ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м

90

Сопротивление прямого включения, Rd — проектный пара-

метр, по функциональному значению равный сумме сопротивления электродных областей и диффузионного диода Rдиф. Сопротивление электродных областей определяется формой и размерами диода и оценивается по моделям, рассмотренным в подразделе 2.13, применительно к оценке межэлектродных сопротивлений БПТ. Диффузионное сопротивление диода определяется по формуле

и косвенно зависит от толщины электродов диода через зависимость тока насыщения Io Sd, от толщины электродных областей Wn и Wp по формуле

при выполнении условий Wn < Ln, Wp < Lp.

Обратный ток диода, Iобр для полупроводниковых материалов с шириной запрещенной зоны более одного электронвольта представляется суммой тока насыщения, равного Sd Io, и

где Wpn — ширина p-n-перехода при обратном включении диода.

Барьерные емкости диода Cd и изоляции Си определяются удельными емкостями соответствующих переходов диодной структуры и площадями этих переходов. Усредненные значения емкостей (или их значения с учетом функциональной зависимости от напряжений) включаются в расчетные схемы замещения диода.

Диффузионная емкость, Сдиф определяется накоплением неосновных носителей заряда в электродных областях диода при прямом включении. Диффузионная емкость зависит от величины прямого тока, усредненного времени жизни неосновных носителей заряда τ ≈ τn ≈ τp в электродных областях диода и толщины этих областей. Количественно емкость оценивается по выраже-

Неявная зависимость диффузионной емкости от протяженности электродов проявляется через зависимость тока насыщения

91

Io Sd от толщины электродных областей Wn и Wp по формуле

(2.93).

Время переключения диода Тd характеризует длительность процессов перезаряда диффузионной и барьерной емкостей при переключениях из обратного на прямое включение и, наоборот, из прямого на обратное включение. Перезаряд может осуществляться от источников сигнала со свойствами генератора напряжения, тока или с некоторыми промежуточными свойствами. Сложность явлений обуславливает несовершенство моделей представления полупроводниковых диодов для описания во временной области. На переключениях в области обратных смещений удовлетворительные результаты позволяет получить учет барьерной емкости, обратных токов и сопротивлений электродов и эквивалентных резистивных шунтов обратно смещенного перехода. На переключениях из прямых смещений на обратные, при повышенных прямых токах, существенный вклад в процесс вносят диффузионные емкость и сопротивление. Произведение СдифRдиф сравнимо с усредненным временем жизни неосновных носителей заряда в базовом и эмиттерном слоях структуры

(τ). При переключении диода из прямого на обратное включение p-n-переход некоторое время остается открытым вследствие избыточной концентрации накопленных неосновных носителей и через диод в обратном направлении протекает ток, снижающийся до величины статического обратного тока. Время, за которое обратный ток диода достигает нормированного к статическому обратному току значения, принято называть временем восстановле-

ния обратного сопротивления. Это время зависит и от диффузи-

онной, и от барьерной емкости с тем отличием, что при увеличении обратного напряжения вклад диффузионного накопления снижается, а вклад влияния барьерной емкости повышается.

2.14.5 Схема замещения диода

Модели диодов микросхем применяются для графического представления этих приборов совокупностью элементов электрических схем таких, как сопротивления, генераторы токов и напряжений, конденсаторов. Каждый из переходов структуры ин-

92

тегрального диода в зависимости от направления приложенного напряжения представляется схемами замещения, изо-бражен- ными на рисунках 2.32, а, б. Схема на рисунке 2.32, а соответ-

ствует обратно включенному переходу. Схема на рисунке 2.32, б соответствует прямо включенному переходу структуры. На рисунке 2.32, а ток генератора Iг определяется по формуле (2.93) или из формулы (2.91). Сопротивление Rш оценивается дифференцированием выражения (2.94)

1/Rш = dIg/dU,

при U = Uобр. Напряжение генератора Uo определяется как напряжение спрямления по формуле (2.91). Барьерная емкость Сб определяется суммой

Сб = ∑ (Суд.i Si),

в которой учитываются значения частичных емкостей, различающихся значениями удельных емкостей Суд.i. Диффузионные емкость Сдиф и сопротивление Rдиф оцениваются по формулам (2.95), (2.92). Сопротивление Rэ определяется как сопротивление электродных областей диода и контактных переходов (если таковые в конструкции предусмотрены). Соединение с несущим основанием представлено только емкостью изоляции Си.

