Часть 1

Транзистор с переходом Шоттки

По конструкции это обычный эпитаксиально-планарный транзистор, у которого металлический электрод базы расширен и захватывает коллекторную область, что не требует усложнения в изготовлении (рис. 13.13). Образовавшийся в месте контакта выпрямляющий контакт (переход Шоттки) оказывается включенным параллельно коллекторному переходу в том же направлении. В режимах отсечки и активном режиме, когда потенциал коллекторной области больше базовой, переход Шоттки закрыт и не влияет на работу транзистора. Когда транзистор переходит в режим насыщения, потенциал коллектора становится меньше базового и переход Шоттки открывается раньше (Uнас. коллекторного перехода 0,6 – 0,8 вольта, а переход Шоттки открывается примерно при 0,4 вольта), и избыток заряда из базы перетекает в коллектор, не накапливаясь в ней, снижая время, необходимое на рассасывание, при переключении в закрытое состояние.

Рис. 13.13. Транзистор с переходом Шоттки и его УГО

Полупроводниковые диоды

Для упрощения технологического цикла диоды изготавливают на основе транзисторных структур. На рис. 13.14 представлены интегральные полупроводниковые диоды (схема соединения). Для быстродействующих диодов используется эмиттерный переход при соединенном с базой коллекторе (см. рис. 13.14, а); для диодов, которые должны иметь большое пробивное напряжение, используется коллекторный переход, а эмиттер соединяется с базой (см. рис. 13.14, б). Во втором случае скорость переключения получается в десятки раз ниже из-за большого неравновесного заряда, накапливающегося не только в области базы, но и в области коллектора, а также из-за большей емкости перехода.

251

Рис. 13.14. Использование транзисторов в диодном режиме

МДП-транзисторы

Наибольшее распространение получили транзисторы со встроенным каналом. Эти приборы не нужно специально изолировать от тела кристалла, так как у них область «сток – канал – исток» изолирована от тела кристалла электронно-дырочным переходом, образующимся вдоль линии, отделяющей область р тела кристалла от области n+ истока, области n канала и области n+ стока, переход имеет обратное смещение в рабочем режиме. Площадь, занимаемая на подложке МДП-структурой, оказывается при этом в сотни раз меньше, чем у биполярных структур, что позволяет получить значительно большую плотность размещения элементов на подложке.

Интегральные МДП-транзисторы имеют следующие параметры: ток стока – порядка 10 мА, напряжение стока – до 30 В, входное сопротивление – десятки мегаом, предельная частота – сотни мегагерц. Таким образом, интегральные МДП-транзисторы – сравнительно низкочастотные элементы, что обусловливается большими межэлектродными емкостями.

Следует отметить, что n-канальные транзисторы обладают большим быстродействием, а p-канальные более технологичны.

Многоэмиттерные транзисторы

Многоэмиттерные транзисторы (МЭТ) составляют основу цифровых ИМС транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Имея общий коллектор и базу, МЭТ содержат до 8 эмиттеров. Структура МЭТ и его топология показаны на рис. 13.15, сечения – на рис. 13.16. Особенность работы МЭТ состоит в том, что в любом состоянии схемы коллекторный переход всегда открыт, а эмиттерные переходы могут быть либо открытыми, либо закрытыми.

252

Рис. 13.15. УГО и топология многоэмиттерно транзистора

n

n+

Si-p

Б-Б

n+

Si-p

Рис. 13.16. Сечения многоэмиттерного транзистора

253

Многоколлекторные транзисторы

Многоколлекторные транзисторы (МКТ) находят применение в схемах инжекционной логики. Структура такого транзистора показана на рис. 13.17. Она мало чем отличается от структуры МЭТ. Практически МКТ – это МЭТ, работающий в инверсном режиме. Общим эмиттером в этой структуре является эпитаксиальный n-слой, а коллекторами – n+-области. Такая структура не позволяет получить достаточно высокий коэффициент передачи тока эмиттера ввиду низкой эффективности эмиттера.

