ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 9118
Скачиваний: 23
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, связан-
ных с электрофизическими параметрами полупроводниковых ма-
териалов, в микросхемах используют только кремниевые бипо-
лярные транзисторы. Наиболее широко применяют
n-р-n
транзи-
сторы, так как вследствие большей подвижности электронов в ба-
зе они имеют лучшие электрические параметры — более высокие
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 тре-
бование — 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 обеспечи-
92
вать возможность одновременного создания и других элементов
(диодов, резисторов, конденсаторов и т.д.) на основе аналогич-
ных полупроводниковых слоев, используемых при формировании
эмиттерной, базовой и коллекторной областей транзистора. В
этом состоит важное требование конструктивно-технологической
совместимости элементов полупроводниковых микросхем.
Рис. 11.1 — Биполярный интегральный
транзистор
Конструкции биполярных транзисторов различаются, преж-
де всего, способами их изоляции. В первых микросхемах наи-
большее распространение получили эпитаксиально планарные
транзисторы с изоляцией
р-n
переходами. Структура эпитакси-
ально-планарного транзистора показана на рис. 11.1,
а
. Транзи-
стор выполнен на высокоомной подложке 1
p
−
-типа с удельным
сопротивлением 5...10 Ом
⋅
см и толщиной 200...300 мкм в эпитак-
сиальном 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 сравнению с бором и фосфором, в подложке перед
наращиванием эпитаксиального слоя 2 создают скрытый слой 3
n
+
-типа с низким удельным сопротивлением. Хотя первоначаль-
но скрытый слой формируют в подложке, при дальнейших высо-
93
котемпературных операциях (эпитаксии, окислении, диффузии
примесей) он расширяется в сторону как подложки, так и эпитак-
сиального слоя. Чтобы исключить чрезмерное распространение
доноров из скрытого слоя в эпитаксиальный, применяют донор-
ные примеси с малым коэффициентом диффузии. Диффузией бора
через маску из диоксида кремния на глубину, превышающую
толщину эпитаксиального слоя, формируют изолирующую об-
ласть 4
p
+
-типа, окружающую с боковых сторон (рис. 11.1,
б
—
вид сверху) коллекторную область 2
n
-типа. Базовую область 5
р
-типа получают следующей локальной диффузией бора на глу-
бину 2...3 мкм (это глубина залегания металлургической границы
коллекторного перехода). Удельное поверхностное сопротивле-
ние 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 облас-
ти 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
Π
. В
пленке
диоксида
кремния
8
(
толщина
0,5…1
мкм
),
покрывающей
поверхность
кристалла
,
соз
-
дают
контактные
отверстия
9,
через
которые
напылением
пленки
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
94
контакт
(
на
рисунке
не
показан
).
При
использовании
микросхемы
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
,
биполярных
транзисторов
,
у
которых
согласно
принципиальной
электриче
-
ской
схеме
соединены
коллекторы
.
Основное
достоинство
метода
изоляции
р-n
переходом
—
простота
технологии
формирования
изолирующих
областей
p
+
-
типа
.
Для
их
создания
применяют
та
-
кие
же
технологические
процессы
(
фотолитографию
,
диффузию
примесей
),
что
и
для
получения
основных
областей
транзистора
.
Однако
изоляция
р-n
переходом
не
является
совершенной
,
обрат
-
ный
ток
этого
перехода
резко
увеличивается
при
повышении
температуры
и
под
воздействием
ионизирующих
облучений
.
Изолирующий
переход
вносит
барьерную
емкость
,
которая
сни
-
жает
граничную
частоту
аналоговых
микросхем
и
увеличивает
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
пассив
-
ные
области
базы
13
и
коллектора
14,
не
занятые
контактами
(
см
.
рис
. 11.1, б).
По
этим
причинам
на
основе
эпитаксиально
-
планарных
транзисторов
были
разработаны
и
выпускаются
про
-
мышленностью
только
микросхемы
малой
и
средней
степеней
интеграции
.
Важной
конструктивной
особенностью
эпитаксиаль
-
95
но
-
планарных
транзисторов
является
скрытый
слой
3 n
+
-
типа
(
см
.
рис
. 11.1, а),
предназначенный
главным
образом
для
умень
-
шения
объемного
сопротивления
коллекторной
области
1
k
r
и
на
-
пряжения
насыщения
1
КЭнас
k k
U
r I
−
.
Низкоомный
скрытый
слой
шунтирует
расположенный
над
ним
более
высокоомный
коллек
-
торный
слой
n-
типа
и
в
десятки
раз
уменьшает
объемное
сопро
-
тивление
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
0
2
4
6
8
мА
В
КЭ
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
ды
-