ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м

80

Ccp — полная барьерная емкость перехода коллектор — пластина кристалла.

Инерционность переноса носителей в базе и коллекторном переходе учитывается соответствующим описанием коэффициента «α» управляемого генератора тока «α Ie». Коэффициент «α»

где Твх ≈ Сеb1 Re2 (т.к.Re2 << Rb1+Rb2) — время заряда входной емкости по схеме замещения;

Твых ≈ √{[(Cb1+Cb2) (Rb1+Rb2)]2+[(Rc1+Rc2)Ccp]2} — время заряда емкостей выходной цепи схемы замещения.

Схема замещения транзистора с отображенными в ней элементами физико-топологической модели предпочтительна для оценки длительности процессов переключения в прикладных применениях транзистора. Причиной тому является существенное влияние на переходные процессы, которое оказывают подключаемые к транзистору внешние радиоэлементы. В современных условиях контроль переходных процессов в электронных устройствах поддерживается разнообразными пакетами моделирования электронных схем и процессов распространения в них электрических сигналов. Рабочим материалом для таких программных «инструментов» служат топология электрических схем и значения параметров объединенных схемами радиоэлементов. Схема замещения транзистора вполне может рассматриваться как один из объектов такого рабочего материала.

2.13 Алгоритм проектирования БПТ

Проектирование БПТ ИМС рекомендуется выполнить в следующем порядке:

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

81

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

–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 в эмиттере;

–оценка по рабочему току предельных значений размеров эмиттера,принятиерешения окорректировкеегоформыиразмеров;

–оценка размеров контактов, базы, коллектора разделительных областей между коллекторами смежных коллекторных «карманов»;

–оценка межэлектродных сопротивлений, в том числе сопротивления между электродами коллектор-база БПТ в режиме насыщения (Rke), сопоставление с требованиями к ключевым свойствам и корректировка форм и размеров коллекторной области и контактов к ней по необходимости;

–оценка коэффициента передачи тока базы транзистора с учетом боковой инжекции эмиттера (полагая перенос с боковой поверхности через базу с эффективной ее шириной Wbnэф), сопоставление с требованиями и подготовка заключения по соответствию требованиям задания;

–оценка площадей электродов, емкостей, задержек, постоянных времени для схемы замещения к расчетам переходного режима или ориентировочной оценки времени переключения тока в приборе.

В результате выполнения предложенной последовательности формируется база выходных параметров конструкции прибора (параметры функционального назначения БПТ, 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 тополо-

82

гическим конфигурациям БПТ могут быть помещены в библиотеку элементов системы автоматизированного проектирования конструкций интегральных электронных узлов для применения в качестве базовых конструкций.

Соотношения по выполнению последовательности расчетных оценок приведены в п. 2.12.

2.14 Диоды ИС

2.14.1 Общие замечания

В качестве диодов в ИМС применяются разнообразные структуры, исполненные преимущественно на основе слоев транзисторной структуры [1, 3, 4, 7, 8]. В зависимости от предъявленных схемотехнических требований исполняются диоды с одним, двумя, тремя p-n-переходами. Одним из электродов интегрального диода с одним p-n-переходом является пластина (основание), которая обычно электрически соединена с общим проводом электронного узла. Такой диод не может быть включен в схемы, где соединение любого из электродов диода с общим проводом электронного узла не предусмотрено. Конструкцию диода с одним p- n-переходом, исполненную без применения диэлектрической изоляции, принято именовать «неизолированной», и ее схемотехническое применение ограничено. Конструкции интегральных диодов на основе двух и более p-n-переходов относятся к «изолированным» исполнениям независимо от применения диэлектрической изоляции в конструкции. В интегральных структурах диодов с числом p-n-переходов более одного образуются транзисторные и тиристорные структуры, которые искажают статические и динамические характеристики проектируемых диодов. Создание диодных структур на основе структуры БПТ коммутацией электродных областей открывает определенные возможности управления свойствами «изолированных» диодов.

Наряду с исполнением диодных структур на основе p-n- переходов транзисторных структур в современных конструкциях микросхем применяются выпрямляющие контакты со структурой металл-полупроводник, известные как переходы Шоттки. Конст-

84

база (Сэб),коллектор-база(Скб), коллектор-основание (Скп). По рисунку несложно заключить, что при прямом включении перехода коллектор-база основной n-p-n структуры имеет место инжекция

вколлекторный слой из базового и вынос преобладающей доли инжектированного потока в основание через переход коллектороснование. Кроме этого, названные транзисторы образуют секцию с тиристорной статической характеристикой. Вариации соединений электродов приведенной структуры выбираются таким образом, чтобы названные явления не нарушали условия функционирования электронных узлов при использовании структуры

вдиодном включении. Число возможных вариантов схем соединения электродов основной структуры БПТ для исполнения диодов равно пяти. Эти сочетания отображены на рисунке 2.30 (на схемах рисунка не показан паразитный p-n-p-транзистор, дополняющий основной БПТ).