Рис. 13.17. Топология многоколлекторного транзистора

Транзисторы с инжекционным питанием

Транзисторы с инжекционным питанием являются основой для по-

строения схем инжекционной логики. Структурно (рис. 13.18, а) они представляют собой интегрированную комбинацию горизонтального транзистора р-n-р и вертикального транзистора n-р-n. При этом база транзистора р-n-p одновременно является эмиттером транзистора n-р-n, а коллектор транзистора р-n-р является базой транзистора n-р-n. Эмиттер транзистора р-n-р называется инжектором. На инжектор через резистор подается прямое напряжение (см. рис. 13.18, б), в результате чего эмиттерный переход транзистора р-n-р открывается и происходит инжекция дырок в его базу. Диффундируя через базу, дырки попадают в коллектор транзистора р-n-р, являющийся одновременно базой транзистора n-р-n. Если базовый вывод транзистора n-р-n соединен с подложкой, то дырки в его базе не накапливаются и оба перехода транзистора находятся в закрытом состоянии. Если же вывод базы не соединен с подложкой, то происходит накопление дырок в базовой области n-р-n-транзистора, то есть имеет место инжекция носителей заряда, отсюда и название «инжекционное питание». В результате инжекции происходит компенсация отрицательных зарядов акцепторов в эмиттерном и коллекторном переходах n-р-n-транзистора, в результате че-

254

го оба перехода открываются и транзистор переходит в режим насыщения. Таким образом, вертикальный транзистор n-р-n выполняет функции электронного ключа.

В схеме инжекционной логики транзистор р-n-р делают многоколлекторным, что позволяет питать от одного горизонтального р-n-р- транзистора несколько вертикальных n-р-n-транзисторов. Вертикальный транзистор n-р-n также делают многоколлекторным, что позволяет одновременно замыкать и размыкать несколько электрических цепей.

Рис. 13.18. Топология (а) и схема транзистора (б) с инжекционным питанием

Технология изготовления ИМС

Технологический процесс изготовления ИМС представляет собой последовательный ряд базовых технологических операций. Особенностью этого процесса является интегрально-групповой метод производства, при котором на общей подложке одновременно создается большое количество одинаковых интегральных микросхем. При этом технологической обработке подвергается сразу несколько подложек.

Полупроводниковые интегральные микросхемы получили наибольшее распространение. У них все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

Для изготовления полупроводниковых микросхем используются кремниевые монокристаллические пластины диаметром 30 – 60 мм с толщиной 0,25 – 0,4 мм. Элементы (микросхемы) – биполярные и полевые транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы – формируют в полупроводниковой пластине методами, известными из технологии дискретных

255

полупроводниковых приборов (селективная диффузия, эпитаксия и др.), но получившими в интегральной технологии дальнейшее развитие. Межсоединения выполняют путем напыления узких проводящих дорожек алюминия на окисленную (т.е. электрически изолированную) поверхность кремния, имеющую окна в пленке окисла в тех местах, где должен осуществляться контакт дорожек с кремнием (в области эмиттера, базы, коллектора транзисторов и т.д.). Для соединения элементов с выводами микросхемы на проводящих дорожках создаются расширенные участки – контактные площадки. Методом напыления иногда изготавливают также резисторы и конденсаторы.

Изготовление полупроводниковых микросхем осуществляется групповым методом, при котором на одной пластине одновременно создается большое число (до 30 – 500) одинаковых функциональных структур (набор элементов и межсоединений). Одновременной обработке подвергается до 20 пластин. После выполнения всех операций по формированию элементов и межсоединений пластину разрезают на части, называемые кристаллами (интегральной микросхемы). Каждый кристалл содержит одну функциональную структуру. Его закрепляют на основании корпуса: контактные площадки кристалла соединяют с траверсами (выводами) корпуса с помощью тонких проводников, на основание надевается крышка корпуса, корпус герметизируют для обеспечения защиты микросхемы от воздействия окружающей среды.

Рассмотрим теперь некоторые особенности элементов полупроводниковых микросхем, обусловленные необходимостью изоляции элементов от тела кристалла, обладающего заметной электрической проводимостью. Изоляция элементов осуществляется либо с помощью дополнительного электронно-дырочного перехода, находящегося под напряжением обратного смещения, либо с помощью тонкого слоя диэлектрика, например, двуокиси кремния. Первый способ сравнительно прост и дешев и поэтому является наиболее распространенным, но при этом токи утечки на тело кристалла оказываются не менее 10 нА, а емкость элемента по отношению к телу кристалла не менее 2 пФ. Второй способ более сложен и дорог, но обеспечивает снижение тока утечки в тысячи раз, а емкости – в десятки раз.

