Файл: Электроника Ицкович Учебное пособие Ч2 2017.pdf

91

11 

ТРАНЗИСТОРЫ

ИНТЕГРАЛЬНЫХ

МИКРОСХЕМ

 
Устройство,  принцип  действия,  электрические  характери-

стики  и  параметры  дискретных  биполярных  транзисторов  рас-
смотрены  раньше.  Биполярные  транзисторы  микросхем  подраз-
деляются на бескорпусные транзисторы (компоненты) гибридных 
микросхем  и  интегрированные  в  общей  подложке  транзисторы 
полупроводниковых микросхем. 

Полупроводниковые структуры бескорпусных транзисторов 

аналогичны структурам транзисторов того же назначения, заклю-
ченным  в  корпус.  Структуры  транзисторов  полупроводниковых 
микросхем  имеют  существенные  отличия.  Они  рассмотрены 
в данной главе. По технологическим и ряду других причин, свя-
занных  с  электрофизическими  параметрами  полупроводниковых 
материалов,  в  микросхемах  используют  только  кремниевые  би-
полярные транзисторы. Наиболее широко применяют 

n-р-n

 тран-

зисторы,  так  как  вследствие  большей  подвижности  электронов 
в базе они имеют лучшие электрические параметры — более вы-
сокие граничные частоты и быстродействие. 

11.1 

Особенности

структур

биполярных

транзисторов

 
Главные различия структур биполярных транзисторов полу-

проводниковых микросхем и дискретных транзисторов заключа-
ются  в  том,  что  первые  содержат  дополнительные  области,  изо-
лирующие их от общей полупроводниковой подложки, и все вы-
воды от областей транзистора располагаются в одной плоскости 
на  поверхности  подложки.  Такая  структура  называется  планар-
ной. Она позволяет соединять транзисторы между собой и с дру-
гими элементами микросхемы пленочными металлическими про-
водниками, формируемыми на той же поверхности (см. рис. 11.1). 

Кроме  того,  к  структурам  биполярных  транзисторов,  как 

и других  элементов  микросхем,  предъявляется  специфическое 
требование — площадь,  занимаемая  ими  на  полупроводниковой 
подложке,  должна  быть  минимально  возможной  для  повышения 
плотности  упаковки  элементов  и  степени  интеграции.  Конструк-
ция и технология изготовления транзисторов должна обеспечивать 

92

возможность  одновременного  создания  и  других  элементов  (дио-
дов, резисторов, конденсаторов и т. д.) на основе аналогичных по-
лупроводниковых  слоев,  используемых  при  формировании  эмит-
терной, базовой и коллекторной областей транзистора. В этом со-
стоит  важное  требование  конструктивно-технологической  совме-
стимости элементов полупроводниковых микросхем. 

Рис. 11.1 — Биполярный интегральный  

транзистор 

 
Конструкции биполярных транзисторов различаются, прежде 

всего, способами их изоляции. В первых микросхемах наибольшее 
распространение получили эпитаксиально планарные транзисторы 
с  изоляцией 

р-n

  переходами.  Структура  эпитаксиально-планар-

ного транзистора показана на рис. 11.1, 

а

. Транзистор выполнен на 

высокоомной  подложке 1 

p

−

-типа  с  удельным  сопротивлением 

5...10  Ом

⋅см  и  толщиной 200...300 мкм  в  эпитаксиальном  слое  2           

n

-типа  (удельное  сопротивление 0,5…1 Ом

⋅см,  толщина 

ЭП

W

 — 

8…15 мкм). Локальной диффузией донорных примесей (мышьяка 
или сурьмы), имеющих малый коэффициент диффузии по сравне-
нию  с  бором  и  фосфором,  в  подложке  перед  наращиванием  эпи-
таксиального  слоя 2 создают  скрытый  слой 3 

n

+

-типа  с  низким 

удельным  сопротивлением.  Хотя  первоначально  скрытый  слой 
формируют  в  подложке,  при  дальнейших  высокотемпературных 

93

операциях  (эпитаксии,  окислении,  диффузии  примесей)  он  рас-
ширяется  в  сторону  как  подложки,  так  и  эпитаксиального  слоя. 
Чтобы исключить чрезмерное распространение доноров из скры-
того слоя в эпитаксиальный, применяют донорные примеси с ма-
лым  коэффициентом  диффузии.  Диффузией  бора  через  маску  из 
диоксида кремния на глубину, превышающую толщину эпитакси-
ального слоя, формируют изолирующую область 4 

p

+

-типа, окру-

жающую с боковых сторон (рис. 11.1, 

б

 — вид сверху) коллектор-

ную  область 2 

n

-типа.  Базовую  область 5  

р

-типа  получают  сле-

дующей  локальной  диффузией  бора  на  глубину 2...3 мкм  (это 
глубина залегания металлургической границы коллекторного пе-
рехода). Удельное поверхностное сопротивление базового слоя 5 
(до проведения эмиттерной диффузии) 100…200 Ом.  

