ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м

110

Рисунок 2.44

да, снизить омическое сопротивление инжекторной области. Контактная металлизация на рисунке 2.44, б не показана.

В структурах, изображенных на рисунках 2.45, а, б, инжектор расположен под эмиттером. В варианте, изображенном на рисунке 2.45, а, используется р+-подложка, на которой создается тонкий эпитаксиальный n-слой. Плотность компоновки элементов повышается, так как на верхней поверхности нет инжекторных областей и их шин питания (вывод от эмиттера не показан).

Рисунок 2.45

Структура, изображенная на рисунке 2.45, б, исполняется на высокоомной n-подложке со скрытыми n+- и р+-слоями, причем n+-слой является инжекторной областью. Эта структура применяется при необходимости изоляции части элементов, исполняемых на МКТ электронных устройств.

111

На рисунках 2.46, а, б для сравнения изображены структуры МКТ, изготовленные по типовой эпитаксиально-планарной технологии (см. рис. 2.46, а) и с применением (см. рис. 2.46, б) окисной изоляции («изопланар»). Применение окисной изоляции обеспечивает снижение занимаемой прибором площади за счет сокращения размера коллектора 1 и ширины пассивной области базы 2 до величины контактного окна (Lcc=Δ=Bb), длины Lb на величину за счет уменьшения расстояния между базами Lbb. Так, при = Lbb площадь транзистора уменьшается более чем в 3 раза. Уменьшаются также емкости эмиттерного и коллекторного переходов и работа переключения ячеек.

Рисунок 2.46

Применение технологии ионного легирования позволяет формировать структуру МКТ с распределением примесей, устраняющим тормозящее поле в базовой области, благодаря чему существенно повышаются коэффициент усиления и быстродействие транзистора.

Основными направлениями совершенствования структур с инжекционным питанием являются:

–применение диодов Шоттки для реализации логических функций и снижения логического перепада;

–создание структур с низкоомным эмиттером и ограничение размеров активной (инжектирующей) части эмиттерного перехода до размеров коллектора;

–применение металлического коллектора.

112

Рисунок 2.47

На рисунке 2.47, а показана структура и с n+-эмиттером, n–-коллектором и диодами Шоттки. Инжекторная р+-область снизу граничит с n+-эмиттером. В связи с этим инжекция дырок идет только в боковом направлении в слабо легированную n–-область между инжектором и базой, что повышает коэффициент передачи тока от инжектора в базу МКТ. Дырки коллектируются р+-об- ластью 3, служащей для создания контакта с высокоомной базовой р-областью 2. Инжекция из эмиттера в базу происходит только на участке эмиттерного перехода, граничащего с высокоомной базовой областью 2 и ограниченного с одной стороны р+-об- ластью 3, а с другой — слоем окисла. Площадь этого участка равна площади коллекторного перехода и значительно меньше, чем в структуре, показанной на рисунке 2.41, что обеспечивает высокое значение коэффициента передачи тока МКТ. На поверхности высокоомной коллекторной области 4 сформированы алюминиевые контакты 6 со свойствами выпрямляющих переходов Шоттки. Выходы от коллектора электрически изолированы между собой переходами Шоттки. Электрическая схема замещения структуры изображена на рисунке 2.47 и функционально аналогична схеме элемента, изображенного на рисунке 2.40. Напряжение на выходах рассматриваемой структуры в открытом состоянии повышается на величину падения напряжения на диодах Шоттки и на такую же величину уменьшается логический перепад (от 0,6–0,7 В до 0,15–0,30 В). Благодаря этому в (3–5) раз сокращается задержка переключения, пропорциональная емкостям транзисторов и величине логического перепада, что ощутимо при малых токах инжектора. При повышенных токах инжектора задержка определяется временем рассасывания вследствие накопления заряда неосновных носителей в высокоомной коллек-

113

торной области По этому свойству структуры, изображенные на рисунках 2.41 и 2.47, аналогичны и не позволяют достичь высокого быстродействия.

