Конструкции биполярных транзисторов

Тема 2: Проектирование полупроводниковых ИС на биполярных транзисторах

Основным схемным элементом биполярных ИС является биполярный n-p-n транзистор. Он обладает лучшими характеристиками, чем p-n-p транзистор, а технологически его изготавливать проще, поэтому все остальные элементы биполярных ИС выбирают и конструируют исходя из технологии и конструкции n-p-n транзистора. Практически все элементы изготавливают на основе переходов n-p-n транзистора. В современных ИС широкое распространение получил n⁺-p-n транзистор со скрытым подколлекторным n⁺ слоем, выполненный по планарно-эпитаксиальной технологии. Вид такого транзистора в разрезе изображен на рисунке.

Необходимость скрытого n⁺ слоя объясняется следующими причинами: тело коллектора имеет высокое удельное сопротивление (т.к. коллектор слабо легирован), а вывод коллектора располагается на поверхности. В результате получается большой путь для тока коллектора и потери в коллекторе. Увеличить легирование области коллектора и снизить удельное сопротивление не представляется возможным, т.к. в этом случае резко снижается пробивное напряжение коллекторного перехода. Выходом является формирование скрытого подколлекторного n⁺слоя. Он играет роль шунтирующей проводящей перемычки с малым сопротивлением, через которую протекает весь придонный ток транзистора. Конструктивно этот слой располагается непосредственно под всей базовой областью и простирается до области коллекторного контакта. Толщина этого слоя 2,5-10 мкм, удельное поверхностное сопротивление r_s=10-30 Ом/ٱ. Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмиттерным контактом и для обеспечения требуемого коллекторного тока при минимальном падении напряжения стараются коллекторный контакт расположить как можно ближе к эмиттерному. Минимальные горизонтальные размеры транзистора определяются двумя основными технологическими факторами:

1. Минимально достижимыми при фотолитографии размерами окон в окисле кремния и зазорами между ними.

2. Размер боковой диффузии под окисел.

Поэтому при проектировании транзисторов следует учитывать, что расстояние между базовой областью и коллекторным контактом должно быть значительно больше суммарных размеров боковой диффузии двух областей. Расстояние между изоляцией p-области и элементами транзистора также определяются размерами боковой диффузии. Эти расстояния примерно равны толщине эпитаксиального слоя и составляют 3,5-12 мкм.

Существует две основных конструкции биполярного транзистора. Они изображены на рисунках.

не симметричная конструкция симметричная конструкция

В несимметричной конструкции ток от коллектора к эмиттеру протекает только с одной стороны, а в симметричной – с трех сторон. В результате этого сопротивление коллектора получается в три раза меньше, что означает улучшение частотных характеристик и переключательных свойств, а также облегчает разводку соединений между транзисторами.

Рассмотренные конструкции транзисторов хорошо работают только при малых токах (I_K<1мА), т.к. в области средних и больших токов существенную роль начинает играть эффект вытеснения тока эмиттера (резко падает коэффициент передачи тока b), поэтому в мощных транзисторах для увеличения b стараются обеспечить максимальное отношение периметра эмиттера к его площади. С этой целью целесообразно использовать узкий эмиттер с большим периметром. Этого удается достичь за счет «гребенчатой» конструкции эмиттера, причем чем мощнее транзистор, тем больше «гребенок».

Одной из характеристик транзистора являются значения пробивных напряжений двух его p-n-переходов. Обычно концентрация примесей на обеих сторонах p-n-перехода <10¹⁸ атомов/см³. Тогда пробой определяется началом лавинного умножения. Пробивное напряжение U_эб0 в 5-7 раз меньше, чем пробивное напряжение U_кб0, т.к. переход база-коллектор сформирован менее легированными слоями. Напряжение пробоя U_кэ0 меньше U_кб0 и оценивается по следующей формуле: , где m=3 или 4. Пробой может также наступить в результате прокола базы. Такой прокол характерен для транзисторов с особо тонкой базой. Например, при ширине базы w=0,7 мкм пробой наступает при напряжении U_кэ0=3,5 В.

Характеристики транзистора зависят также от частоты сигнала. Эта зависимость объясняется физической структурой транзистора и наличием в нем паразитных элементов. Частота f_Т, на которой коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером падает до 1, называется предельной частотой коэффициента усиления тока. Другой частотной характеристикой является максимальная частота генерации f_max, при которой усиление по мощности падает до 1. Эти две характеристики связаны следующим соотношением: , где – постоянная времени базы транзистора, S – ширина эмиттера.

