ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м

120

Значения А1 и А связаны между собой по принципу работы МКТ. Так, при прямом смещении перехода инжектор-эмиттер в базу МКТ (при разомкнутой внешней цепи база-эмиттер) втекающим током Iib создается прямое смещение на переходе эмит- тер-база Ueb. В результате этого в базу МКТ из эмиттера инжектируются неосновные носители, образующие ток Ieb, а из базы в эмиттер инжектируются носители, образующие ток Ibe. С коэффициентом передачи αоn суммарный эмиттерный ток передается в коллектор, образуя коллекторный ток

Ic = αоn (Ieb+Ibe).

Если сочетание параметров структуры и топологии МКТ и инжектора позволит обеспечить для выходной цепи

Ic>Iib,

то при втекающем токе Iib МКТ транзистор войдет в режим насыщения и напряжение на коллекторе будет равно Uceo.

Очевидно, что для построения цифровых электронных узлов необходимо обеспечить возможность расширения числа нагрузок на МКТ. Следовательно, во входной цепи тока Iib должно быть достаточно для перевода в режим насыщения не менее ν ≥ 2 коллекторов МКТ, т.е. должно выполняться условие

(Iib/ν)Bon > Ic> Iib,

из которого следует Воn ≥ ν.

Время переключения МКТ определяется процессами накопления неосновных носителей заряда в отдельных областях конструкции МКТ и зарядом барьерных емкостей переключаемых p-n- переходов.

Коэффициенты передачи тока αоn, αoi, αin, αii являются функциями времени и в первом приближении представляются

в котором перечисленным индексированным коэффициентам передачи тока соответствуют индексированные постоянные време-

ни τon, τoi, τin, τii. Постоянные времени τon, τoi, τin, τii опреде-

ляются по следующим оценочным формулам [9]:

τin ≈ [Wep L2ib/(2 F Xb De)] [1+Bi We/(Wep Lib)], τii ≈ [Wep L2ib/(2 F Xb De)][1+2 Lb We/(Wep Lib)],

121

анализируя которые, не представляет сложности выработать рекомендации по снижению постоянных времени.

Наряду с постоянными времени τon, τoi, τin, τii для коэффициентов αоn, αоi, αin, αii широко применяется постоянная времени τbon для коэффициента Вon (одного из основных режимов управления переключающим МКТ во включении в схеме с общим эмиттером в активной области)

τbon ≈ τe/(1+Ge) = τon (1+ν Bon) = τon/(1–ν αоn). (2.118)

Постоянная времени рассасывания избыточных носителей при выключении МКТ оценивается по выражению

τр ≈ (τon + τo)/(1– αоn αoi).

Соотношение (2.118) определяет зависимость τbon и Bon от τe. Учитывая формулы (2.110), (2.117), можно формулу (2.118)

и применять полученный результат для оценки τbon по принятому значению Bon.

На длительность процесса переключения МКТ оказывают влияние не только параметры диффузионных и дрейфовых процессов, но и процессы перезаряда барьерных емкостей переключаемых переходов. Такими переходами являются эмиттернобазовый и коллекторно-базовый. Вследствие изменения напряжения барьерные емкости, являясь функциями напряжения, изменяются. Для оценки вносимой задержки и искажения фронтов переключения в первом приближении целесообразно емкости принять неизменными, определяя их при усредненном напряжении на переходах Ucp ≈ (U0+U1)/2 по формулам

Сeb = ε ε0 Se/Web(Ucp), Ccb = ε ε0 Sc/Wcb(Ucp).

Через постоянные времени τbon, τр, емкости Сeb Ccb и токи управления определяются задержки и фронты переключения тока в транзисторах МК-структур. Так, для схемы включения МКТ с общим эмиттером по постоянным времени τi без форсирования выключения внешним вытекающим током базы время рассасыва-

длительность фронта нарастания tн определяется по формуле

122

tн = τbon Ln[(Bon αin Iи–0,1 Ic)/(Bon αin Iи–0,9 Ic)], (2.120)

длительность фронта спада tc определяется по формуле

tc = τbon Ln[(0,9 Ic)/(0,1 Ic)]. (2.121)

Время заряда t+ и разряда t– барьерных емкостей можно оценить при известных значениях емкостей и перепада напряжений по соотношениям вида

В отличие от составляющих tp, tн, tc составляющие t+, t– определяются не отношением токов, а абсолютными значениями тока заряда и разряда емкостей переходов эмиттер-база и коллек- тор-база. Учитывая способ суммирования составляющих длительности (см.формулу (2.85)), следует отметить повышение веса составляющих t+, t– при уменьшении токов прибора.

