Значение Rк в случае квадратного коллектора находится из

условия равенства площадей круглого и квадратного коллекторов, так как при этом условии будут равны токи рекомбинаци-

онных потерь в активных базах: Rк2 = c2 / π. В случае RSa →0 выражения для Iб(Rк) и Iк(Rк) сводятся к очевидному соотношению I (Rк) = j(Rк) π Rк2 , т.е. в этом случае эффект оттеснения отсутствует, а U pn (r) =U pn (Rк) = const .

Порядок выполнения работы

1.Снять выходные характеристики трехколлекторного И2Л элемента по каждому из коллекторов для фиксированного напряжения на инжекторе.

2.Снять зависимость тока коллектора от напряжения на базе для вертикального п-р-п+-транзистора И2Л структуры в диапазоне 550–600 мВ, когда эффект оттеснения тока пренебрежимо мал.

Обработка результатов

1.Построить график зависимости Upn(x) для трехколлекторной И2Л структуры.

2.По построенному графику определить среднее значение

смещения под каждым из коллекторов (Uср1,Uср2 ,Uср3 ) .

3. По снятой зависимости Iк = f (Uэб) , используя формулу Iк = I0 exp(Uэб / ϕT ) определить предэкспоненциальный член I0.

4. По найденным значениям (Uср1,Uср2 ,Uср3 ) и I0 определить значение тока каждого из коллекторов для этих смещений без учета эффекта оттеснения.

44

5. Сравнить полученные значения токов коллекторов с измеренными на выходных характеристиках при том же значении Uкэ. Определить отношения Iкiрасч /Iкiэксп.

Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

•титульный лист;

•краткое описание порядка выполнения работы;

•выходные вольтамперные характеристики И2Л структуры по каждому из коллекторов.

Контрольные вопросы

1.Чем ограничено число коллекторов вертикального транзистора И2Л структуры?

2.Какова физическая природа горизонтального тока, создающего падение напряжения вдоль пассивной базы? Движение каких носителей создает этот ток?

3.Объясните механизм возникновения эффекта оттеснения тока от центра к периферии коллектора.

4.Почему на одинаковых по длине участках пассивной базы вблизи первого и последнего коллекторов происходит разное падение напряжения?

5.Объясните разницу в отношениях Iкiрасч /Iкiэксп для различных коллекторов.

Рекомендуемая литература

Аваев Н.А., Дулин В.Н., Наумов Ю.В. Большие интегральные схемы с инжекционным питанием. М.: Сов. радио, 1977.

45

Работа 5

ОСОБЕННОСТИ ТОКОПРОХОЖДЕНИЯ

ВМИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СТРУКТУРАХ

СИЗОПЛАНАРНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ

Цель работы: освоение методики выделения пристеночной компоненты коллекторного тока в структурах с изопланарной изоляцией и изучение влияния заряда в окисле на характеристики структур.

Теоретическая часть

Использование изопланарной изоляции позволяет уменьшить продольные геометрические размеры транзисторных структур, вплотную приблизив их к предельным возможностям современной фотолитографии. Однако изопланарные структуры имеют ряд специфических свойств, так как окисная пленка в них непосредственно граничит с активной областью базы, вследствие чего граница окисел–полупроводник оказывает сильное влияние на характеристики транзисторов. Положительный заряд в окисле приводит к обеднению приграничных областей базы планарного п-р-п-транзистора с «пристеночным» эмиттером (рис. 5.1, а, б) основными носителями р и обогащению неосновными п (рис. 5.1, в). Кроме того, имеет место сужение ширины базы в краевых областях за счет расширения слоев объемного заряда коллекторного и эмиттерного переходов (рис. 5.1, а). Все это приводит к тому, что по мере приближения к окислу происходит увеличение плотности тока инжекции эмиттерного перехода (рис. 5.1, г). Если даже уровень легирования пристеночных областей базы выбран из условия предотвращения появления канала при накоплении радиационно-стимулированного заряда, то эффект неравномерного распределения тока все равно будет существовать и доля периферийной составляющей, особенно для структур с малыми поперечными размерами, может оказаться существенной или даже преобладающей. Это приведет к

46

тому, что характеристики приборов будут заметно отличаться от рассчитанных в предположении равномерного распределения тока инжекции эмиттера. Проведем количественную оценку данного эффекта.