На рис. 11.1, 

б

  граница  базы  одновременно  является  грани-

цей  коллекторного 

р-n

  перехода  и  определяет  его  площадь.  По-

следняя  локальная  диффузия  используется  для  формирования 
эмиттерной области 6 

n

+

-типа  и коллекторной контактной обла-

сти 7. Донорной примесью в этом случае обычно служит фосфор, 
обладающий  повышенным  коэффициентом  диффузии  и  повы-
шенной растворимостью в кремнии. Глубина залегания эмиттер-
ного  перехода 1,5—2 мкм,  удельное  поверхностное  сопротивле-
ние  эмиттерного  слоя 2…3 Ом/

É.  В  пленке  диоксида  кремния 8 

(толщина 0,5…1 мкм), покрывающей поверхность кристалла, со-
здают контактные отверстия 9, через которые напылением плен-
ки алюминия формируют контакты к эмиттеру, базе, коллектору 
и  подложке.  Одновременно  создают  внутрисхемные  проводники 
10,  соединяющие  элементы  микросхемы.  Коллекторная  контакт-
ная область 7 с высокой концентрацией доноров необходима по-
тому,  что  при  напылении  пленки  алюминия  на  слаболегирован-
ный слой 2  n -типа получается  не низкоомный омический, а вы-
прямляющий  контакт,  что  недопустимо.  В  эпитаксиально-
планарном  транзисторе  боковые  поверхности 11 изолирующего 

р-n

  перехода  являются  границей  коллекторной  области 2 

n

-типа 

и изолирующей области 4 

p

+

-типа,  а  нижняя  поверхность 12 — 

границей области 2 и скрытого слоя 3 с подложкой. К подложке в 
периферийной  части  кристалла  микросхемы  создают  омический 
контакт (на рисунке не показан). При использовании микросхемы 

94

на этот контакт  подают напряжение, при котором изолирующий 
переход  всегда  смещен  в  обратном  направлении.  Поскольку  об-
ратный ток изолирующего перехода мал, обеспечивается удовле-
творительная  изоляция  транзистора  от  подложки  и  других  эле-
ментов  кристалла  микросхемы.  Области,  окруженные  со  всех 
сторон  изолирующим  переходом,  называют  карманами.  В  них 
размещают не только биполярные транзисторы, но и другие эле-
менты микросхемы. 

Обычно  в  каждом  кармане  формируют  один  элемент,  но 

в некоторых  случаях  размещают  несколько,  например,  биполяр-
ных транзисторов, у которых согласно принципиальной электри-
ческой  схеме  соединены  коллекторы.  Основное  достоинство  ме-
тода  изоляции 

р-n

  переходом — простота  технологии  формиро-

вания  изолирующих  областей 

p

+

-типа.  Для  их  создания  приме-

няют  такие  же  технологические  процессы  (фотолитографию, 
диффузию  примесей),  что  и  для  получения  основных  областей 
транзистора.  Однако  изоляция 

р-n

  переходом  не  является  совер-

шенной,  обратный  ток  этого  перехода  резко  увеличивается  при 
повышении температуры и под воздействием ионизирующих об-
лучений.  Изолирующий  переход  вносит  барьерную  емкость,  ко-
торая  снижает  граничную  частоту  аналоговых  микросхем  и  уве-
личивает задержку переключения импульсных схем.  

Кроме того, изолирующие области 

p

+

-типа (рис. 11.1, 

б

) за-

нимают  значительную  площадь  кристалла  (по  сравнению  с  пло-
щадью  основных  областей  транзистора),  так  как  их  ширина 
должна быть больше удвоенной толщины эпитаксиального слоя. 
Это  условие  связано  с  изотропностью  процесса  диффузии,  при-
меси диффундируют не только в глубь эпитаксиального слоя, но 
и  в  боковом  направлении — под  маску.  Отметим  также,  что 
в структуре  эпитаксиально-планарного  транзистора  большую 
часть  площади  занимают  «лишние»  с  точки  зрения  его  работы 
пассивные области базы 13 и коллектора 14, не занятые контак-
тами (см. рис. 11.1, 

б

). По этим причинам на основе эпитаксиаль-

но-планарных  транзисторов  были  разработаны  и  выпускаются 
промышленностью только микросхемы малой и средней степеней 
интеграции. Важной конструктивной особенностью эпитаксиаль-
но-планарных  транзисторов  является  скрытый  слой 3 

n

+

-типа 

95

(см. рис. 11.1, 

а

), предназначенный главным образом для уменьше-

ния  объемного  сопротивления  коллекторной  области 

1

k

r

  и  напря-

жения насыщения 

1

КЭнас

k k

U

r I

−

. Низкоомный скрытый слой шун-

тирует  расположенный  над  ним  более  высокоомный  коллектор-
ный слой 

n

-типа  и  в  десятки  раз  уменьшает  объемное  сопротив-

ление  коллекторной  области  между  коллекторным  переходом 
и коллекторной контактной областью 7. 

Выходные характеристики в схеме с общим эмиттером (ОЭ) 

в диапазоне малых напряжений 

КЭ

U

  для  транзисторов  без  скры-

того  слоя (1) и  со  скрытым  слоем (2) приведены  на  рис. 11.2. 
Видно, что скрытый слой влияет на форму выходной характери-
стики  только  в  режиме  насыщения  (РН),  где  дифференциальное 
сопротивление  коллекторного  перехода,  смещенного  в  прямом 
направлении,  невелико  Напряжение  насыщения  при  заданном 
коллекторном  токе  насыщения 

.

К НАС

I

  изменяется  пропорцио-

нально объемному сопротивлению коллекторной области.  

I

K

, мА

0

2

4

6

8

U

КЭ

, В 

U

К НАС1 

U

К НАС2 

1,2

1,6

2

2

1

Рис. 11.2 — Выходная характеристика интегрального  

биполярного транзистора при наличии эпитаксиального  

слоя 2 и без него 1 

 
В  режиме  насыщения  или  в  инверсном  режиме  электриче-

ский  переход 

n

+

  на  границе  скрытого  слоя  отражает  дырки,  ин-

жектируемые  из  базы  в  коллектор.  Поэтому  при  прямом  смеще-
нии  коллекторного  перехода  в  структуре  со  скрытым  слоем