Для обычного интегрального n-p-n транзистора f_Т=400 МГц, f_max=500 МГц. Т.к. подвижность электронов значительно выше, чем подвижность дырок, то частотные свойства n-p-n транзисторов на порядок выше, чем у p-n-p. Несмотря на низкое пробивное напряжение, во входных каскадах аналоговых ИС широко применяются n-p-n транзисторы с тонкой базой. Такие транзисторы имеют b=2000-5000 при ширине базы w=0,2-0,3 мкм, коллекторном токе I_K<20мкА и напряжении коллектор-эмиттер U_кэ=0,5 В. Пробивное напряжение таких транзисторов U_кэ0=1,5-2 В.

Многоэмиттерный транзистор

Этот тип транзистора широко используется в цифровых ИС. Число эмиттеров обычно колеблется от 2 до 8. Многоэмиттерный транзистор можно рассматривать как совокупность транзисторов с общими базами и коллекторами. При разработке конструкции многоэмиттерного транзистора приходится учитывать несколько обстоятельств. Для подавления действий паразитных n⁺-p-n⁺ транзисторов расстояние между краями соседних эмиттеров должно превышать диффузионную длину носителей заряда в базовом слое. Если структура легирована золотом, то диффузионная длина составляет 2-3 мкм, и указанные расстояния делают примерно равными 10-15 мкм. Для уменьшения паразитных токов через эмиттеры при инверсном включении необходимо искусственно увеличивать сопротивление пассивной области базы, удаляя базовый вывод от активной области транзистора. Кроме этого базовый контакт соединяется с активной областью узким перешейком с сопротивлением 200-300 Ом.

Многоколлекторный транзистор

Такой транзистор является основой логики И²Л. Многоколлекторный транзистор это практически многоэмиттерный транзистор в инверсном включении. В этом случае общим эмиттером является эпитаксиальный слой n, а коллектором – n⁺ малых размеров. Главной проблемой при конструировании такого транзистора является обеспечении достаточно высокого коэффициента усиления в расчете на один коллектор. Для этого скрытый n⁺ слой располагают как можно ближе к базовому слою, а n⁺-коллекторы располагаются как можно ближе друг к другу.

Транзисторы типа p-n-p

Интегральный транзистор типа p-n-p существенно уступает n-p-n транзистору по коэффициенту усиления и предельной частоте. Кроме этого, технологический процесс настроен на изготовление n-p-n транзистора и поэтому p-n-p транзистор приходится производить по этой технологии. В ИС применяются следующие конструкции p-n-p транзистора:

1. Горизонтальный транзистор. В настоящее время эти транзисторы наиболее часто используются в ИС. Это обусловлено совместимостью технологий n-p-n транзистора и горизонтального p-n-p транзистора. Эмиттерный и коллекторный слои получаются на этапе базовой диффузии, причем коллекторный слой охватывает эмиттерный со всех сторон. Базовая область формируется на основе эпитаксиального слоя с подлегированием контактной области во время эмиттерной диффузии. Перенос носителей заряда происходит в горизонтальном направлении.

Перенос носителей заряда наиболее эффективен в приповерхностной области, т.к. здесь расстояние w минимально и кроме этого здесь наиболее высокая концентрация носителей заряда. Ширину базы w удается выполнить с минимальными размерами 3-4 мкм, ограниченными величиной боковой диффузии под окисел. В результате получается b≈50, f_Т ≈20-40 МГц. При обычной технологии без труда удается получить w=6-12 мкм. При этом b≈1,5-20, f_Т ≈2-5 МГц. Для подавления действия паразитных p-n-p транзисторов стремятся уменьшить площадь данной части эмиттера. Для этого его делают возможно более узким и используют скрытый n⁺ слой. На основе горизонтального транзистора легко сформировать многоколлекторный транзистор типа p-n-p. Для этого достаточно разрезать кольцо коллектора на несколько частей. Основным недостатком горизонтального p-n-p транзистора является сравнительно большая ширина базы и неоднородность распределения примесей в ней.

2. Дрейфовый транзистор.