Рис. 5.1. Поперечный разрез транзистора с «пристеночным» эмиттером (а), топология эмиттерной области (б), распределение свободных носителей заряда (в)

иток инжекции (г):

1– эмиттер; 2 – область объемного заряда эмиттерного перехода;

3 – глубокий разделительный окисел;

4 – область объемного заряда коллекторного перехода; 5 – база; 6 – коллектор

Строгое решение задачи требует рассмотрения двумерной модели. Для упрощения будем использовать квазидвумерное приближение, полагая, что электроны, инжектированные в базу из эмиттера, двигаются лишь по оси у, а влияние заряда в окисле сказывается на изменении потенциала и концентрации свободных носителей заряда по оси х. Около границы раздела из-за положительного заряда в окисле концентрация электронов возрастает, а база сужается, поэтому ток инжекции увеличивается. Область сильной инжекции соответствует глубине проникнове-

47

ния электрического поля, создаваемого положительным зарядом, вглубь полупроводника. Примем, что в узкой однородно легированной базе плотность тока инжекции электронов эмиттерного перехода для произвольного уровня инжекции

где Wб – ширина квазинейтральной области базы; рэ и пэ – концентрация дырок и электронов в базе на границе области объемного заряда эмиттерного перехода. Заметим, что граничные концентрации дырок и электронов изменяются по координате х, но при любом х связаны между собой соотношением

Из (5.1) следует, что при «малом» уровне инжекции, когда nэ << pэ

jэ = qDn nэ . Wб

При «большом» уровне инжекции ( nэ >> pэ )

jэ = 2qDn nэ . Wб

Ввиду того, что по мере приближения к окислу равновесная концентрации дырок уменьшается, понятие «малого» и «большого» уровней инжекции с точки зрения величины приложенного напряжения Uэб является чисто условным. Как сказано выше, рост плотности инжектированного эмиттером тока в периферийных областях связан с увеличением пэ (уменьшением рэ) и уменьшением Wб. Найдем зависимость рэ и Wб от координаты х, считая структуру симметричной относительно х = а/2 (см. рис. 5.1, г) и рассматривая лишь левую половину транзистора. Уравнение Пуассона для данного случая записывается следующим образом:

48

С учетом того, что Ex = (ϕT / pэ)(dpэ / dx) , получаем из (5.3)

величину уровня инжекции в объеме нейтральной области базы. При малом уровне инжекции в объеме коэффициент Kэ <<1

и рэV ≈ Na . В этом случае граничная концентрация электронов удовлетворяет условию

nэV = (ni2 / Na )exp(Uэб / ϕT ),

и выполняется неравенство nэV << Na . При большом уровне инжекции Kэ >>1 . Это означает, что

pэV ≈ nэV = ni exp(Uэб / 2ϕT ).

Отметим, что условие малого уровня инжекции в объеме нейтральной области базы не означает его выполнения в области обеднения, так как около поверхности концентрация основных носителей заряда не равна концентрации акцепторов Nа, а может быть много меньше этой величины. Интегрируя левую часть (5.4) от 0 до текущего значения Ех, а правую от рэV до рэ, получаем

49

Граничное условие (х = 0) для решения дифференциального уравнения (5.7) получается из теоремы Гаусса и соотношения

(5.6)

где ZS – значение приведенной концентрации дырок на границе с окислом. Из (5.8) следует

где λ = Nэф / Na Ld . Коэффициент λ, равный отношению эффек-

тивной плотности заряда в диэлектрике к плотности заряда акцепторной примеси в базе на расстоянии длины Дебая, может служить мерой степени обеднения приповерхностной области. Решение дифференциального уравнения (5.7) с граничным условием (5.9) позволяет вычислить Z(x) или рэ(х).

Проанализируем влияние заряда в окисле на ширину областей объемного заряда коллекторного и эмиттерного переходов. Потенциал, наводимый зарядом в окисле, суммируется с потенциалом соответствующей области объемного заряда, в результате чего для низколегированной по отношению к эмиттеру и коллектору базы ширина областей объемного заряда становится равной

где dэ,к – ширина области объемного заряда; ϕэ,к – контактная разность потенциалов; Uэ,к– напряжение на переходе; э,к – индексы, относящиеся соответственно к эмиттерному и коллекторному переходам. До инверсии проводимости приграничной

50