2.15.4 Транзисторы с контактными переходами Шоттки

Быстродействие переключателей на БПТ в значительной степени определяется длительностью процесса рассасывания заряда неосновных носителей, накопленных в базе и коллекторе при работе транзистора в режиме насыщения. Известны способы защиты БПТ от захода в режим насыщения введением нелинейной обратной связи между коллектором и базой с помощью быстродействующих диодов. Благодаря низким напряжениям спрямления, высокому быстродействию и технологической совместимости со структурами БПТ, переходы Шоттки нашли широкое применение в качестве встроенных элементов нелинейной обратной связи БПТ (см. рис. 2.51, а).

Рисунок 2.51

123

Для исключения поверхностных каналов, повышения пробивного напряжения, снижения плотности обратных токов в структуре (см рис. 2.51, б) введена кольцевая охранная р-область, являющаяся частью общей базовой области. Так как емкость и сопротивление зависят от металла контактной пары, концентрации легирующей примеси базы, формы и площади перехода Шоттки, необходимо их выбором обеспечивать (4–5) кратное превышение граничной частоты перехода Шоттки над граничной частотой собственно транзистора. Топология транзистора с переходом Шоттки (внешние границы коллекторной области на рисунке не показаны) изображена на рисунке 2.51, в. Транзистор с переходом Шоттки часто называют транзистором Шоттки (ТШ).

Полагая, что БПТ при степени насыщения S = BIb/Ic шунтированием коллекторно-базового перехода транзистора переходом Шоттки выводится на границу области ненасыщенного режима, ток перехода Шоттки может быть в первом приближении оценен по формуле

Благодаря меньшим напряжениям спрямления и высокому быстродействию переходов Шоттки ТШ имеют малый инверсный коэффициент усиления, оцениваемый по формуле

Bi ≈ Ie/Ib ≈ q ni2 Db Кш [ехр (φмn/φТ) ] / (Nг Iош), (2.124)

где Кш — отношение площади донной части эмиттерного перехода к площади перехода Шоттки (Sш);

Nг = ∫ Nb(x)dx (0≤x ≤Xb).

Своеобразной платой за ненасыщенный режим функционирования является увеличение остаточного напряжения на открытом транзисторе Шоттки на величину разности напряжений спрямления классического перехода коллектор-база БПТ и перехода Шоттки. В результате повышается уровень нуля выходных напряжений логических элементов в среднем на 0,2 В, снижается амплитуда выходных сигналов и помехозащищенность устройств с ТШ. Тем не менее применение ТШ и переходов Шоттки составили основу для самостоятельного элементного базиса, получившего наименование транзисторно-транзисторной логики с приборами Шоттки (ТТЛШ).

124

Структурно-топологическое решение, показанное на рис. 2.51, а, б, используется не только в одноколлекторных и одноэмиттерных конфигурациях транзисторов, но и в многоэлектродных конструкциях транзисторов. Выигрыш во времени переключения транзисторов из открытого в закрытое состояние в зависимости от условий применения может составлять единицы и десятки раз.

Хотя совокупность параметров ТШ аналогична перечню параметров классических БПТ, для отдельных ТШ определять их не продуктивно. Учитывая специализацию применения в ИМС, сведения, приведенные по специфике конструкций переходов Шоттки и ТШ, достаточны для учета их в физико-топологических моделях конструкций с этими приборами.

Пример. Рассчитать площадь алюминиевого контакта Sш ТШ в n-р-n-транзисторе с граничной частотой fα = 850 МГц и зависимость значения Вi от Kш при Nc = 1016 см–3; B = 300; Db = 18,2 см2/с; Nг = 2,1 1012 см–2 степень насыщения S = 30 при коллекторном токе Ic = 1,8 мА.

При Nc =1016 см~3 постоянная времени τн практически не ухудшает быстродействия ТШ, поэтому ограничивающей является τш. Максимальный ток, протекающий через переход Шоттки, Id=0,18мА. ПриIo=2 Iп=280А/см2 площадьперехода S=64мкм2,

φn = 0,57 В, Сб = 0,06 пФ. При fш= 5 fα Rэ ≤ 0,6 ком. Инверсный коэффициент усиления при Iош = 1,4 10–6 А/см2, Bi = 2 10–4 Кш.