Два электрода в противоположных концах базы создают в базовом слое электрическое поле, которое уменьшает время переноса инжектированных дырок и создает в эмиттере напряжение смещения, снижающее инжекцию из донной части транзистора. За счет этого коэффициент передачи тока b повышается до 10, а предельная частота f_Т – до 10-30 МГц.

3. Вертикальный транзистор.

Для получения такой структуры приходится изменять технологию: проводится более глубокая диффузия для формирования p-слоя и вводится дополнительная операция диффузии для создания p⁺⁺области, причем для получения p⁺⁺ требуется акцепторная примесь, у которой предельная растворимость больше, чем у донорной примеси n⁺. Фактически перед проведением диффузии акцепторной примеси приходится стравливать наиболее легированную поверхностную часть n⁺ слоя, а это еще одна дополнительная технологическая операция.

Составные транзисторы

Составные транзисторы могут быть реализованы на основе двух транзисторов одного или различных типов, расположенных в одной изолированной области. В зависимости от подключения выводов можно получить различные конфигурации составных транзисторов:

Составной транзистор имеет коэффициент усиления b_сост≈ b₁·b₂. Однако его быстродействие определяется наименьшим быстродействием входящих в него транзисторов.

Торцевые транзисторы

Торцевые транзисторы используются в быстродействующих маломощных ИС. Высокое быстродействие этих транзисторов объясняется малой емкостью p-n-переходов. Существует два варианта реализации этих транзисторов:

Малая емкость p-n-перехода получается за счет его малой площади. Удается добиться площади торцевой части эмиттера 6 мкм², а торцевой части коллектора 30 мкм². В результате получается емкость примерно 0,001 пФ. Это на 1-2 порядка меньше, чем в других типах транзисторов. Однако такой транзистор имеет небольшой коэффициент усиления по току (b≈2). Это объясняется тем, что в полупроводнике у границы раздела полупроводник-диэлектрик существует большая плотность дислокаций, возникающих из-за различия кристаллических решеток диэлектрика и кремния. Полупроводник с высокой плотностью дислокаций имеет малое время жизни неосновных носителей, а транзистор на его основе имеет малый коэффициент переноса носителей в области базы.

Из двух конструкций лучшими электрическими параметрами обладает торцевой транзистор, сформированный в толще кристалла и изолированный с помощью диэлектрика, т.к. диэлектрик здесь образован окислением кремния и имеет кристаллическую решетку почти такую же, как и у легированного кремния (b=20-30, но иногда достигает 100).

Транзисторы с повышенным пробивным напряжением

В целях повышения пробивного напряжения стараются уменьшить кривизну характеристик коллекторного p-n-перехода методом охранного кольца. В этом случае по периферии коллекторного перехода создается дополнительная диффузионная p-область с большей глубиной, чем расчетная глубина коллекторного перехода. Эта углубленная область имеет больший радиус кривизны и называется охранным кольцом. Ширина кольца выбирается минимальной с точки зрения технологии (5-10 мкм), чтобы не увеличивать емкость p-n-перехода. Применение охранного кольца позволяет увеличить пробивное напряжение с 50-70 В до 100-200 В.

В целях повышения пробивного напряжения может также применяться расширенный базовый контакт. В этой структуре высокоомная часть коллектора у поверхности p-n-перехода под действием обратного напряжения обедняется. Отрицательное напряжение на базовом контакте компенсируется действием положительного заряда в приповерхностной области коллекторного перехода. В результате создается расширенная область объемного заряда.

В транзисторе типа p-n-p для повышения пробивного напряжения может использоваться метод противоканальных колец. Этот метод позволяет избежать появления инверсных каналов у поверхности коллектора транзистора. В n-p-n транзисторах инверсные каналы на поверхности возникают редко, а для p-n-p транзисторов это типично. Для исключения этого явления высокоомная область коллектора p-типа рассекается p⁺-областью, в которой инверсия не возникает. Противоканальные кольца формируются одновременно с p⁺-эмиттером.

Транзисторы для быстродействующих и сверхбыстродействующих цифровых ИС

Имеется несколько путей повышения быстродействия транзисторов:

1. Транзистор с диодами Шоттки. Скорость переключения транзисторов, работающих в режиме насыщения, сильно ограничена временем рассасывания избыточного объемного заряда, который накапливается в области базы и коллектора. Это проблема легко решается при сочетании интегрального транзистора с диодом Шоттки, который шунтирует коллекторный переход транзистора.