Рисунок 2.48

Время рассасывания может быть пренебрежимо малым в структуре с металлическим коллектором (см. рисунок. 2.48, а). Она создается на n+-подложке, являющейся инжектором (И). Эмиттером (Э) и базой (Б) являются соответственно р- и n–-об- ласти. Контакт к базовой области, образующий с ней переход Шоттки, служит коллектором (К). В транзисторе с металлическим коллектором, вследствие отсутствия инжекции из перехода Шоттки, инверсный коэффициент передачи тока структуры Ме-n–-р равен нулю, и потому нормальный коэффициент передачи тока по одному из коллекторов сильно зависит от токов, протекающих через остальные коллекторы, если они имеются. В этой структуре нецелесообразно создавать более одного коллектора, чем исключается возможность логических преобразований по коллекторной цепи транзистора. Логичесие функции в структуре с металлическим коллектором реализуются с помощью переходов Шоттки, общим катодом которых является n–-область 1 (см. рис. 2.48, а), а анодами — металлические области 3. Аноды диодов не должны коллектировать. В противном случае диоды будут иметь большие обратные токи. Для ограничения обратных токов переходов Шоттки следует исключить каналы коллектирования их анодами дырок, инжектируемых в n–-область эмиттерным переходом. С этой целью n–-об-ласть с боковой стороны отделена от базовой области слоем окисла, а от эмиттера снизу — скрытым n+-слоем

114

2, ограничивающим инжекцию дырок. В структуре предпочтительны р-n-р-транзисторы и n+-инжектор вследствие технологичности переходов Шоттки на n–-областях. Для образования коллектора и анодов диодов Шоттки следует применять металлы с разными работами выхода (работа выхода из металла, применяемого для анодов, должна быть меньше работы выхода из металлического коллектора), чтобы удовлетворялось условие запирания схемы

(Uoвых + Ud) <Ube,

где Ud есть напряжение на открытом диоде.

Структура, изображенная на рисунке 2.49, отличается от структуры, изображенной на рисунке

2.47, расположением инжектора на поверхности кристалла. Наиболее совершенной из известных представляется струк-

тура, изображенная на рисунке 2.50. В этой структуре на подложке р1-типа, выполняющей функцию инжектора, сформированы эпитак-

сиальные слои n- и р-типа, выполняющие функции эмиттера и базы МКТ соответст-

венно. Коллекторные и контактно-разделительные n+-области исполняются диффузией в двух уровнях. На поверхности высокоомного базового р-слоя методом ионного легирования формируется тонкий р+-слой, который в местах размещения переходов Шоттки (Ш) погружен в высокоомный р-слой. Переходы Шоттки образуются между металлом и p-слоем. Каждый МКТ-транзистор может иметь несколько диодов Шоттки на базовой области.

Приборы с инжекционным питанием [7, 9] образованы по меньшей мере четырьмя контактными переходами. Потому число параметров, определяющих их свойства, превышает число параметров, определяющих свойства БПТ. В ограниченный перечень

115

параметров МКТ с электрическим инжекционным питанием можно отнести:

–допустимое рабочее напряжение Uраб, В;

–коэффициент передачи тока инжектора в базу одного МКТ (αin);

–коэффициент передачи тока базы МКТ к одному коллектору (Воn);

–коэффициент передачи тока эмиттера в коллектор МКТ

(αоn);

–инверсный коэффициент передачи тока коллектора МКТ

кэмиттеру (αоi);

–инверсный коэффициент передачи тока инжекторного транзистора (αii);

–остаточное напряжение на открытом МКТ Uceо, В;

–напряжение база-эмиттер открытого транзистора Ubeo, В;

–ток инжектора МКТ (Ii), А;

–ток инжекции в базу МКТ, Iib, A;

–ток эмиттера МКТ (Ie) и его составляющие, А;

–ток одного коллектора МКТ (Iс1), А;

–время переключения, сек.

