Интегральные микросхемы на основе биполярных транзисторных структур

Виды интегральных биполярных транзисторов

Б иполярные транзисторы полупроводниковых микросхем формируются на полупроводниковой подложке р-типа в изолированных от нее локальных областях п-типа, называемых карманами. Изоляция карманов от подложки может быть осуществлена несколькими способами. Идеальной является изоляция с помощью пленки двуокиси кремния (рис. 30, а). Однако такой способ технологически сложен. Наиболее простым является способ изоляции с помощью обратносмещенного р-п-перехода (рис. 30, б), но такой способ несовершенен из-за наличия обратного тока. Основным методом изоляции в современных ИМС является метод комбинированной изоляции, сочетающий изоляцию диэлектриком и обратносмещенным р-п -переходом (рис. 30, в).

Транзисторы типа п-р-п

Биполярные транзисторы типа п-р-п являются основными схемными элементами полупроводниковых ИМС. Наибольшее распространение получили транзисторы, имеющие вертикальную структуру, в которой все выводы от областей транзистора расположены в одной плоскости на поверхности подложки (рис. 31). Такая структура называется планарной. Структура состоит из эмиттерной (1), базовой (2) и коллекторной (3) областей. Под коллекторной областью расположен скрытый п⁺-слой (4). От внешних воздействий структура защищена оксидным слоем SiO₂ (5), в котором имеются окна (6) для присоединения металлических выводов (7) к соответствующим областям структуры. Типичные параметры слоев транзистора приведены в таблице.

Наименование слоев	N, см-3	d, мкм	ρ, Омсм	rS, Ом
Подложка р-типа	1,5·1015	200-400	10	-
Скрытый п+-слой	1016	2,5-10	-	10-20
Коллекторный п-слой	-	3,5-12	0,5-1,0	-
Базовый р-слой	5·1018	1,5-2,5	-	100-300
Эмиттерный п+-слой	1021	0,5-2	-	2-15

Р ис. 31. Вертикальная структура п-р-п биполярного транзистора.

Транзисторы с диодом Шотки

Транзисторы с диодом Шотки находят широкое применение в цифровых ИМС. От обычных транзисторов типа п-р-п они отличаются тем, что параллельно коллекторному переходу включается диод Шотки, представляющий собой выпрямляющий контакт металла с электронным полупроводником. Структура такого транзистора показана на рис. 32. Диод Шотки образуется путем продления вывода базы в сторону коллекторного п-слоя. В области контакта этого вывода с п-слоем возникает выпрямляющий контакт Шотки, включенный параллельно коллекторному переходу.

Р ис. 32. Структура биполярного транзистора с диодом Шоттки.

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 показана на рис. 33. Особенность работы МЭТ состоит в том, что в любом состоянии схемы коллекторный переход всегда открыт, а эмиттерные переходы могут быть либо открытыми, либо закрытыми. При этом возможны три комбинации состояний р-п-переходов.

Р ис. 33. Структура многоэмиттерого транзистора.

Многоколлекторные транзисторы

Многоколлекторные транзисторы (МКТ) находят применение в схемах инжекционной логики. Структура такого транзистора показана на рис. 34. Она мало чем отличается от структуры МЭТ. Практически МКТ — это МЭТ, работающий в инверсном режиме. Общим эмиттером в этой структуре является эпитаксиальный п-слой, а коллекторами — п⁺-области. Такая структура не позволяет получить достаточно высокий коэффициент передачи тока эмиттера ввиду низкой эффективности эмиттера. Практически за счет приближения скрытого слоя к базовому слою и расположения п⁺-коллекторов как можно ближе друг к другу удается получить на всю совокупность коллекторов коэффициент передачи тока α = 0,8-0,9 или β = 4-10, что вполне достаточно для функционирования схемы инжекционной логики.

Рис. 34. Структура многоколлекторного транзистора.