2.14.6 Алгоритм проектирования диодов

Проектирование диодов ИМС рекомендуется выполнить в следующем порядке:

–формулировка исходных требований на параметры прибора (если они не определены техническим заданием);

–подготовка исходных сведений по параметрам технологической структуры в части электрической прочности переходов, параметров слоев, включая удельные взаимные емкости;

93

–подготовка исходных ограничений технологии формирования размерных фрагментов (линейные погрешности, погрешности совмещения, минимально-допустимые размеры);

–проверка на соответствие структуры предъявленным требованиям по электрической прочности p-n-переходов;

–первичный выбор и оформление простейшей топологии прибора с однополосковыми электродными областями;

–оценка технологических и конструктивных промежутков между границами областей для топологии прибора;

–оценка рационального значения плотности тока во вложенном электроде диода или допустимой величины тока по фор-

муле (2.87);

–оценка по рабочему току предельных значений размеров вложенной области диода и принятие решения о корректировке его формы и размеров по формулам (2.88) — (2.90);

–оценка размеров контактов, разделительных областей между смежными электродами диодной структуры;

–оценка межэлектродных сопротивлений, сопоставление с требованиями и корректировка форм и размеров топологии диода;

–оценка площадей электродов, емкостей, сопротивлений, генераторов тока и напряжения для схем замещения (см. рис. 2.32).

В результате выполнения предложенной последовательности формируется база выходных параметров конструкции прибора (параметры функционального назначения диода, эскиз его структуры и топологии с размерами областей, схема замещения и параметры ее элементов). В свою очередь, после соответствующего накопления и обработки, сведения по конкретным топологическим конфигурациям диодов могут быть помещены в библиотеку элементов системы автоматизированного проектирования интегральных конструкций в качестве базовых конструкций.

2.14.7 Диоды Шоттки в структурах БПТ

Односторонняя проводимость контакта между металлом и полупроводником хронологически была обнаружена еще в конце 19-го века. Однако в отсутствие технологических методов формирования контактов с воспроизводимыми свойствами исследование и практическое применение таких контактов было во-

94

Рисунок 2.33

зобновлено в конце 50-х начале 60-х годов 20-го столетия. Несмотря на значительные успехи, достигнутые в производстве как дискретных, так и интегрированных в конструкции микросхем приборов с барьером Шоттки, расчетные модели для проектирования этих приборов во многом достаточно схематичны. На рисунках 2.33, а, б изображены две модификации перехода Шоттки на кремнии n-типа проводимости. Модификация перехода, изображенная на рисунке 2.33, а, имеет недостатком пониженное обратное напряжение вследствие сильного искривления силовых линий по краю контакта анодной металлизации с полупроводниковым слоем n-типа. В модификации перехода, изображенной на рисунке 2.33, б, анодная область перехода Шоттки окружена кольцом легированной р-области и соответственно классическим шунтирующим p-n-переходом. Допустимое обратное напряжение в этой модификации исполнения перехода определяется по соотношению, применяемому для резких несимметричных переходов с концентрацией примеси, соответствующей легированию базы. Шунтирующий p-n-переход защитного кольца в области прямых смещений перехода Шоттки оказывает незначительное влияние на деформацию прямой ветви его ВАХ из-за различия напряжений спрямления на величину порядка 0,2 В, но может существенно ухудшать динамические свойства перехода Шоттки. Ухудшение динамических свойств связано с увеличением барьерной емкости и влияния, хотя и слабой, инжекции неосновных носителей шунтирующим p-n-переходом. Вольт-амперная характеристика перехода Шоттки в первом приближении представляется выражением [4, 8]

где приняты следующие обозначения:

