Тема 2. Проектирование топологии бпт – 2 ч.

К проектированию топологии БПТ должны быть подготовлены:

• каталог топологических конфигураций БПТ;

• технологические допуски на совмещение топологических слоев ∆С и искажение границ (∆L ≈ ∆B) фрагментов слоев по длине L и ширине B ;

• сведения о параметрах технологического варианта структуры БПТ, определяющих выбор форм и размеров топологических конфигураций (толщины структурных слоев Xi, ширины p-n-переходов при нулевом внешнем смещении Wi(0), удельные поверхностные сопротивления слоев R□i, удельные контактные сопротивления контактных пар «металлизация — полупроводник» Roi (или первичные параметры для их оценки)).

Каталог топологических конфигураций БПТ обычно содержит варианты плоских конструкций (топологий), отличающихся формой и числом эмиттеров, контактов к базе и коллектору. Простейшей является топология БПТ с одиночными полосковыми контактами к каждой их трех областей

Перечень вопросов занятия по теме2:

- выбор форм и размеров топологии эмиттера;

- проектирование топологии эмиттера по рабочему току;

- корректировка топологии по рабочему току;

- оценка влияния топологии на усиление БПТ.

Примерные задания по теме 2

Вариант 1 Выбрать допустимые размеры эмиттера и определить номинальный рабочий ток транзистора при допустимой неравномерности плотности тока по эмиттеру не более 0,1 и номинальном значении плотности тока эмиттера 10 мкА/мкм².

Прочие исходные данные:

Структуры ЭПСБ. Толщина слоя эмиттера – 1 мкм; Толщина слоя базы вне слоя эмиттера – 2 мкм. Ширина перехода коллектор-база – 0,5 мкм (при 5 В), эмиттер-база – 0.1 мкм (при 1 В) Поверхностное сопротивление эмиттера – 1 Ом, базы вне эмиттера – 200 Ом. Коэффициент передачи тока базы вертикальной структуры БПТ- 200. Толщина коллектора – 2 мкм.. Поверхностное сопротивление проводных соединений – 0,2 Ом. Все зазоры между областями на поверхности не менее 1 мкм. Удельные переходные сопротивления контактов 400 Ом*мкм2. Глубина разделительной изолирующей диффузии - 3 мкм Минимальный размер топологической фигуры – 1 мкм..

Оценить уровень влияния топологии на усиление БПТ.

Представить эскиз структуры и топологии прибора.

Вариант 2 Выбрать допустимые размеры эмиттера при номинальном рабочем токе транзистора 5 mA при допустимой неравномерности плотности тока по эмиттеру не более 0,1 и номинальном значении плотности тока эмиттера 10 мкА/мкм².

Прочие исходные данные:

Структуры ЭПСБ. Толщина слоя эмиттера – 1 мкм; Толщина слоя базы вне слоя эмиттера – 2 мкм. Ширина перехода коллектор-база – 0,5 мкм (при 5 В), эмиттер-база – 0.1 мкм (при 1 В). Поверхностное сопротивление базы вне эмиттера – 200 Ом. Коэффициент передачи тока базы вертикальной структуры БПТ- 200. Толщина коллектора – 2 мкм. Поверхностное сопротивление проводных соединений – 0,2 Ом. Все зазоры между областями на поверхности не менее 1 мкм. Удельные переходные сопротивления контактов 400 Ом*мкм2. Глубина разделительной изолирующей диффузии - 3 мкм. Минимальный размер топологической фигуры – 1 мкм.

Оценить уровень влияния топологии на усиление БПТ.

Представить эскиз структуры и топологии прибора.

Вариант 3. Выбрать допустимые размеры эмиттера при номинальном рабочем токе транзистора 5 mA при допустимой неравномерности плотности тока по эмиттеру не более 0,1 и номинальном значении плотности тока эмиттера 8 мкА/мкм².

Прочие исходные данные:

Структуры ЭПСК. Толщина слоя эмиттера – 1 мкм; Толщина слоя базы – 3 мкм. Ширина перехода коллектор-база – 0,5 мкм (при 5 В), эмиттер-база – 0.1 мкм (при 1 В). Поверхностное сопротивление базы вне эмиттера – 300 Ом. Коэффициент передачи тока базы вертикальной структуры БПТ - 200. Топология двухэмиттерная однобазовая. Толщина коллектора – 6 мкм. Глубина разделительной изолирующей диффузии - 8 мкм. Поверхностное сопротивление коллектора – 100 Ом. Поверхностное сопротивление проводных соединений – 0,2 Ом. Все зазоры между областями на поверхности не менее 1 мкм. Удельные переходные сопротивления контактов 400 Ом*мкм2. Минимальный размер топологической фигуры – 1 мкм.

Оценить уровень влияния топологии на усиление БПТ.

Представить эскиз структуры и топологии БПТ.

