ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м

значения δ<<1 относят к низким (когда влиянием δ можно пренебречь), уровни δ ≈ 1 относят к средним (влияние δ следует учитывать) и уровни δ>>1 соответствуют высокой инжекции, при которой наблюдается существенное снижение усиления БПТ относительно значений, соответствующих δ ≤ 1. Ограничивая значение δ = α1 ≤ (0,1–0,3), с учетом определения (2.44), это условие преобразовать к следующему виду

где

Rbс = Wbn/(σ Le Be);

Le,Be — линейные размеры длины и ширины донной части эмиттера.

Представляя рабочий ток транзистора через плотность Io

и применяют в качестве оценочного соотношения для выбора максимальной плотности тока в БПТ, соответствующей коэффи-

циенту запаса α1 ≤ (0,1–0,5).

Биполярный транзистор управляется током во входной цепи, и вследствие этого сопротивления электродных областей входной цепи обуславливают проявление специфического эффекта неравномерности тока эмиттера через инжектирующую поверхность эмиттера. Как видно по рисунку 2.18, ток базы под донной частью эмиттера, направленный в сторону контакта к ба-

в котором Rba, R□a — соответственно полное сопротивление и удельное поверхностное сопротивление «активного» участка базы. С учетом зависимости плотности тока через р-n-переход от напряжения в соответствии с описанием вольтамперной характеристики (ВАХ) и для нормы неравномерности плотности по донной области эмиттера до 20 %, ограничение на ∆U задается неравенством

из которого следует ограничение выбора длины эмиттера Le

Le ≤ √[3 α2 B Ft/(Io R□a)]. (2.49)

Применяя совместно соотношения (2.46) для плотности тока, ограничение на неравномерность плотности по эмиттеру (2.49) и учитывая

Значение Le может быть принято и больше рассчитанной величины, рассчитанной по формуле (2.49а), но при увеличении габаритов эмиттера, и БПТ в целом, увеличение рабочего тока не будет пропорциональным увеличению площади.

Через полученные значения Le, Io, Se, в расчете на заданный рабочий ток, определяется необходимое значение ширины эмит-

62

Ограничения на минимальные размеры длины и ширины эмиттера определяются технологическими нормами на мини- мально-допустимые размеры топологических конфигураций и обсуждаются в следующем параграфе. Размер Ве сверху ограничен рядом условий, одним из которых является эффект неоднородности тока по контакту вследствие конечной электропроводности материала контактной металлизации. Этот эффект аналогичен по природе эффекту влияния Rba на неравномерность плотности тока в эмиттере, но определяется полным током прибора Ip и сопротивлением контактной металлизации к эмиттеру Rke. Ток к эмиттеру интегральных БПТ подводится по ширине Ве, ортогональной измерению Le, и для допустимого перепада

максимальный размер ширины контакта к эмиттеру не должен превышать значенние

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

R□me — удельное поверхностное сопротивление контактной металлизации к эмиттеру.

Так как ширина и длина контактного окна выбираются или оцениваются с учетом технологических ограничений и расчетных

то максимально-допустимый размер Вke определяется через длину эмиттера по формуле

Bke ≤ {√[3 α3 Ft (Le – 2 d1)/(Io R□me Le)] +d12 } – d1. (2.55)

В приведенных формулах d1 есть расстояние между краем контактного окна к эмиттеру и металлургической границей перехода эмиттер-база в топологических конфигурациях проектируемых БПТ. Вопросам последующего формирования топологии БПТ посвящен п. 2.8.4. Такие параметры БПТ, как коэффициент передачи В, сопротивление транзистора во включенном состоянии Rкл, время переключения Тпер зависят от параметров структуры, формы и размеров топологии. С целью снижения объема

63

изложения материала обсуждение влияния топологии на коэффициент В, расчетные соотношения для оценки Rкл и Тпер приводятся после обсуждения вопросов проектирования топологии БПТ.

2.12.4 Проектирование топологии БПТ

К проектированию топологии БПТ должны быть подготовлены:

–каталог топологических конфигураций БПТ;

–технологические допуски на совмещение топологических слоев ∆С и искажение границ (∆L ≈ ∆B) фрагментов этих 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. На рисунке 2.19 изображена простейшая топология БПТ с одиночными полосковыми контактами к каждой их трех областей.