95

Ioш = A T2 exp (–φмn/φТ) — плотность тока насыщения перехода Шоттки, см2;

S — площадь перехода Шоттки, см2;

А=4πm* qk2/h3—постояннаяРичардсона,А=120[А/(см2 К2)]; Т — абсолютная температура, К;

φмn — разность работ выхода материалов перехода Шоттки (металла и полупроводника или, иначе, потенциальный барьер для основных носителей заряда полупроводника базы), эВ;

φТ = k T/q — термический потенциал, В;

m* — эффективная масса электрона полупроводника, кг; k — физическая константа Больцмана, Дж/К;

h — физическая константа Планка, Дж сек;

U— внешнее напряжение на переходе Шоттки, В. Примечание. Постоянная Ричардсона (А), определяемая по

приведенному выше выражению, от свойств материала базы зависит исключительно через эффективную массу носителей заряда. Eе значение для кремния n-типа равно

А= 120 0,55 =66 [А/(см2 К2)],

адля кремния р-типа

А= 120 0,33 =39,6 [А/(см2 К2)].

Пользуясь выражением (2.96), несложно получить напряжение спрямления для перехода Шоттки. Так как потенциальный барьер в контактах Шоттки снижается в сравнении с переходами классического типа на однородном полупроводнике примерно в два раза, то плотность тока насыщения Ioш в контактах Шоттки на (3—5) порядков превышает аналогичный параметр классических p-n-переходов. Поэтому напряжение спрямления переходов Шоттки примерно в два раза ниже, чем у классических переходов, что расширило спектр схемотехнических решений для микрозлектронных устройств.

Условием образования выпрямляющего перехода Шоттки является образование обеднённой носителями заряда области в зоне контакта металла с полупроводниковой основой (базой). Это условие выполняется для полупроводника n-типа в качестве базы при заданной температуре, если разность (Емs) работ выхода электронов из металла Ем и полупроводника Еп больше нуля.

96

Для полупроводника р-типа в качестве базы разность Емп работ выхода электронов должна быть меньше нуля.

Для эффективной компенсации проводимости контактного перехода в результате термоэлектронной эмиссии концентрация легирующих примесей принимается для кремния не более

(1–5) 1017см–3.

Зонные диаграммы выпрямляющих переходов Шоттки на полупроводниках n- и р-типа для состояния термодинамического равновесия изображены на рисунках 2.34, а, б соответственно. На рисунке 2.34, а энер-

гия Еn соответствует потенциальному барьеру (контактной разности потенциалов) для

основных электронов, а энергия Ер на рисунке 2.34, б соответствует потенциальному барьеру (контактной разности потенциалов) для основных дырок. Уровни этих барьеров изменяются внешним источником энергии (источником напряжения при переходе от энергии к электрическим потенциалам). Прямому включению внешнего источника для контакта Шоттки на полупроводнике n- типа соответствует подключение «+» источника к металлическому электроду, что в свою очередь снижает энергетический барьер Еn. Аналогично прямому включению внешнего источника для контакта Шоттки на полупроводнике р-типа соответствует подключение «–» источника к металлическому электроду, что в свою очередь снижает энергетический барьер Ер.

Контактная разность потенциалов (потенциальный барьер для электронов полупроводника) перехода металл-кремний n- типа определяется по формуле

Еn = Ем – [Еп – k·T·Ln(Nd/ni)],

97

а контактная разность потенциалов (потенциальный барьер для заполнения состояний валентной зоны) перехода металл-крем- ний р-типа определяется по формуле

Ep = Eм – [Еп + k·T·Ln(Nа/ni)].

В приведенных выражениях положительному знаку левой части соответствует знак «+» на металлическом электроде контакта для прямого включения контакта.

Усреднённые значения работы выхода (φ0) электронов из ряда чистых материалов и экспериментально контролируемых значений потенциального барьера (φb) для кремния разного типа проводимости, разной кристаллографической ориентации при удельных сопротивлениях (0,4-1,0)Ом приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4

Как следует из таблицы 2.4 соответствие расчётных значений с экспериментальными значениями не высокое, что объясняется несовершенством моделей описания, не учитывающих действие разнообразных иных факторов.

