещен с общим выводом ИМС, т.е. с несущим основанием (пластиной).

Конденсаторы в аналоговых устройствах, в отличие от цифровых, применяются достаточно широко. Проблемой применения конденсаторов в микроэлектронных конструкциях (в ИМС в частности) является ограниченный номинал емкости микроэлектронных конденсаторов. В полупроводниковых ИМС (ППИМС) в качестве конденсаторов используются барьерные емкости обратно смещенных p-n-переходов или емкости, образованные металлическими пленками и слоем полупроводниковой структуры, разделенных слоем диэлектрика.

В таких конденсаторах конструктивно-технологические ограничения не допускают числа обкладок более двух, и поэтому достижимое значение емкости однозначно определяется площадью перекрытия двух обкладок.. Площадь, отводимая в ППИМС под размещение одного конденсатора, не превышает целесообразные пределы (0,01–0,03) мм². Величина удельной емкости конденсаторных структур в ППИМС составляет (50–200) пф/мм². В проектировании электрических схем, особенно для цифровых ППИМС, стремятся избегать применения конденсаторов. Конденсаторы емкостью более (10–50) пф для ППИМС предпочтительно выносить за пределы кристаллов ИМС и использовать объемные компоненты в составе гибридных микросхем или иных конструкций с печатным монтажом.

Вопросам проектирования перечисленных радиоэлементов посвящены соответствующие подразделы пособия.