2.15.5 Транзисторы с продольной структурой

В схемотехнике микроэлектронных устройств часто требуется совместить в одном технологическом процессе в пределах одного кристалла БПТ разного типа проводимости. Полагая основной структурой БПТ структуру n-p-n-транзистора, транзисторы со структурой p-n-p исполняются как дополняющие. Так как технологическая структура основного транзистора не соответствует исполнению дополняющего транзистора, то применяются разнообразные конструктивно-технологические решения по созданию дополняющих транзисторов как без увеличения слойного состава структуры, так и с увеличением числа технологических

125

слоев. Основным структурным вариантом дополняющего р-n-р- транзистора является горизонтальная (продольная) изолирован-

дрейфовым, так как его база является однородным n-слоем. Этот факт и меньшая подвижность дырок предопределяют на порядок худшие усилительные и частотные свойства дополняющего р-n- р-транзис-тора при той же ширине базы, что и у основного дрейфового n-р-n-транзистора. Для увеличения коэффициента передачи эмиттерного тока необходимо уменьшать пло-щадь донной части эмиттерного слоя по сравнению с площадью боковых частей, для чего эмиттерный слой следует планировать возможно более узким. Горизонтальному р-n-р-транзистору свойственна электрофизическая симметрия, так как слои эмиттера и коллектора однотипные, что соответствует одинаковым напряжениям пробоя и удельным емкостям эмиттерного и коллекторного переходов. При одинаковых размерах и форме областей эмиттера и коллектора значения нормального и инверсного коэффициентов передачи тока равны.

126

Горизонтальная структура в качестве основной рассматривалась в подразделе, посвященном конструкциям МКТ, где инжектор соответствует эмиттеру, а база МКТ соответствует коллектору дополняющего транзистора. Коэффициент усиления по каждому из коллекторов будет примерно в n раз меньше, чем для единого коллектора, но все коллекторы будут действовать «синхронно», а нагрузки, присоединенные к ним, будут изолированы — «развязаны» друг от друга.

Уменьшить ширину базы, ослабить потери инжекции носителей заряда через донную поверхность эмиттера и потери переноса к коллектору можно в усложненной вертикальной структуре, изображенной на рисунке 2.53, а.

Рисунок 2.53

Согласно рисунку 2.53, а структура вертикального дополняющего р-n-p-БПТ следуют две такие операции:

–глубокая диффузия р-слоя;

–заключительная диффузия р++-слоя.

Последняя операция весьма проблематична, так как для получения р++-слоя необходим акцепторный материал, у которого предельная растворимость больше, чем у донорного материала, используемого в формировании n+-слоя. Поскольку такие материалы практически отсутствуют, необходимо выполнить операцию травления верхней наиболее легированной части n+-слоя перед формированием диффузионного р++-слоя, что дополнительно усложняет технологический цикл.

Большие возможности формирования качественных p-n-p- транзисторов открывает технология КНС («кремний на сапфире»). Транзисторы р-n-p и n-p-n изготавливаются последовательно, начиная с этапа эпитаксии р-слоя. Локальная эпитаксия n- и р-слоев осуществляется через разные маски. Ширина баз и степень легирования эмиттерных слоев могут формироваться. Необ-

127

ходимость в локальной эпитаксии и два дополнительных процесса диффузии существенно усложняют и удорожают производство изделий с взаимодополняющими БПТ по технологии КНС.

В горизонтальном р-n-р-транзисторе, показаном на рисунке 2.52, в отличие от вертикального, до коллектора доходят носители, инжектируемые только боковой поверхностью эмиттерного перехода в горизонтальном направлении (Ig), а носители, инжектируемые основанием в вертикальном направлении (Iv), рекомбинируют в объеме полупроводника. Для удобства расчета электрических параметров обычно заменяют боковые участки эмиттерного перехода прямыми линиями и полагают Lоe= Le+2Хecos (π/4) ≈ ≈Le + l,4Хe; Bоe = Be+l,4Xe; Wob =Wb–l,4Xe. Значения Le, Be и Wb принимаются по границам топологического объекта на фотошаблоне, а Хе — глубина залегания эмиттерного и коллекторного переходов.

Для определения коэффициента передачи тока горизонтального транзистора по аналогии можно воспользоваться расчетным соотношением для коэффициента передачи тока из инжектора в базу МКТ (αin) из подраздела 2.16.2 (с учетом отличий топологических конфигураций рассматриваемых объектов) или выражением общего вида (без учета коэффициента умножения М)

α = γ1 γ β,

где γ1 — поправочный коэффициент, учитывающий долю дырочного тока эмиттерного перехода, протекающего в горизонтальном направлении;

γ — коэффициент инжекции эмиттера через боковую повернность;

β — коэффициент переноса горизонтальной части эмиттерного тока.

