ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м

100

Специализация назначения перечисленных приборов определяет совокупность требований к их параметрам и конструктивному исполнению. Формулировке требований и проектированию перечисленных приборов с учетом специфики схемного применения посвящен материал настоящего подраздела.

2.15.2 Многоэмиттерный БПТ

Многоэмиттерный транзистор [1, 3, 4] как схемотехнический радиоэлемент предложен в качестве одной из реализаций позитивной диодной и диодно-транзисторной логики (ДТЛ) с применением в качестве анода группы диодов одной общей р- области. Применение общего анода позволило разместить в одном несущем р-кармане необходимое число катодов входных диодов, сократив потери площади кристалла в сравнении с исполнением диодов в раздельных карманах. Так как изолированная от подложки

р-область размещается на n- области, то все перечисленные области структуры являются одноименными областями основной структуры n-p-n БПТ и мно-жество катодов на общей базовой области может рассматри-

ваться как множество эмиттеров изолированного от основания p- n-переходом МЭТ. Схемное применение МЭТ в составе простого двухвходового ТТЛ элемента приведено нарисунке2.36.

Логический элемент по входам управляется сигналами, поступающими с выходов аналогичных логических элементов. Выходные сигналы логического элемента, в свою очередь, соответствуют открытому или закрытому состояниям транзистора VT2, обозначаются U0, U1 и при токах нагрузки I0н, I1н определяются

101

В формулах (2.101) обозначения Usce и Rсе определяются по формулам (2.72) и (2.66) — (2.70). По принципу построения в схеме логического элемента МЭТ переключается между двумя режимами:

–режимом насыщения в прямом включении при подаче на один или оба входа сигнала U0 < Uben (в этом режиме ток базы МЭТ либо образует входной вытекающий ток I0вх одного из эмиттеров МЭТ, либо в равных частях делится между всеми открытыми эмиттерными входами при степени насыщения коллекторной цепи S → ∞, транзистор VT2 выключен);

–активным режимом в инверсном включении при подаче на оба входа сигнала U1 > Uben ≈ Ud (в этом режиме переходы эмиттер-база МЭТ смещаются обратным напряжением, переход коллектор-база МЭТ смещен в прямом направлении, транзистор

VT2 включен базовым током насыщения Ibn≈ (Еп – 2 Ud)/R2). Руководствуясь формулами (2.72), (2.101), можно показать,

что в режиме насыщения МЭТ напряжение между его коллектором и эмиттером Ucemt в сумме с входным сигналом U0 удовлетворяют условие

[Ucemt ≈ m Ft Ln (1/Ai)]+ U0 < Uben, (2.102)

где Аi — инверсный коэффициент передачи тока эмиттера МЭТ; Uben — напряжение между базой и эмиттером насыщенного

транзистора VT2.

Многоэмиттерный транзистор, являясь входным прибором логического элемента, проявляет специфические свойства, которые следует учитывать в проектировании конструкции МЭТ. Основными из этих свойств, негативно (повышают) влияющими на входной ток I1вх логического элемента, следует считать образование «паразитных» транзисторных структур между отдельными эмиттерами МЭТ и последствия инверсного активного режима МЭТ.

Транзисторные структуры между эмиттерами МЭТ при включении в активный режим создают каналы перетекания тока из «закрытого» на открытый вход, тем самым увеличивая ток I1вх и нагрузку на соответствующий выход источника сигнала, снижают нагрузочную способность источника. Этот канал перетекания тока соответствует транзисторам «продольной» структуры (БПТ «продольной» структуры обсуждается далее), в которых

103

ской конфигурации двухэмиттерного МЭТ, исполненного на технологической структуре ЭПСК.

Симметрия эмиттеров Э1, Э2 относительно контактного вывода 3 от базового слоя обеспечивается размещением на базе симметрирующей металлизации 2. Благодаря ему удлиненный отвод от базы, названный «шейкой», может быть смещен относительно ее расширенной области, на которой размещены эмиттеры и симметрирующий электрод. Контакты к базе (3) и к коллекторному слою (4) удалены от области размещения эмиттеров на дли-

щенной с анодной областью коллекторно-ба-зового перехода расширенной части базы (диод VDbcw на рисунке с эффективной площадью анода Sbcw). Размер Wb подчеркивает пространственную близость катодов эмиттерно-базового и коллекторнобазового переходов МЭТ.