Допустимое рабочее напряжение МКТ определяется на-

пряжением пробоя перехода эмиттер-база основной структуры БПТ, если МКТ реализуются на основе типовой технологии производства БПТ ИС. Применение специальных технологий производства электронных устройств на МКТ часто предполагает технологическую минимизацию толщины слоя активной зоны базы (под коллектором МЭТ). В этом случае определяющим ограничивающим фактором для оценки допустимого напряжения является напряжение прокола базы. В МКТ угроза прокола базы по применению прибора связана с режимом отсечки МКТ, когда переход коллектор-база находится под обратным смещением, а база и эмиттер закорочены. Напряжение прокола базы Ucbp определяется из условия

где Wb, Wcbb (Ucbp), Webb (Uebo) — соответственно технологическая толщина базы под коллектором, толщины слоев пространственного заряда перехода коллектор-база и эмиттер-база в технологическом базовом слое при напряжении прокола Ucbp и ну-

116

левом напряжении Uebo (Uebo=0). Для исключения изменения чувствительности при повышении напряжения Ucb необходимо толщину слаболегированного n-слоя эмиттера под базовым слоем устанавливать не менее толщины слоя пространственного заряда перехода эмиттер-база в эмиттере. В первом приближении оценить напряжение прокола можно по формуле

Fk+Ucbp ≈ [q Nbср/(2 ε ε0)] Wb2, (2.104а)

где Nbср — усредненная концентрация р-примеси в базовом слое; Fk — контактная разность потенциалов переходов МКТ

(≈ 0,7 В).

Коэффициент передачи тока от инжектора к базе одного из N питаемых транзисторов αin (нормальное включение) оценивается по формулам

где отношение токов инжекции неосновных носителей в эмиттер МКТ из инжектора через боковую и донную поверхности перехода инжектор-эмиттер оценивается по формуле (коэффициент распределения потоков носителей для инжектора)

а коэффициент переноса неосновных носителей из инжектора в базу МКТ — по формуле

В формулах (2.105) приняты обозначения:

Xb — технологическая толщина базового слоя (пассивный слой);

Le — диффузионная длина неосновных носителей в слаболегированном слое эмиттера;

Wib — расстояние между боковыми поверхностями областей пространственного заряда инжектора и базы в эмиттерном слое;

We — расстояние от нижней границы пространственного заряда эмиттерного перехода в слаболегированном слое эмиттера до скрытого слоя или n+-подложки;

Weр — толщина слаболегированного слоя эмиттера от поверхности кристалла до скрытого слоя или n+-подложки;

Bi — ширина инжектора (на рис.2.44 ширина в направлении перпендикуляра к полосе инжектора и Bi = 2 +Lcc);

117

F — безразмерный поправочный коэффициент учета размеров структуры МКТ (в диапазонах отношений 5 ≥ Wib/Xb ≥ 1; 3,5 ≥ We/ Xb ≥ 0 определяетсяпо эмпирическомувыражению вида

1< [F≈ (1 + 0,04 Wib/Xb + 0,05 We/ Xb + 0,09 Wib We/X2b)]<3.

Коэффициент передачи тока базы МКТ к одному коллек-

тору (Воn) оценивается по формуле (нормальное включение) Bоn ≈ Sc Nb ξ Db L2e/[Se Ne De We Wbo (1+Ge)], (2.106)

где отношение токов инжекции неосновных носителей в эмиттер МКТ из базы через боковую и донную поверхности эмиттернобазового перехода (коэффициент распределения носителей, инжектированных из базы в эмиттер)

и коэффициент влияния тормозящего поля в базе (ξ) вследствие неравномерного легирования базы

Nb, Ne — концентрации неосновных носителей в базе и эмиттере соответственно на границе областей пространственного заряда перехода эмиттер-база;

Db, De — коэффициенты диффузии неосновных носителей в базе и эмиттере соответственно;

Lpb — диффузионная длина атомов примеси в базе;

Wbo — нейтральная ширина базового слоя под коллектором (слой активной базы);

Lb — длина базы МКТ.

Коэффициент передачи тока эмиттера в один коллектор МКТ αоn определяется по формуле (нормальное включение)

где ν — число коллекторов МКТ с коэффициентами передачи тока базы Bonj.

