Структуры интегральных схем конструкции активных элементов полупроводниковых микросхем по биполярной технологии Транзисторы типа n–p–n.

Биполярный транзистор n–p–n типа является ключевым элементом полупроводниковых микросхем. Остальные элементы микросхемы выбираются и конструируются таким образом, чтобы они совмещались с основной структурой. Их изготавливают одновременно с созданием n–p–n транзистора на основе какой либо из его областей. Такими образом, выбор физической структуры транзистора однозначно определяет основные электрические параметры микросхемы.

Самое широкое распространение получила транзисторная структура n–p–n структура со скрытым подколлекторным n –слоем (рис. 1). Из рисунка видно, что вывод коллектора расположен на поверхности прибора. Это ведет к увеличению сопротивления тела коллектора и ухудшению характеристики транзистора как в усилительном, так и в переключающем режимах. Увеличение степени легирования всего объема коллекторной области и уменьшение ее удельного сопротивления снижает пробивное напряжение перехода коллектор–база и увеличивает емкость это перехода, т.е. ухудшает характеристики транзистора. Решением этой проблемы является создание скрытого высоколегированного n –слоя на границе коллектора и подложки. Этот слой обеспечивает низкоомный путь току от активной коллекторной зоны к коллекторному контакту, не снижая при этом величину пробивного напряжения перехода коллектор база. Конструктивно этот слой расположен непосредственно под всей базовой областью и простирается вплоть до коллекторного контакта. Типичные значения этого слоя приведены в табл. 3.

Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмиттерной зоной (см. рис. 1). Для обеспечения необходимого коллекторного тока при минимальном последовательном падении напряжения коллекторный контакт располагается как можно ближе к эмиттерному. Минимальные значения горизонтальных размеров прибора определяются технологическими факторами: 

– минимально достижимым при фотолитографии размерами окон в окисле и зазоров между окнами;

– глубиной боковой диффузии примеси под окисел.

Табл. 3Типичные параметры слоев интегрального n–p–n транзистора

Наименования слоя	N, см–3	d, мкм	O, Ом·см	S, Ом/
Подложка p–типа	1,5·1015	200…400	10	–
Скрытый n –слой	–	2,5…10	–	15…50
Коллекторный n–слой	1016	3,5…12	0,15…5,0	–
Базовый p–слой	5·1016	1,5…2,5	–	100–300
Эмиттерный n –слой	1021	0,5…2	–	2…15
Изолирующая область	–	3,5…12	–	6…10
Окисная пленка	–	0,3…0,6	–	–
Алюминиевая пленка	–	0,6…1,0	2,7·10-6	0,06…0,1

Это надо учитывать при проектировании транзисторов для микросхем. Таким образом расстояние между базовой областью и коллекторным контактом должно быть значительно больше суммы размеров боковой диффузии p–базы n –области под коллекторным контактом. Назначение этой n –области состоит в обеспечении надежного формирования невыпрямляющего алюминиевого контакта к слабо легированной n–области коллектора. Расстояние между изолирующей областью p–типа и элементами транзистора определяются также эффектом боковой диффузии. Они должны быть равны примерно толщине эпитаксиального слоя, которая обычно составляет 3,5…12 мкм. Основные параметры слоев интегрального n–p–n транзистора приведены в табл. 3. 

Для уменьшения сопротивления коллектора, а следовательно и характеристик транзистора используют семеричную конфигурацию коллектора (рис. 2). В этом случае коллекторный ток протекает к эмиттеру с трех сторон и сопротивление коллектора оказывается примерно в три раза меньше, чем в структуре представленной на рис. 1. Для конструкции транзистора симметричной конфигурацией облегчается разработка топологии металлической разводки, так как в ней оказывается возможным часть коллекторной области разместить под окислом, а по верх окисла над коллектором провести проводник к эмиттерной или базовой области. На рис. 2 даны топологические размеры областей интегрального биполярного транзистора для микросхемы средней степени интеграции.

При увеличении рабочего тока в транзисторе происходит увеличении плотности тока эмиттера. Это в свою очередь приводит к повышению рекомбинационным потерям носителей в области краев эмиттера и уменьшению коэффициента усиления. Для уменьшения этого эффекта необходимо выбирать топологию мощных транзисторов таким образом, чтобы обеспечить максимальное отношении периметра эмиттера к его площади. На рис. 3 представлена топология и структура для планарного транзистора большой мощности. Для транзистора средней мощности можно использовать две эмиттерные области включенные параллельно, для мощного транзистора использовать “гребенчатую” структуру, т.е. область в которой эмиттерные и базовые области чередуются.

Для повышения значения коэффициента усиления n–p–n транзистора используют так называемый транзистор с тонкой базой. У этих транзисторов толщина базы составляет 0,2…0,3 мкм, а коэффициент усиления – 2000…5000 при I_К = 20 мкм и U_КЭО = 0,5 В. Основным недостатком транзистора с тонкой базой является низкое пробивное значение коллектор– эмиттер, которое составляет 1,5…2 В.

^