Рисунок 2.30

В схемах соединений, изображенных на рисунках 2.30, а, в, рабочим является эмиттерный p-n-переход транзисторной структуры как для прямого, так и для обратного включения. В схеме соединения (рис. 2.30, б) характеристика прямого включения определяется в основном коллекторно-базовым переходом с повышенным электродным сопротивлением базовой области, а обратного включения — эмиттерно-базовым переходом. В схемах, изображенных на рисунках 2.30, г, д, рабочим переходом является коллекторно-базовый переход как в прямом, так и обратном включениях и поэтому может применяться при повышенных обратных напряжениях. Из приведенных схем соединений только во включении по схеме (рис. 2.30, а) переход коллектор-база структуры БПТ не подключается под прямое смещение, благода-

85

ря чему исключается гальваническая фильтрация тока из диодной цепи в основание. Эта схема соединения является наиболее удачной для применения в цепях, где такая фильтрация нежелательна или недопустима. Позитивными свойствами структуры с этой схемой соединений являются и минимальное диффузионное накопление носителей при прямом включении перехода эмиттербаза, и минимальное сопротивление между анодом и катодом диода, равное сопротивлению между коллектором и эмиттером. К недостаткам рассматриваемого соединения следует отнести низкую электрическую прочность эмиттерно-базового перехода и повышенную емкость диода на основание, определяемую повышенной площадью перехода коллектор-основание.

Структура со схемой соединений по рисунку 2.30, б не представляет интереса для диодных приложений, уступая по всем показателям структуре со схемой соединений по рис. 2.30, а.

Структура со схемой соединений по рисунку 2.30, в уступает структуре со схемой соединений по рис. 2.30, а в части гальванической развязки от основания, в части диффузионного накопления неосновных носителей в процессе переключения, однако характеризуется меньшей емкостью электродов диода на основание (последовательное соединение емкостей Скб и Скп структуры рисунка 2.29).

В структурах со схемами соединений по рисункам 2.30, г, д наличие эмиттерных областей обуславливает лишь увеличение площади и емкости структуры, снижая скорость переключения диода, и потому эти области не следует исполнять. Имея достоинством высокое допустимое обратное напряжение (соответствующее коллекторно-базовому переходу), пониженную емкость на основание (благодаря низкой удельной емкости и пониженной площади), структуры со со схемами соединений по рисункам 2.30, г, д имеют недостатком гальваническую фильтрацию тока из диодной цепи в размере, превышающем рабочий ток диода в Вп раз (Вп — коэффициент передачи тока базы паразитного транзистора структуры р-n-p на рисунке 2.29) и в Вп раз большее диффузионное накопление неосновных носителей в сравнении со структурой, коммутируемой по схеме рисунка 2.30, а. Рассматриваемая структура и схема соединений приемлемы в высоковольтных входных цепях ТТЛ и ДТЛ схем, где фильтрация на основание

86

тока из электродных областей открытого диода нежелательна. Таким образом, рациональное применение могут иметь три из пяти схем соединения электродов БПТ для диодных приложений.

Кроме обычных диодов, в ИМС используются интегральные стабилитроны. В качестве стабилитронов с напряжением стабилизации (4—7) В применяется переход эмиттер-база в обратном включении. Если необходимы напряжения стабилизации (3—5) В, то в качестве стабилитрона применяют обратное включение диодной структуры на основе перехода эмиттер — закороченные электроды коллектор-база БПТ с тонкой базой. Напряжением стабилизации при этом является напряжение смыкания базы. Стабилитроны могут быть также исполнены в нескольких вариантах структур, изображенных на рисунках 2.31, а, б.

Рисунок 2.31

Вариант структуры стабилитрона, изображенный на рисунке 2.31, а, исполняется в разделительном слое на этапе эмиттерной диффузии. Так как поверхность разделительного слоя сильно легирована, то переход имеет структуру р+-n+ и ему свойствен туннельный низковольтный пробой. Другой вариант структуры стабилитрона, изображенный на рисунке 2.31, б, исполнен на двух р-n-переходах, один из которых работает в режиме лавинного пробоя, а второй — в режиме прямого смещения. Такой вариант привлекателен высокой температурной стабильностью напряжения стабилизации, так как температурные коэффициенты напряжений лавинного пробоя и напряжения спрямления имеют разные знаки. Следует обратить внимание на электрические связи электродов структур, изображенных на рисунке 2.31, с несущим основанием. В структуре на рисунке 2.31, а несущее основание является электродом стабилитрона, а в структуре на рисунке 2.31, б

87

электроды стабилитрона статически отделены от несущего основания.

Для низких напряжений стабилизации, равных или кратных напряжению спрямления (около 0,7 В), применяются последовательные прямые включения диодов структуры БПТ с закороченными электродами коллектора и базы.