Коэффициент γ1 определяется по по формуле

γ1 = [1+ Soe Iv/(Sbе SoeIg)]–1, (2.125)

где Soe,Sbe — площади донной и боковой частей эмиттерного перехода. Составляюшая тока через донную часть эмиттера Iv обуславливает образование паразитной транзисторной связи через элемент VTп. Величина тока Iv зависит от формы эмиттерной области и параметров структуры, образующей транзистор VTп. Для прямоугольных форм эмиттерной и внутренней частей кол-

128

лекторной области учет влияния вариантов ЭПСК структуры основного БПТ со скрытым n+-слоем (или без него) на плотность токов Ig, Iv позволил представить выражение (2.125) для поправочного коэффициента в следующем виде [5]:

при наличии скрытого n+-слоя

γ1 = [1 + (Soе/Sbe) th (Wb/Lp) th (W2/Lp)]–1, (2.125а)

при его отсутствии

γ1 = [1 + (Soе/Sbe) th (Wb/Lp) cth (W1/Lp)]–1. (2.125б)

Значения коэффициентов инжекции γ и переноса β определяются по формулам классической структуры БПТ (см. подраздел 2.13). Из выражений (2.125а), (2.125б) следует, что величина α увеличивается при наличии скрытого n+-слоя и уменьшении W1, а также при уменьшении размера Le эмиттерного перехода и увеличении глубины его залегания.

Геометрические размеры горизонтальных транзисторов выбираются с учетом уровня инжекции по допустимому рабочему току (Ied) для горизонтальной составляющей эмиттерного тока по формулам

где ψ = (Wb /Xe) √[2 (1–β)–1].

По формулам (2.126), (2.126 а) приводится в соответствие с заданным током Ied один из размеров (Ве) эмиттера. Два других размера, глубина залегания Хе и длина Le, полагаются выбранными. Остальные размеры: ширина базы, коллектора, технологические зазоры, размеры контактов определяются конструктивнотехнологическими нормами и ограничениями.

Кроме горизонтальных транзисторов с коллектором, полностью охватывающим эмиттер (см. рис. 12.13), часто используются транзисторы с разомкнутым коллектором (рис. 12.14, а). В этой конфигурации коллекторы могут быть либо объединены, либо использоваться раздельно, и тогда транзистор имеет два коллектора (рис. 12.14, б). Обычно горизонтальные транзисторы имеют В < (50–100).

Температурный коэффициент коэффициента усиления В горизонтального транзистора имеет приблизительно то же значение, что и для вертикального p-n-p-транзистора (0,3–0,5) %/°С.

129

Пример. Выполнить оценку коэффициента передачи горизонтального транзистора со структурой по рисунку 2.5 и а при объединенных коллекторах и ширину эмиттера В2 (по фотошаблону) при следующих исходных ограничениях: рабочий ток Ied =1 мА; длина эмиттера (по фотошаблону) Le =12 мкм; Wb (по фотошаблону) = 6 мкм; Хе =2,4 мкм; ρб = 0,5 Ом см; W2 = 2,6 мкм; Lp = 10,2 мкм.

Результаты оценок: Wob =2,64 мкм; Loe = l5,4 мкм; Soe/Sob= = 3,2; β = 0,97; γ1 = 0,83; α = 0,81; B = 4,3; ψ = 9>1 (эффективный коэффициент инжекции на один коллектор равен γ1/2=0,41); Ied/Be = 0,023 mА/мкм; Boe = 43 мкм; Be = 40 мкм.

Частотные свойства коэффициента передачи горизонтального транзистора определяются аналогично обычному n-p-n-тран- зистору. Однако в частотной модели горизонтального транзистора учитывается заряд неосновных носителей, накапливаемый в «активной» (между боковыми поверхностями эмиттера и коллектора) и «пассивной» (под донной частью эмиттерного перехода) частях базовой области. Для горизонтального транзистора

где Qg = Qoe+Qb;

Qoe, Qb — заряды неосновных носителей, накопленные под донной частью эмиттера и в активной базе соответственно.

При выполнении условий Wb/Lp, W1/Lp выражение (2.127)

Формулы (2.127) не учитывают влияния емкостей переходов эмиттер-база и коллектор-база и подложки. Учет влияния емкостей на быстродействие горизонтального транзистора осуществляется по электрической схеме замещения подобно тому, как это оговаривалось в отношении основного вертикального транзистора. Топология дополняющего БПТ занимает при прочих равных условиях больше площади, чем основной БПТ вертикальной структуры. Потому, несмотря на меньшие удельные емкости перехода эмиттер-база, емкости переходов коллектор-база и база-