Коэффициент передачи тока от одного коллектора МКТ к эмиттеру αоi (инверсное включение) может быть оценен по фор-

мулам (2.31) — (2.36) и пренебрежимо мало отличается от единицы.

Коэффициент передачи инжекторного транзистора (αii) в

118

Остаточное напряжение на открытом МКТ (Uceо) опре-

деляется по формуле

Uceo=(m Ft){Ln[1/(αоn)]+Ln[Ibk+(1–αoi) Ic]/[Ibk–Ic/Bn]},

где Ic — ток одного коллектора МКТ;

Ibk = (Ib + Ii) — эквивалентный ток базы МКТ;

Ib,Ii — внешний ток базы и ток инжекции в базу со стороны инжектора и (ν–1) коллекторов;

Вn = Ic/Ibk — эффективный коэффициент передачи тока базы по одному коллектору с учетом влияния инжектора и смежных коллекторов МКТ определяется через значения αоn, αоi, α in,

В типовых режимах применения значение остаточного на-

пряжения не превышает (3–4) (m Ft) и соответствует напряжению

U0 (лог. 0).

Напряжение между базой и эмиттером открытого тран-

где Io — эффективный ток насыщения, определяется по формуле

где, в свою очередь, Ico есть ток насыщения p-n-перехода одного коллектора МКТ с базой. В формулах (2.109), (2.111) выражения в квадратных скобках должны быть положительными, не превышая единицу.

Напряжение Ubeo соответствует напряжению уровня лог. 1 (U1) цифровых узлов в соединениях коллекторов МКТ с базами нагружающих транзисторов.

Амплитуда выходного сигнала ΔU цифровых узлов с МКТ не превышает значения

ΔU = Ubeo – Uceo.

Ток инжектора Ii в базу инжекторного транзистора

(эмиттер МКТ) через параметры структуры и топологии инжектора и МКТ определяется по формуле

Ii = A1 {[(F q Bb Xb De Ne)/(WibZi)]+Sdi q Ne We/τe}, (2.112)

где τe — время жизни неосновных носителей в эмиттере; Sdi — площадь донной поверхности инжектора.

119

Ток инжекции в базу МКТ (Iib) от инжектора определяется с

при условии соответствия скорости поверхностной рекомбинации Vs неравенству

Vs<< LpbNpbo/τbNp(Xb–Webb)

(Sea, Sep — соответственно донная площадь эмиттера под коллекторами и вне перекрытия коллекторами).

Ток инжекции в эмиттер неосновных носителей из базы МКТ (Ibe) определяется по выражению

Ibe ≈ A [(Bb Lb q We Ne/τe)+F q Bb Xb De NeZi/Wib], (2.115)

при условии соответствия скорости поверхностной рекомбинации Vse на участке базы (Wib) инжекторного транзистора (слой высокоомного эмиттера) неравенству

Vsе<< We/(2 τe),

и эффективной скорости поверхностной рекомбинации Vsе+ на границе высоколегированного слоя с высокоомным слоем эмиттера неравенству

[Vsе+ ≈ Npe Le+/(Npe+ τe+)] << We/(τe). (2.114a)

Вформуле (2.114а) апострофом «+» отмечены параметры высоколегированного слоя, а индекс «р» идентифицирует индексируемый параметр примесных атомов. Выполнение приведенных неравенств обеспечивается совершенствованием технологии

формирования высоколегированных слоев с пониженными значениями отношения Le+/τe+.

Полный ток эмиттера определяется как сумма токов Ibe и Ieb.

Ток одного коллектора МКТ Ic1 определяется либо через значения Bon и ток Iib, либо через полный ток эмиттера и коэффициент передачи его в коллектор αоn.

Ввыражениях (2.112) — (2.114) коэффициенты А и А1 определяют зависимость токов инжектирующего и эмиттернобазового p-n-переходов от напряжений (Uie, Ueb)

A = exp[Ueb/(m Ft) –1],

A1 = exp[Uie/(m Ft) –1].