Более развитые по числу электродов и контактов топологии применяются в расчете на повышенные рабочие токи, пониженные сопротивления между электродами БПТ (в первую очередь между эмиттером и коллектором) или с целью уменьшить потери площади кристалла, отводимой под размещение прибора.

На рисунке 2.19 обозначены участки (d1– d7) между смежными границами областей топологии БПТ. Размеры БПТ назначаются по направлениям B и L, индексируются первыми символами принадлежности к соответствующей области топологии (коллектор — «c», база — «b», эмиттер — «е», контактное окно — «k»).

Размеры эмиттера (Le,Be) определяются по формулам (2.46), (2.49), (2.49а), (2.51), (2.53), (2.55). Все остальные размеры топо-

логии определяются через размеры Le, Be и размеры участков

d1 — d7. Размеры участков d1 — d7 определяются конструктив- но-технологическими ограничениями, и их минимальные значения оцениваются по формулам:

В соотношениях (2.56) — (2.56е) приняты обозначения: ∆C,∆L — максимальные абсолютные погрешности совме-

щения смежных слоев и искажения линейных границ любой области в слое соответственно;

Webmax, Wcbmax, Wcpmax — ширины p-n-переходов

«эмиттер — база», «коллектор — база», «коллектор — пластина» соответственно при максимальных допустимых напряжениях (Umax) на переходах БПТ определяются по формулам (2.20), (2.24);

65

hd — глубина проникновения электрического поля в слое (длина Дебая) с запасом для интегральных приборов принимается равной (0,05 ÷ 0,1) мкм.

Ширина (Be) и длина (Le) эмиттера, ширина (Bke) и длина (Lke) контактного окна к эмиттеру к формированию топологии БПТ определены.

Ширина (Bb) и длина (Lb) базы, ширина (Bkb) и длина (Lkb) контактного окна к базе определяются по соотношениям

Bb = Be +2 d3; Lb = Le + Lkb + d2+d3+d4; Lkb≥ Lmin; Bkb = Be. (2.57)

Ширина (Bс) и длина (Lс) коллектора, ширина (Bkс) и длина (Lkс) контактного окна к коллектору определяются по соотношениям:

Bc = Bb +2 d7; Lc = Lb + Lkb + d5+d6+d7; Lkc= Lke; Bkc = Bb. (2.58)

Размеры областей топологии БПТ соответствуют рисунку 2.19 без учета профиля боковых поверхностей технологических структур.

Выбор иных, более сложных топологических конфигураций БПТ осуществляется в случае, если для конфигурации рисунка 2.19 не удовлетворяется условие (2.55) или значительная величина отношения Bc/Lc оказывается неприемлемой из-за значительных потерь площади кристалла, неудобств компоновки массивов элементов. На примере конфигурации БПТ с двумя параллельно включенными эмиттерами, изображенной на рисунке 2.20,

иллюстрируется связь изменения формы, размеров областей с обеспечиваемым током Ip.

Допустимая длина (Lei) каждого из двух эмиттеров определяется по формулам (2.49),(2.49а), и, следовательно, общая длина удваивается в сравнении с одноэмиттерной топологией. Ширина (Bei) каждого из двух эмиттеров определяется по формулам (2.49), (2.49а), и, следовательно, ширина в сравнении с одноэмиттерной топологией могла быть увеличенной в два раза. Для заданного рабочего тока и неизменной плотности тока общая площадь эмиттера (Se) должна остаться неизменной, что соответствует возможному уменьшению ширины Be в два раза. Расчет размеров областей двухэмиттерной топологии основывается на

66

Вывод

базы

Вывод

В

коллектора

Вывод L эмиттера

Рисунок 2.20 – Двухэмиттерная топологическая конфигурация БПТ

учете размеров (d1 — d7) и размера Le, уменьшенного вдвое размера Be. Расчетные формулы для размеров областей двухэмиттерной топологии приведены в примере 1.

Пример 1.

Ширина (Be) и длина (Le) эмиттера, ширина (Bke) и длина (Lke) контактного окна к эмиттеру определяются по перечисленным выше соотношениям в расчете каждого из эмиттеров на половину полного рабочего тока, что определит уменьшение ширины Be вдвое по сравнению с одноэмиттерной топологией.