Расчётные соотношения к теме 2

Номинальный рабочий ток Ip = Iс ≈ Ie определяется допустимой плотностью тока Io [А/см²] в областях структуры БПТ и площадью минимального фрагмента структуры, транслирующего рабочий ток. По принципу действия БПТ фрагментом структуры с минимальной площадью является эмиттер, и поэтому рабочий ток Ip может быть определен по формуле

Ip = Se Io,

где Se [см² ] — площадь эмиттера БПТ.

Допустимая длина эмиттера Le, вследствие относительного снижения плотности тока по длине эмиттера на величину

α2 ≤ (0.1—0.2),

определяется по формуле

Le ≤ [3 α2BFt/(IoR□a)]^0,5.

Значение Le может быть принято больше рассчитанной величины снижением допустимой плотности тока и соответственно рабочего тока транзистора или с учётом снижения эффективности эмиттера как инжектора и снижения усиления прибора.

При известной площади эмиттера Se значение ширины эмиттера Ве определяется по формуле

Ве ≥ Se/Le,

но, как и длина эмиттера, максимальный размер ширины контакта к эмиттеру не должен превышать значение

Вke ≤ 3α3FtLke/(IpRп),

где Вke, Lke — соответственно ширина и длина контактного окна к эмиттеру;

Rп — удельное поверхностное сопротивление контактной металлизации к эмиттеру;

Ip — расчётный ток эмиттера БПТ.

Ширина и длина контактного окна к эмиттеру выбираются или оцениваются с учетом технологических ограничений

Lmin ≤ Lke = Le –2d1 = Le –2∆з,

Lmin ≤ Bke = Be –2d1 = Be –2∆з.

Если неравенства не выполняются, то из них определяются, при заданных Lke, Bke, ∆з, значения длины и ширины эмиттера и корректируется в сторону снижения плотность тока в эмиттере с обеспечением нормы по длине эмиттера.

Максимально допустимый размер Вke, при выбранной предварительно плотности тока, известном поверхностном сопротивлении соединений и контактов, определяется через длину эмиттера и контакта к нему по формуле

Bke ≤[3α3FtLke /(IoRпLe)]^0,5,

в которой α3 ≤ (0.1—0.2) есть допустимое относительное снижение плотности тока по измерению Bke.

Габаритные размеры БПТ определяются не только размерами топологических конфигураций на поверхности кристалла, но зависят от толщины и формы поверхности слоя в глубине кристалла. Профиль боковой поверхности объёмной области БПТ зависит от толщины слоя и технологического способа разделения слоя на «функциональные островки».

Применение диффузии для изоляции элементов ИМС сопровождается образованием «радиальных» боковых поверхностей. По отношению к формируемому элементу локальная диффузия может проводиться со стороны элемента или извне. В первом случае диффузию можно определить как разделительную внутреннюю, во втором — как разделительную внешнюю.

Внешняя разделительная диффузия проводится для изоляции элементов формируемых в эпитаксиальных слоях структур.

Полный ток эмиттера транзистора определяется по формуле:

Ie=Io×Se1+ Io×Se2,

где Se1, Se2 — соответственно площади донной и боковой поверхности эмиттера, определяемые по формулам

Se1 = (Le–2×Xeb)×(Be–2×Xeb),

Se2 = π×Xeb×(Le+Be – 2×Xeb).

Размеры и форма эмиттера выбираются таким образом, чтобы обеспечить постоянство плотности Io тока по донной площади эмиттера.

Носители, инжектированные через боковую поверхность эмиттера, попадают в расширенную область базы (см. рис. 2.26), причем ширина этой области зависит от профиля боковой поверхности и эмиттера, и базы. Потери переноса в базе будут состоять из потерь по основанию и потерь по боковой поверхности. Суммарный ток потерь на рекомбинацию носителей в базе Ir оценивается по выражению

Ir = Ir p + Ir s,

где

Ir p =Io× Se1× (Wbn)² / [2 × Lnb²] — ток рекомбинации под донной областью эмиттера и

Ir s = Io×Se2× (Wbns)² / [2 × Lnb²] — ток рекомбинации со стороны боковой поверхности эмиттера. Усредненная ширина базовой области Wbns может быть оценена по выражению вида

Wbns ≈ (0.5×Xeb+Wbn)×√2.

Для структуры БПТ с диффузионным слоем базы плотность тока Io по донной поверхности эмиттера выше, чем по боковой, по причине меньшей концентрации примесей в глубине слоя и, как следствие, более низкого контактного барьера. В этом исполнении доля вносимых потерь переноса носителей по боковой поверхности сокращается. Для оценки влияния топологии на коэффициент передачи в формулах следует площадь Se2 заменить на эффективное значение, определяемое по формуле

Se2 = 0.5×π×Xeb×(Le+Be – 3.8×Xeb),

а Wbns определять по формуле

Wbns ≈ (0.3×Xeb+Wbn)×√2.

Коэффициент передачи тока эмиттера α определяется по выражению

α ≈ (1– ∆γ– Ir/Ie).