После того как процесс формирования микросхем на общей подложке завершен, производят проверку работоспособности каждой ИМС. Контроль осуществляется с помощью механических зондов – тонких игл, которые контактируют с контактными площадками микросхем. Негодные ИМС отбраковываются.

256

После контроля общую подложку разрезают на отдельные части, каждая из которых содержит одну микросхему. В полупроводниковой технологии эти части называют кристаллами, а в гибридной – платами. Кристаллы (или платы) устанавливают в корпус, периферийные контакты кристалла (платы) соединяют с внешними выводами корпуса, корпус герметизируют, маркируют и упаковывают в тару. Для каждого конструктивнотехнологического типа ИМС разрабатывается свой технологический процесс.

Миниатюризация

Идеи и принципы пропорциональной микроминиатюризации позволяют использовать масштабирование МДП-транзисторов (как наиболее компактных) при разработке интегральных схем на их основе. Такой подход позволил фирме Intel модернизировать процессоры персональных компьютеров каждые три – четыре года. В табл. 13.4 приведены этапы пропорциональной микроминиатюризации процессоров Intel за последние тридцать лет.

На рис. 13.19 показана в полулогарифмическом масштабе эволюция размеров МДП-транзистора и длины его канала. Обращает внимание на себя тот факт, что принципы пропорциональной микроминиатюризации позволили вплотную придвинуться к размерам базового элемента интегральных схем, ниже которых находится предел, обусловленный физическими ограничениями.

Опыт разработки МДП-транзисторов с длинами канала 0,25 – 0,1 мкм показывает, что в таких приборах резко нарастает количество новых физических явлений, в том числе и квантовых. Принцип пропорциональной микроминиатюризации при этих значениях линейных размеров уже перестает работать.

Размер

транзистора

Длина канала

Рис. 13.19. Эволюция размеров длины канала МДП-транзистора (слева)

и размеры (количество транзисторов) в зависимости от степени совершенства технологического процесса в микропроцессорах AMD (справа)

Физические явления, ограничивающие микроминиатюризацию

Анализ показывает, что наряду с тенденцией уменьшения геометрических размеров каждого элемента в схемах проявляется тенденция к увеличению числа элементов в схеме. Если в начале 1960-х годов число элементов в схеме составляло десятки, то в начале 2000-х годов число элементов в схеме составляло сотни миллионов. Обращает на себя внимание тот факт, что в настоящее время плотность упаковки приближается к пределу, обусловленному физическими ограничениями.

Проблемы, связанные с физическими ограничениями микроминиатюризации, требуют рассмотрения основных физических явлений, которые запрещают дальнейшее уменьшение линейных геометрических размеров транзисторов, напряжений и токов транзистора, ограничивают его быстродействие и плотность упаковки. В табл. 13.5 перечислены предельно допустимые значения параметров и основные физические ограничения.

13.6. Корпуса ИМС, техническая документация на ИМС

ИМС выпускают в различных видах корпусов:

∙DIP. Для монтажа в отверстия плат (объемный монтаж).

∙QFP, PLCC, BGA. Для поверхностного монтажа.

∙Бескорпусные ИМС – для специальных целей.

Внешний вид и расшифровка аббревиатур приведены в табл. 13.6. Корпус ИМС должен обеспечить:

∙Защиту от внешних воздействий.

∙Передачу тепла от кристалла (теплоотвод).

∙Надежность присоединения и крепления.

Техническая информация (Datasheet) поставляется производителем и содержит всю техническую информацию по использованию, технологии изготовления и монтажа, проверки, эксплуатации и характеристики ИМС (надежность, рабочая и допустимая температуры и нагрузка). Указываются типы и цоколевка (расположение) выводов в соответствии с внутренней электрической схемой, функциональная схема, рекомендации по использованию. Ниже, на рис 13.20, приведен фрагмент из технической информации микросхемы интегрального стабилизатора фирмы ST.

259

Таблица 13.6