13.3. Высоковольтные биполярные транзисторы

Структура высоковольтных транзисторов достаточно простая (рис 13.2). Изоляция p–n - переходом. Высокие рабочие напряжения достигаются выбором размеров и концентраций примеси в элементах структуры БТ. Рассмотрим подробнее элементы структуры высоковольтного БТ.

1. Скрытый n⁺- слой формируется диффузией сурьмы. Глубина скрытого слоя 46 мкм.

2. Эпитаксиальный слой n - типа легирован фосфором с концентрацией примеси не более 10¹⁵ см^-3. Толщина скрытого слоя – 1520 мкм.

3. Изоляция достигается встречной диффузией бора из скрытого p⁺- слоя и верхнего p - слоя разделения.

4. Глубокий коллекторный контакт получен диффузией фосфора.

5. Пассивная база легирована бором до высокой концентрации (больше 10¹⁹) и глубже активной базы на 11,5 мкм. Вокруг базовой области расположено изолированное кольцо в слое пассивной базы.

6. Активная база и эмиттер сформированы в эпитаксиальном слое. Поликремниевые контакты не используются. Глубина эмиттера – 1,52,0 мкм, базы – 2,53,0 мкм.

7. Контакты к полупроводниковым областям и металлизация первого слоя выполнены из алюминия, легированного кремнием.

Максимальное напряжение коллектор - эмиттер ограничено двумя эффектами:

• «проколом» базы, т. е. смыканием ОПЗ коллекторного и эмиттерного переходов;

• ударной ионизацией в ОПЗ коллекторного перехода.

Для предотвращения «прокола» базы ширина активной базы и эмиттера ограничена 56 мкм. ОПЗ пассивной базы смыкаются под эмиттером при высоких напряжениях и уменьшают обеднение активной базы.

Наибольшая напряженность электрического поля в коллекторном переходе наблюдается на границе с изолирующим диэлектриком и в углах базовой области. Для снижения напряженности поля форма базовой области модифицируется так, чтобы исключить прямые углы. Простейшее решение – это восьмиугольник с углами 135. Охранное кольцо вокруг базы гальванически изолировано при низких напряжениях на коллекторе. При высоких напряжениях ОПЗ коллекторного перехода и охранного кольца смыкаются и часть напряжения передается в охранное кольцо. Дальнейшее повышение напряжения приводит к расширению ОПЗ охранного кольца. Напряжение в промежутке между базой и охранным кольцом почти не изменяется. Горизонтальные промежутки от охранного кольца до областей изоляции и коллекторного контакта выбираются почти равными вертикальному расстоянию от пассивной базы до n⁺- скрытого слоя. При высоких напряжениях ОПЗ коллекторного перехода полностью обедняет эпитаксиальный слой. В этом случае напряженность поля определяется только расстояниями между областями с высоким уровнем легирования. Равенство вертикальных и горизонтальных размеров ОПЗ обеспечивает максимальное пробивное напряжение транзистора.

Если высоковольтный транзистор работает в ключевом режиме, то его быстродействие ограничивается временем рассасывания неосновных носителей в коллекторной области. Для снижения этого времени в структуре создают высокую, но контролируемую концентрацию дефектов. Время жизни неосновных носителей снижается до уровня, меньшего времени диффузионного рассасывания. Контролируемые дефекты вносят одним из двух методов:

• диффузионным легированием золотом с обратной стороны пластины. Коэффициент диффузии золота в кремнии столь велик, что примесь легирует весь объем пластины почти равномерно с концентрацией, близкой к пределу растворимости;

• облучением уже обработанных пластин электронами высоких энергий (больше 1 МэВ). После облучения требуется термостабилизация параметров структуры (400С, 30 мин), так как часть структурных дефектов рекомбинирует. Достоинство метода – хорошая управляемость и возможность повторения процесса.

Высоковольтные интегральные схемы работают при напряжениях до нескольких сотен вольт. Для напряжений выше 400 В обычно используются устройства на основе дискретных полупроводниковых приборов, изготовленных с применением не планарных, а объемных физических структур.

13.4. p–n–p - транзисторы для усилителей низкочастотных сигналов

Обработка сигналов разнообразных датчиков и усиление сигналов звуковых частот не требуют высокого быстродействия БТ. Лучшие схемотехнические решения получаются при использовании двух типов БТ – n–p–n и p–n–p. В усилителях низкочастотных сигналов обычно требуется достаточно большой динамический диапазон. Поэтому используются достаточно высокие напряжения питания – от 10 до 40 В. При таких рабочих напряжениях оптимальная структура n–p–n - транзисторов приближена к структуре высоковольтных БТ. Отличия касаются только толщины и уровня легирования эпитаксиального слоя. Кроме того отсутствует охранное кольцо вокруг базы.

Транзисторы c горизонтальным направлением тока p–n–p - типа (латеральные транзисторы) формируются на основе элементов структуры n–p–n - транзистора и не требуют дополнительных технологических операций (рис. 13.3). Эмиттер и коллектор реализованы в слое пассивной базы. Кольцевой коллектор окружает область эмиттера. Перенос носителей происходит в эпитаксиальном слое базы. Скрытый слой создает встроенное поле, которое препятствует диффузии дырок в подложку. Глубокий контакт к скрытому слою служит контактом к базе биполярного p–n–p - транзистора. Реально достижимые коэффициенты усиления тока в таком транзисторе от 10 до 40. Граничная частота усиления тока – несколько мегагерц. Напряжение Эрли менее 100 В. Омическое сопротивление коллектора и эмиттера очень низкое – несколько Ом, поэтому очень мало остаточное напряжение насыщенного транзистора – менее 100 мВ. Сопротивление – очень важный параметр для статических источников тока и напряжения.

В тех случаях, когда требуется высокое быстродействие p–n–p- БТ, структуру микросхемы приходится усложнять и вводить в нее дополнительные элементы. Для того чтобы изолировать p–n–p- БТ с вертикальным протеканием тока, требуется слаболегированный «карман» n - типа в подложке p - типа проводимости (рис. 13.4). Такой «карман» создается длительной высокотемпературной диффузией фосфора в подложку. Глубина «кармана» – 810 мкм. Далее маршрут изготовления микросхем идет по пути создания высоковольтных транзисторов. Коллекторная область p–n–p- БТ соответствует области разделения, а эмиттер – пассивной базе n–p–n- БТ. Для базовой области требуется дополнительная операция легирования фосфором. Глубина эмиттера – 2,53 мкм, базы – 3,54 мкм. Контакты к базе и коллектору дополнительно легируются вместе эмиттером и базой n–p–n- БТ. Пробивное напряжение коллектор-эмиттер p–n–p - транзистора меньше, а быстродействие примерно в три раза ниже, чем у расположенного рядом в том же кристалле n–p–n- БТ. Тем не менее, получены удовлетворительные характеристики: пробивное напряжение коллектор-эмиттер – более 20 В, коэффициент усиления тока – более 50, граничная частота усиления тока – несколько сотен мегагерц.