Транзисторы типа р-п-р

Транзисторы типа р-п-р в ИМС играют вспомогательную роль. Их изготовляют одновременно с транзисторами типа п-р-п, и они имеют горизонтальную структуру (рис. 35). В таком транзисторе эмиттерная и коллекторная области р-типа изготовляются одновременно с созданием базовой области транзистора п-р-п. Базовой областью транзистора р-п-р служит эпитаксиальный п-слой. Перенос носителей заряда в таком транзисторе происходит в горизонтальном направлении. Ввиду того что в горизонтальной структуре не удается сделать ширину базы меньше 3-4 мкм, коэффициент усиления β не превышает 50, а предельная частота составляет не более 20-40 МГц.

Рис. 35. Структура горизонтального р-п-р-транзистора.

Транзисторы с инжекционным питанием

Транзисторы с инжекционным питанием являются основой для построения схем инжекционной логики. Структурно (рис. 36, а) они представляют собой интегрированную комбинацию горизонтального транзистора р-п-р и вертикального транзистора п-р-п. При этом база транзистора р-п-р одновременно является эмиттером транзистора п-р-п, а коллектор транзистора р-п-р является базой транзистора п-р-п. Эмиттер транзистора р-п-р называется инжектором. На инжектор через резистор подается прямое напряжение (рис. 36, б), в результате чего эмиттерный переход транзистора р-п-р открывается, и происходит инжекция дырок в его базу. Диффундируя через базу, дырки попадают в коллектор транзистора р-п-р, являющийся одновременно базой транзистора п-р-п. Если базовый вывод транзистора п-р-п 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 п-р-п 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 п-р-п транзистора, в результате чего оба перехода открываются, и он переходит в режим насыщения. Таким образом, вертикальный транзистор п-р-п выполняет функции электронного ключа.

Рис. 36. Структура (а) и электрическая схема (б) биполярного транзистора с инжекционным питанием.

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

Виды интегральных микросхем на биполярных транзисторах

Электронный ключ

Простейшим ключом является биполярный транзистор, включенный по схеме с ОЭ, с резистивной нагрузкой. Нагрузкой ключа также может быть входное сопротивление следующего ключа.

Б ыстродействие ключей на биполярных транзисторах определяется инерционностью процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов. Для повышения быстродействия необходимо либо уменьшить время жизни неравновесных носителей заряда (с помощью введения в базу примеси золота), либо шунтировать коллекторный переход диодом Шотки.

Логические элементы

Логическими элементами называют электронные схемы, выполняющие логические операции с дискретными сигналами. Основными логическими операциями являются: логическое отрицание (инверсия, НЕ), логическое сложение (дизъюнкция, ИЛИ), логическое умножение (конъюнкция, И).

Транзисторно-транзисторная логика

В ыполняет логическую операцию И-НЕ. Основана на специфическом интегральном приборе – многоэмиттерном транзисторе, который позволяет получить существенный выигрыш по площади., поэтому практически вытеснила схему ДТЛ. Недостатком схемы является ограниченное быстродействие, т.к. работа схемы основана на использовании режима глубокого насыщения, который характеризуется накоплением зарядов в базовой и коллекторной областях. Для рассасывания этих зарядов при переходе в закрытое состояние требуется некоторое время.

Эмиттерно-связанная логика

В этой схеме транзисторы не переходят в глубокое насыщение, благодаря чему повышается быстродействие. Основу схемы составляет переключатель тока, имеющий нормальный (операция ИЛИ) и инверсионный (операция ИЛИ-НЕ) выходы. Особенностью схемы является питание от источника с заземленным плюсом, что позволяет повысить помехоустойчивость.

Логические элементы с инжекционным питанием (И²Л)

В таких схемах применяют транзисторы с инжекционным питанием. Реализуемые логические операции – ИЛИ-НЕ, И.

Достоинствами схем И²Л являются: небольшая площадь из-за отсутствия изолирующих карманов между транзисторами (все эмиттеры заземлены); небольшая потребляемая мощность (транзисторы работают в режиме микротоков, а для открытия инжекторного перехода достаточно 1В); достаточно большое быстродействие.