Резисторы Rb, Rc на рисунке отображают влияние сопротивлений «шейки» в базовой и коллекторной областях структуры, а резистор Rвс отображает влияние на перераспределение токов сопротивления электродов в зоне контактов к базе и коллектору. Диод VDbc с эффективной площадью анода Sbc учитывает шунтирующее действие перехода коллектор-база в зоне контактов к базе и коллектору. Приведенная модель вполне допустима, так как предполагается такой выбор конструктивных размеров МЭТ, при котором удовлетворяется условие

Ibcw ≤ (0,2–0,3) Ibc,

104

а токи закрытых эмиттеров в таком же отношении находятся к току Ibcw. Полагая отношение токов

(Ibcw/ Ibc) ≤ (k < 0,3)

и учитывая зависимость этих токов от общего приложенного напряжения Uo, можно показать, что необходимое значение k реализуется при выполнении условия

(Rb + Rc) ≥ {[m Ft Ln[Sbcw/(k Sbc)]/Ibc] + Rbc}/k. (2.103)

Сопротивления резисторов Rb, Rc итерационным выбором размеров «шейки» приводятся в соответствие с неравенством (2.103) по выбранным значениям площадей эмиттеров, площади симметрирующего электрода, требуемой площади Sbcw.

Токи закрытых эмиттеров определяются коэффициентами передачи на них тока Ibcw или токов открытых эмиттеров.

Число эмиттеров МЭТ логических элементов определяет их коэффициент объединения по входам и обычно не превышает восьми, так как увеличение площади МЭТ снижает быстродействие элемента.

К числу основных параметров МЭТ следует отнести:

– допустимые обратные напряжение на эмиттер-база Uebd, В;

– рабочие прямые токи эмиттеров Ieon, А;

– рабочий прямой ток коллектора МЭТ в инверсном включении Ibc, А;

– токи закрытых эмиттеров Ieof, А.

К перечисленным параметрам может быть отнесено сопротивление «шейки» (Rb+Rc), косвенно определяющее токи закрытых эмиттеров при рабочих значениях тока Ibc.

Допустимые напряжения Uebd МЭТ соответствуют расчетным оценкам этого параметра для основной структуры БПТ и выполняются по формулам (2.15) — (2.19).

Прямые рабочие токи эмиттеров Ieon и коллектора Ibc обеспечиваются выбором форм и размеров электродных областей с применением расчетных формул (2.43) — (2.55) основной структуры БПТ.

Токи закрытых эмиттерных входов Ieof при известных рабочих токах Ieon, Ibc определяются коэффициентами передачи продольных транзисторных структур в нормальном включении и коэффициентами передачи основной структуры БПТ в инверсном

105

включении. Для исключения повторов приближенная расчетная оценка этих коэффициентов передачи и токов может быть выполнена по соотношениям, приведенным для рассматриваемых далее модификаций БПТ.

Выбор размеров «шейки» МЭТ выполняется по предварительно назначенному коэффициенту k в формуле (2.103) и расчетным моделям электродных областей БПТ (см. п. 2.13.6).

2.15.3 Многоколлекторный БПТ

Структура многоколлекторного [3, 4, 7, 9] транзистора (МКТ) аналогична структуре многоэмиттерного транзистора, но радикально отличается принцип применения этого прибора в схемотехнике логических элементов и, соответственно, топология прибора. Пример структуры и топологии трехколлекторного МКТ изображен на рисунке 2.39. Изображенный на рисунке транзистор имеет вертикальную

структуру n-p-n-типа. В структуре МКТ эмиттерам и коллектору структуры МЭТ взаимно сменили функциональное назначение электродов:

–эмиттерам МЭТ назначена функция коллекторов К1, К2, К3 МКТ;

–коллектору МЭТ назначена функция эмиттера МКТ.

В связи с указанным переназначением электродов в качестве основного режима МКТ определен инверсный режим включения МЭТ. В этом режиме МКТ цифровых схем переключается между двумя состояниями: состоянием насыщения при прямом смещении перехода эмиттер-база и состоянием отсечки (при нулевом или обратном смещении перехода эмиттер-база).

Важным для МКТ является повышение коэффициента передачи тока эмиттера в коллекторы. Этому способствует размещение скрытого n+-слоя в эмиттере под базовым слоем, благодаря чему обеспечивается повышение коэффициента инжекции. Такие

106

возможности эффективно реализуются в типовой технологической структуре КИД. Коэффициенты передачи тока эмиттера на совокупность коллекторов вполне достижимы на уровне α ≥ (0,8–0,9), что соответствует коэффициентам усиления тока базы B ≥ (4–10), достаточным для функционирования схем с числом коллекторов

(2—5).

Для оценки коэффициента передачи тока эмиттера следует воспользоваться формулами (2.30) — (2.42) с учетом замечаний п. 2.12.7 и масштабных коэффициентов, определяемых отношением площадиколлекторов Sкк эффективной площади эмиттера Sэ.

Для инжектированных носителей среднее время пролета носителей в базе МКТ tпр повышается вследствие действия тормозящего поля базы при диффузионной базе. Ослабление этого негативного эффекта обеспечивается в структуре КИД, для которой время пролета оценивается по формуле (2.82) при k1=2–2,4.