Потенциальный барьер для неосновных дырок перехода Шоттки с шунтом охранного кольца (см. рис. 2.33, б) на базе n- типа можно определить по формуле

Epn = (Ез/2) + kT· Ln (Nd/ni) > En + 0,2·q . (2.97а)

Аналогично потенциальный барьер для неосновных электронов перехода Шоттки с шунтом охранного кольца (см. рис. 2.33, б) на базе р-типа можно определить по формуле

Enp = (Ез/2) + kT· Ln (Na/ni) > Ep + 0,2·q . (2.97 б)

В формулах (2.97) обозначения Nd и Na соответствуют усреднённым концентрациям легирующих доноров для базы n- типа и акцепторов для базы р-типа соответственно. Различие в

98

потенциальных барьерах в 0,2 эВ должно обеспечить различие токов определяемых основными и неосновными носителями заряда на три-четыре порядка. В реальных переходах Шоттки изза несовершенства структуры контакта, проявления эффектов туннелирования носителей через тонкие барьеры результаты реализации позитивных свойств в значительной степени определяется достижениями технологии производства. Вероятность влияния туннелирования носителей заряда сквозь барьер повышается, как известно, при уменьшении ширины барьера dш.

аналогичному выражению (2.25) и снижается при повышении степени легирования базы перехода. В формуле (2.98) напряжение U принимается с положительным знаком при прямом включении, а при обратном включении — с отрицательным знаком.

Напряжение пробоя при перехода можнооценить по формуле

а удельная барьерная емкость по формуле Сб= ε εo/dш.

Расчетная модель перехода Шоттки отображается электрической схемой замещения, аналогичной изображенной на рисунке 2.32, для диода на основе p-n-перехода с исключением из нее диффузионной емкости Сдиф.

Значения сопротивлений элементов схемы Rш, Rэ, Rдиф, тока генератора Iг, напряжения спрямления Uo определяются с применением расчетных выражений (2.91) — (2.96). Сопротивление электродов Rэ и емкость изолирующего слоя Си определяются по расчетным соотношениям, рассмотренным для объемных и контактных областей, на примерах БПТ и диодов на основе перехода. Условное графическое обозначение перехода Шоттки (без элементов изоляции от несущего основания)

показано на рисунке 2.35.

Граничная частота перехода Шоттки оценивается по формуле

при выполнении условия

99

Rдиф = φT / Id.>> Rэ,

ограничивающего ток Id прямо смещенного перехода.

В структуре с охранным кольцом (см. рис. 2.33, б) с учетом шунтирующего перехода между охранным кольцом и базой перехода Шоттки граничную плотность тока перехода Шоттки, при которой преобладающим является поток основных носителей, можно задать неравенством [4]

Io = Ioш [exp (U/φT) –1]≤ (2–3) Iп,

где пороговая плотность тока Iп

Iп = q Nb Dn/Xb.

Граничная частота перехода Шоттки, определяемая накоп-

лением неосновных носителей в базе, оценивается по формуле

ωн = Nb Ioш/q ni2 Xb

и для эффективной реализации свойств перехода по быстродействию должна удовлетворять условию

ωн ≥ ωш,

которое обеспечивается компромиссным выбором концентрации легирующей примеси в базе перехода (Nb), толщины базы (Xb) и материла контактной пары с пониженным значением φмп.

2.15 Модификации БПТ специального назначения

2.15.1 Общие сведения

В процессе совершенствования схем и конструкций ИМС на биполярных транзисторах предложены модификации конструкций БПТ, которые применяются исключительно в конструкциях ИМС. К числу таких модификаций относятся:

–многоэмиттерные БПТ (МЭТ) схем транзисторно-транзис- торной логики (ТТЛ);

–многоколлекторные БПТ (транзисторы схем инжекционной логики);

–транзисторы с контактными переходами Шоттки;

–дополняющие по типу проводимости БПТ с продольной структурой;

–БПТ со сверхтонкой базой.