2.14.3 Топологические конфигурации диодов

Топологические конфигурации диодов формируются на основе положений, ранее рассмотренных применительно к транзисторным конструкциям. Для полной структуры БПТ со схемой соединений, приведенной на рисунке 2.30, а, ток диода равен току эмиттера. Выбор, формирование топологии и оценка параметров диода не отличаются от методики проектирования и оценки параметров БПТ, за исключением отсутствия нормы на усиление тока.

Топология диода со схемой соединений, показанной на рисунке 2.30, в, исполняется без контактной области на коллекторном слое, что позволяет уменьшить габариты диода по коллекторной области. В отсутствие прямого ограничения на величину плотности тока, величина допустимого рабочего тока для диода ограничена допустимым уровнем неравномерности плотности тока по эмиттерной области. Можно показать, что по этому критерию ток диода Id не должен превышать значения, определяемого по формуле

в которой обозначения переменных соответствуют обозначениям, принятым в формулах (2.48) — (2.53). Как следует из приведенного условия, величина тока диода в рассматриваемой схеме включения не зависит от размеров эмиттера, а определяется отношением длины эмиттера Lэ к ширине Bэ, которое должно

Одно из измерений эмиттера, например длину, можно выбрать, руководствуясь технологическими ограничениями на минимальные размеры топологических форм, а ширину эмиттера привести в соответствие по отношению размеров. Если за основу

88

принять плотность тока, равной плотности эмиттерного тока базовой структуры БПТ (Io), то длину эмиттера можно принять равной

Топологические размеры «изолированного» диода на основе коллекторно-базового перехода транзисторной структуры по схеме соединений, изображенной на рисунке 2.30, д (без эмиттерной области), определяются с учетом того, что ток диода Id является током базы дополняющего транзистора р-n-p (см. рис. 2.24), тогда как полный ток р-эмиттера существенно превышает ток диода. Для обеспечения равномерной плотности тока через эмиттерный переход длина эмиттера выбирается по формуле

(2.49)

в которой параметры В, Iо, R□a определяются для структуры транзистора на основе базового, коллекторного слоев и основания. Площадь эмиттера должна соответствовать току эмиттера Iэ, определяемому соотношением

Iэ = (В+1) Id.

Снижение тока, фильтруемого на основание, может быть обеспечено уменьшением площади донной части, уменьшением коэффициента В через снижение коэффициента инжекции и повышением напряжения спрямления по донной части эмиттера.

Для диодов, исполняемых с диэлектрической изоляцией, фильтрация тока на основание (пластину) отсутствует. Выбор форм и размеров таких диодов осуществляется по формулам

(2.87) — (2.89).

2.14.4 Проектные параметры диодов

Параметрами диодов ИМС [3, 4]являются:

–допустимоерабочеенапряжениеобратноговключения,Uобр;

–прямое напряжение диода (напряжение спрямления), Ud;

–рабочий ток прямого включения, Id;

–сопротивление прямого включения, Rd;

–обратный ток диода, Iобр;

89

–барьерные емкости диода Cd и изоляции Си;

–диффузионная емкость Сдиф;

–время переключения диода Тd.

В дополнение к названным параметрам для диодов ИМС характерным свойством является возможная гальваническая связь их электродов с несущим основанием ИМС.

Допустимое рабочее напряжение обратного включения, Uобр для диодов ИМС определяется электрической прочностью рабочего перехода диода и его изоляцией от несущего основания исходной структуры. Влияние эффекта умножения на значение допустимого напряжения изоляции должно учитываться только для схемы включения, изображенной на рисунке 2.30, д, в которой уровень фильтрации тока на основание зависит от умножения в переходе коллектор — основание.

Напряжение спрямления, Ud зависит от контактной разности p-n-перехода, которая, в свою очередь, определяется шириной запрещенной зоны материала и степенью легирования анодной и катодной областей перехода. Напряжение спрямления диода для приближенной оценки значения можно представить в следующем виде

В выражении (2.91) приняты обозначения:

2 > m > 1 — коэффициент учета не идеальности расчетной модели;

Id — рабочий ток диода;

Io Sd = q ni2[Ln/(τn Na) +Lp/(τp Nd)] Sd — ток насыщения ра-

бочего перехода;

q, ni, Ln,, Lр, τn, τp, Na, Nd, Sd — заряд электрона, собственная концентрация носителей в материале, усредненные диффузионные длины неосновных электронов и дырок, времена жизни неосновных электронов и дырок в областях перехода, концентрации акцепторных и донорных примесей, площадь диодного перехода соответственно.

Рабочий ток прямого включения, Id — проектный параметр по функциональному назначению, равный максимально допустимому току применения, а для конструктивного исполнения — это параметр, определяющий выбор форм и размеров диода.