В этих конструкциях алюминиевая металлизация, обеспечивающая контакт с p-слоем базы, продлена в сторону коллекторного n-слоя. Алюминиевый пленочный проводник образует с p-слоем базы невыпрямляющий омический контакт, а с n-слоем коллектора – контакт Шоттки. На рисунке а) показан транзистор с диодом Шоттки, в котором контакт продлен до охранного кольца. На рисунке б) изображен транзистор с обычным расширенным электродом базы. Диоды Шоттки могут использоваться и в многоэмиттерных транзисторах. При этом диоды с p-n-переходами заменяются диодами Шоттки. Применение диодов Шоттки позволяет увеличить степень интеграции МС при одновременном увеличении быстродействия в 1,5-2 раза.

2. Уменьшение размеров элементов. Пропорциональное уменьшение геометрических размеров всех областей МС является традиционным направлением увеличения ее быстродействия. Это связано с уменьшением паразитных емкостей p-n-переходов. Минимальные размеры топологии определяются возможностями литографии. Наименьшие размеры (<1 мкм) позволяет получить электронолитография и рентгенолитография. Кроме этого размеры транзистора сильно зависят от глубины залегания p-n-перехода, поэтому одним из путей уменьшения размеров транзистора является создание конструкции транзистора с небольшой глубиной залегания p-n-переходов.

Существенное уменьшение глубины залегания p-n-переходов связано с освоением технологии ионного легирования. Недостатками этой технологии является очень высокий уровень дефектности областей кремния, подвергнутых ионной бомбардировке. Этот недостаток удается устранить нанесением на подложку поликристаллического кремния, который и подвергается локальной ионной бомбардировке. Затем производится диффузионный отжиг, в процессе которого примеси диффундируют из поликремния в подложку на небольшую глубину. В результате получается следующая транзисторная структура:

Такой транзистор имеет U_кб=8-12 В, U_эб=3,5-6 В, U_кэ=5-12 В, β=40-100.

Существует также конструкции с выступающими поликремниевыми электродами. Такие конструкции существенно уменьшают размеры транзистора и увеличивают предельную частоту f_Т до 7ГГц.

Применение техники самосовмещения вместе с ионным легированием позволяет получить еще меньшие размеры тразисторов.

Такой транзистор имеет сверхмалые размеры. Однако в нем существует дополнительное сопротивление базы за счет легирования бором поликристаллического кремния. Поэтому без принятия специальных мер эта конструкция непригодна для сверхбыстродействующих ИС. Для устранения этого явления в конструкции применяется особый поликремний, сплавленный с платиной.

Недостатком конструкций с малыми размерами областей является низкое пробивное напряжение переходов и как следствие, пониженное напряжение питания и пониженная помехоустойчивость.

3. Транзистор с эмиттером на гетеропереходах. Гетеропереход – это переход между двумя материалами с различной шириной запрещенной зоны. В обычных транзисторах используется гомопереход с шириной запрещенной зоны по обе стороны эмиттера 1,1 эВ. Большая ширина запрещенной зоны в сторону эмиттера обеспечивает более высокий коэффициент инжекции. Это означает, что в полном токе эмиттерного перехода отношение тока электронов к току дырок будет значительно выше. От коэффициента инжекции непосредственно зависит коэффициент усиления транзистора. В обычном транзисторе повышения этого параметра можно добиться только за счет увеличения концентрации примесей в эмиттере и уменьшения – в базе. В транзисторе на гетеропереходах этого можно добиться и при сильно легированной базе. Меньшее сопротивление пассивной области базы дает возможность значительно повысить быстродействие транзистора без уменьшения или даже с увеличением коэффициента усиления тока β.

Транзистор на гетеропереходах изготавливается с использованием легированного фосфором низкоомного полуизолированного поликристаллического кремния в качестве материала эмиттера. Этот материал является смесью поликристаллического кремния и двуокиси кремния и имеет ширину запрещенной зоны 1,3-1,4 эВ. Пленка полуизолированного поликремния толщиной примерно 0,2 мкм контактирует непосредственно с базовой областью. Поверх нее наносится обычная пленка легированного поликристаллического кремния толщиной 0,3-0,5 мкм, на которую наносится металлическая разводка. Технологически это не связано с введением новых или изменением существующих технологических операций. Такая конструкция позволяет без уменьшения геометрических размеров транзистора добиться быстродействия в 1,5-2 ГГц.

Дата добавления: 2014-01-11