Диод Шотки и транзистор с диодом Шотки.

Для быстродействующих ИС применение диодов на основе p–n перехода недостаточно эффективно, из–за сравнительно большого времени переключения. В этом случае используют диод Шотки, конструкции планарных диодов с барьером Шотки представлены на рис. 10.

Диоды Шотки получают, нанося металл непосредственно на полупроводник, легированный донорной примесью. При равномерном легировании эпитаксиального слоя степень легирования должна быть достаточно низкой, чтобы барьер не оказался проницаемым для туннелирующих электронов. На практике концентрация легирующей примеси для диодов Шотки на должна превышать 10¹⁷ см^–3. Наиболее часто в качестве металла для создания металлизации используют алюминий, который может служить для создания диодов Шотки. Высота барьера для такого диода составляет примерно 0,7 В, но воспроизводимость параметров таких диодов достаточно низкая. Для улучшения параметров диода Шотки используют сплав платины и никеля, который образует силицидный слой при взаимодействии с кремнием. Меняя соотношение между никелем и платиной, можно получить высоту барьера от 0,64 до 0,84 эВ. Диоды Шотки с малой высотой барьера можно получить при использовании титана и вольфрама (соответственно 0,53 и 0,59 эВ).

Вторая трудность при создании диодов Шотки является возникновение сильных электрических полей на краях контакта металл–полупроводник, приводящих к пробою диода. Для предотвращения пробоя применяют следующие конструкции:

– по периметру контакта металл–полупроводник формируют сильно легированную p –область, так называемое охранное кольцо (рис. 10,а);

– по периметру контакта Шотки образуют тонкую диэлектрическую прокладку из SiO₂ толщиной 0,1 мкм (рис. 10, б);

Скорость переключения транзисторов, работающих в ключевом режиме, ограничена временем рассасывания избыточного объемного заряда, накапливающегося в областях базы и коллектора. Для уменьшения этого времени в интегральных транзисторах используют транзисторы с диодом Шотки. В этом случае диод Шотки шунтируют коллекторный переход транзистора. На рис. 11 приведены различные конструкции транзисторов с диодом Шотки. В этих конструкциях алюминиевая металлизация обеспечивает контакт с p–областью базы и n–областью коллекторного слоя. На первый взгляд, коллектор оказывается закороченным на базу. На самом деле алюминий образует с p–областью базы невыпрямляющий омический контакт, а с n–слоем коллектора выпрямляющий контакт Шотки. Аналогичные конструкции можно применять для многоэмиттерных транзисторов. В этих случаях увеличивается степень интеграции микросхем, и уменьшается время переключения транзистора из открытого в закрытое состояние в 1,5…2 раза, по сравнению с обычными транзисторами.

Конструкции активных элементов полупроводниковых микросхем на основе полевых транзисторов

Транзисторы со структурой МДП представляют собой одну из разновидностей полевых транзисторов – активных полупроводниковых приборов, в которых используются эффекты дрейфа основных носителей под действием продольного электрического поля и модуляции дрейфового тока поперечным электрическим полем. Действие полевых транзистор основано на перемещении только основных носителей заряда в полупроводниковом материале, в связи с чем эти транзисторы называются униполярными в отличии от биполярных, в которых используются оба типа носителей.

МДП–транзисторы имеют существенные преимущества перед биполярными по конструкции (размеры и занимаемая ими площадь относительно не велики, отсутствует необходимость их изоляции) и электрофизическим параметрам (низкий уровень шумов, устойчивость к перегрузкам по току, высокое входное сопротивление и помехоустойчивость, малая мощность рассеивания, низкая стоимость).

В тоже время БИС на МДП–транзисторах уступают БИС на биполярных транзисторах в технологической воспроизводимости и стабильности параметров.

На рис.12 представлена конструкция МДП–транзистора. Области стока и истока одного типа проводимости и самоизолированы друг от друга p–n переходом. Принцип действия МДП–транзистора основан на эффекте модуляции электропроводности поверхностного слоя полупроводникового материала, расположенного между стоком и истоком. Тип электропроводности канала обязательно совпадает с типом электропроводности областей стока и истока. Так как тип электропроводности истока , стока и канала противоположен типу электропроводности подложки, то сток, исток и канал изолируется от подложки p–n переходом.

В зависимости от типа основных носителей тока в канале различают n–канальные и p–канальные МДП–транзисторы. По конструктивно–технологическому исполнению МДП–транзисторы подразделяют на две разновидности: со встроенным и с индуцированным каналами (рис. 12). Электрическое сопротивление канала зависит от длины l_к и его ширины b_к, оно модулируется напряжением на затворе u_з и зависит от напряжения наведенного поля в полупроводнике, обратно пропорционально толщине диэлектрика h_д и прямо пропорционально проницаемости диэлектрика _д.

Помимо деления МДП–транзисторов по основному признаку –способу формирования и типу электропроводности проводящего канала – существует более детальная классификация, учитывающая конструктивно–технологическое исполнение МДП– транзисторов, например по материалу затвора (с алюминиевыми, молибденовыми, поликремневыми затворами); сочетанию с другими элементами в микросхеме, например комплементарные МДП–транзисторы (КМДП); по функциям, выполняемым в схеме, например активные и нагрузочные транзисторы.

Каждый из четырех типов МДП–транзисторов может быть использован в качестве нагрузки, а его подложка присоединена к источнику питания или нулевой шине. Затвор может иметь пять вариантов подключения: к выходу схемы, шине питания, нулевой шине, автономному источнику питания положительной или отрицательной полярности, ко входу микросхемы. Иными словами существует 48 вариантов использования МДП–транзистора в качестве нагрузки.

Базовой схемой многих МДП–микросхем является инвектор – ключевая схема, содержащая активный транзистор и нагрузку, включенные между шиной питания и землей. С учетом 48 вариантов использования МДП–транзисторов в качестве нагрузки и четырех вариантов схемного включения активного транзистора существует 192 варианта построения инверторов на основе двух МДП–транзисторах. В настоящее время используют только схему с линейной, нелинейной, квазилинейной, токостабилизирующей нагрузками и вариант инвертора на КМДП–транзисторах.

МДП–транзисторы могут служить в схеме и в качестве конденсаторов, для чего можно использовать емкость структур затвор – подложка или емкость обратносмещенных p–n переходов сток(исток) – подложка.

Таким образом, МДП–транзистор может быть основным и единственным элементом МДП–микросхем. Он может выполнять функции активных приборов (ключевой транзистор в инверторах, усилительный транзистор), так и пассивных элементов (нагрузочный транзистор в инверторе, конденсатор в элементе памяти). При проектировании МДП–микросхем можно обходится только одним элементом – МДП–транзистором, конструктивные размеры которого и схема включения будут завесить от выполняемой функции. Это обстоятельство дает существенный выигрыш в степени интеграции.