Ширина (Bb) и длина (Lb) базы, ширина (Bkb) и длина (Lkb) контактного окна к базе определяются по соотношениям

Bb = Be +2 d3; Lb = 2 Le + Lkb + 2 d2+2 d3; Lkb≥ Lmin; Bkb = Be. (2.59)

Ширина (Bс) и длина (Lс) коллектора, ширина (Bkс) и длина (Lkс) контактного окна к коллектору определяются по соотношениям

Bc = Bb +2 d7; Lc = Lb + Lkb + d5+d6+d7; Lkc= Lke; Bkc = Bb. (2.60)

Равную функциональную площадь эмиттера Se с удвоенной длиной Le и уменьшенной в два раза шириной Be эмиттера мож-

но реализовать в топологии БПТ с одним эмиттером и двумя

67

контактами к базе, представленной на рисунке 2.21. Благодаря размещению контактов к базе с двух сторон от эмиттера удвоение длины Le, определяемое по формуле (2.49), не сопровождается увеличением неравномерности плотности тока по эмиттеру, так как каждый из контактов обеспечивает смещение для смежной половины полной площади эмиттера.

Эмиттер

L База

Рисунок 2.21

Расчет размеров областей топологии рисунка 2.21 основывается на учете размеров (d1 — d7), размера Le, увеличенного вдвое к расчетному по формуле (2.49), размера Be, уменьшенного вдвое для сохранения неизменной площади эмиттера. Расчетные формулы для размеров областей топологии БПТ с двумя контактами к базе приведены в примере 2.

Пример 2.

Ширина эмиттера (Be) — формула (2.51), где длина (Le) равна удвоенному расчетному значению формулы (2.49). Ширина (Bke) и длина (Lke) контактного окна к эмиттеру определяются по соотношениям:

Lke = Le – 2 d1; Bke = Be – 2 d1.

Ширина (Bb) и длина (Lb) базы, ширина (Bkb) и длина (Lkb) контактного окна к базе определяются по соотношениям

Bb=Be+2d3; Lb=Le +2 Lkb +2 d2+2d4; Lkb ≥ (1–2)Lmin;Bkb= Be. (2.61)

68

Ширина (Bс) и длина (Lс) коллектора, ширина (Bkс) и длина (Lkс) контактного окна к коллектору определяются по соотношениям

Bc = Bb +2 d7; Lc = Lb + Lkc + d5+d6+d7; Lkc= Lke; Bkc = Bb. (2.62)

Полученные по расчетным формулам размеры следует округлять в сторону больших значений с кратностью ∆L. При необходимости увеличения числа эмиттеров более двух топологические конфигурации эмиттеров могут состоять из композиций, показанных на рисунках 2.20, 2.21.

Сформированный проектный вариант топологии БПТ позволяет выполнить оценку габаритных размеров с учетом параметров технологического варианта структуры, выполнить расчетные оценки сопротивлений, емкостей физико-топологической модели, оценить ключевые свойства, быстродействие, учесть влияние толщин слоев эмиттера и базы на коэффициент передачи тока транзистора.

2.12.5Объемные формы и габаритные размеры элементов ИМС

Несмотря на малую толщину слоя, элементы ПИМС являются объемными объектами. По мере уменьшения топологических размеров в этих объектах возрастает доля боковой поверхности (в направлении, параллельном плоскости кристалла) против доли площади донной поверхности (в направлении, перпендикулярном плоскости кристалла).

Габаритные размеры элементов ИМС определяются не только размерами топологических конфигураций на поверхности кристалла, но зависят от толщины и формы поверхности слоя в глубине кристалла. Профиль боковой поверхности 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 опре-

69

Диффузия

hc

Диффузия

ho

Рисунок 2.22

делить как разделительную внутреннюю, во втором — как раз-

делительную внешнюю. Внешняя разделительная диффузия проводится для изоляции элементов формируемых в эпитаксиальных слоях структур. Различие топологических и габаритных размеров иллюстрируется рисунком 2.22, а, б, где приведены поперечные сечения слоя элемента для внутренней диффузии в слой (см. рис. 2.22, а) и для внешней — на рисунке 2.22, б. На рисунке 2.22 обозначены:

hc — толщина слоя;

hp — глубина разделительной диффузии (hp>(1,1 –1,2) hc) в ЭПС-слое;

f1 = hc при внутренней диффузии (размеры на поверхности элемента соответствуют габаритным;

f2 = hp (1–√1 –(hc/hp)2);

lo — линейный размер донной поверхности элемента:

и, следовательно, габаритные размеры не превышают топологи-

и габаритные размеры превышают топологические на поверхности (lp), что следует учитывать при решении задач компоновки элементов;