Типовое значение времени переключения (τ) МКТ состав-

ляет (5–10) нC.

На основе МКТ реализован базовый логический элемент, названный элементом с инжекционным питанием (Integrated Injection Logic, И2Л). Основная особенность принципа работы такого элемента — инжекция неравновесных неосновных носителей в биполярную транзисторную структуру со стороны. Способ инжекции может быть разной физической природы, включая световую, радиоактивную, электрическую. В приводимом материале обсуждаются приборы с электрическим способом инжекции.

Четырехэлектродную вертикальную структуру, приведенную на рисунке 2.39, можно рассматривать как два соединенных БПТ (p-n-p- и n-p-n-типа). Один из этих транзисторов (структура р- n-p+) выполняет функцию ге-

нератора инжектируемых носителей, а другой (структура n-p-n+) выполняет функцию управляемого переключателя. В качестве переключателя применен МКТ. Схема типового логического элемента И2Л с трехколлекторным МКТ приведена на рисунке2.40.

107

Путем соединения выходов (K1, K2, K3) транзистора VTn металлическими проводниками со входами X аналогичных элементов можно реализовать функциональный элемент или функциональную группу с любой необходимой функцией преобразования цифровых сигналов. В отличие от схем, исполняемых на элементах ТТЛ или ДТЛ, где операции выполняются с помощью МЭТ или диодной сборки, в схемах И2Л эти операции выполняются монтажным соединением соответствующих входов/выходов.

Элементы И2Л имеют много различных физикоструктурных и топологических вариантов реализации. Один из распространенных вариантов структуры с горизонтальной структурой инжектирующего p-n-p-транзистора показан на рисунке 2.41. В этой структуре применена n+-подложка и слаболегированный ЭПС n-типа. Они образуют общую эмиттерную область групп или всех МКТ кристалла. Инжектор и базы сформированы диффузией. Боковые n+-области исполнены локальной диффузией примесей перед формированием р-областей. Изоляции отдельных МКТ не требуется, так как все они имеют общую n-область. Тем не менее боковые n+-области по трем боковым сторонам р- баз n-р-n МЭТ (исключая сторону, обращенную к инжектору) создают «отражающую стенку», которая исключает влияние паразитных горизонтальных р-n-р-структур между базами смежных транзисторов VTn и способствует повышению коэффициента усиления В МКТ.

Рисунок 2.41

На рисунке 2.42 приведена структура, в которой совмещены МКТ (фрагмент слева) и обычный n-p-n БПТ со структурой типового БПТ ЭПСК (фрагмент справа). Такое сочетание МКТ и n-p-n БПТ вертикальной структурой находит применение в схемах обрам-

109

2.41, 2.42. Топологические формы областей приведены для иллюстрации размерных цепей и гипотетической рационализации выбора их форм. Размер на рисунке соответствует минимальнодопустимому конструктивно-технологическому зазору и определяется по формулам (2.56) с учетом погрешностей совмещения, искажения линейных гра-ниц областей, ширины p-n-переходов. Размер Lcc определяется через сум-марную абсолютную флюктуацию границ топологи-ческого объекта (окна под контактную металли-зацию и иные электро-дные области). Мини-мальный линейный размер коллектора Lc согласно рисунку может быть определен через размеры и Lcc. Если размер Lc может превышать минимальное значение, определяемое размерами и Lcc, то ширина и длина базы должны соответствовать возможно высокому коэффициенту ее заполнения коллекторными поверхностями, так как коэффициент передачи МКТ зависит от отношения площадей коллекторов Sc и эмиттера Se. Ширина отражающей n+-области между смежными базами МКТ определяется ограничениями технологии формирования этой области.

Коэффициент передачи тока от инжектора в МКТ зависит от расположения баз и коллекторов относительно инжектора. Для баз и коллекторов, удаленных от инжектора, коэффициент передачи тока снижается. Поэтому следует группировать коллекторы вблизи инжектора, который, в свою очередь, следует размещать на минимально-допустимом расстоянии от баз МКТ. Наряду со структурами МКТ, показанными на рисунках 2.39, 2.41, 2.42, предложены и другие варианты, отличающиеся расположением инжектора относительно коллекторов. Используются инжекторы полосковой и сетчатой форм. При полосковом инжекторе базовые области располагают либо узкими сторонами по отношению к инжектору (см. рис. 2.43), либо широкими (база — поз. 2, инжектор — поз. 1), как на рисунке 2.44, а. В структуре, показанной на рисунке 2.44, б, сетчатый инжектор 1 окружает со всех сторон эмиттеры 2, со вложенными базовыми областями 3 и коллекторами 4. Разделительные n+-области в этой структуре исключаются, однако площадь элемента на кристалле увеличивается. Сетчатый инжектор позволяет повысить коэффициент передачи тока от инжектора в базу МКТ, уменьшить емкость эмиттерного перехо-