Материал: Конструирование микросхем и микросборок. Конспект лекций. Крюков Ю.Г

где  и   коэффициенты усиления по току в схемах с общей базой (ОБ) и с общим эмиттером (ОЭ) соответственно. Для интегральных транзисторов  = 0,99…0,995 при токах порядка нескольких миллиампер,  = 100…200 и тем больше, чем  ближе к 1.

Величину  можно записать в следующем виде:

, (2)

где  =  коэффициент инжекции, характеризующий долю полезной (для npnтранзистора электронной Jээ) составляющей в общем токе эмиттера;  =  коэффициент переноса , характеризующий долю инжектированных носителей, дошедших до коллектора и избежавших рекомбинации.

С допустимой точностью  определяется выражением

 = , (3)

где Lэ  диффузионная длина неосновных носителей в эмиттере;

Дэ, Дб  коэффициенты диффузии в эмиттерной и базовой областях, легированных до концентраций Nэ и Nб соответственно;  тем ближе к 1, чем меньше величины W и Nб/Nэ. Поэтому эмиттерный слой легируют, как можно сильнее. Значения  равны 0,99…0,977 в нормальном токовом режиме и 0,98…0,985 в режиме микротоков.

Коэффициент переноса можно представить выражением

 = , (4)

где   время жизни неосновных носителей в базовой области. Величина  тем ближе к 1, чем меньше ширина базы и больше . Увеличение  ухудшает частотные свойства транзистора, поэтому, как следует из (3) и (4),главным направлением в улучшении характеристик транзисторов является уменьшение ширины базы. Ширина базы в npn транзисторе, изготовленном по эпитаксиально-планарной технологии, составляет обычно 0,6…0,8 мкм с допустимым отклонением  0,1 мкм.

Коэффициенты усиления тока транзистора зависят от режима его работы: при малых значениях тока (0,001…0,01мА) величина  сравнительно невелика из-за малых значений коэффициента инжекции, что объясняется рекомбинацией носителей в эмиттерном переходе. Большая доля рекомбинационных потерь приходится на приповерхностные слои. Именно поэтому качество обработки и пассивация поверхности имеют огромное значение для получения высоких  при малых токах. В области средних и больших токов (больше 1 мА) существенную роль играет эффект вытеснения тока в эмиттере. Напряжение в любой точке эмиттерного перехода представляет собой разность внешнего напряжения U _ЭБ и падения напряжения в объёме базы. Последняя тем выше, чем дальше удалена эта точка от базового контакта. Значит, напряжение в центральной части эмиттера меньше напряжения у его краёв и край эмиттера приобретает большее прямое смещение, чем середина его площади, поэтому внешние области эмиттера будут работать при больших плотностях тока по сравнению с внутренними. Повышенная плотность тока у краёв эмиттера приводит к повышенным рекомбинационным потерям носителей в этих областях и к уменьшению В. Следовательно, топология мощных транзисторов должна обеспечивать максимальное отношение периметра эмиттера к его площади. Например, целесообразно использовать узкие эмиттеры с большим периметром.

Структура интегрального транзистора характеризуется ещё значениями пробивного напряжения двух pn-переходов: эмиттерного и коллекторного. Если концентрация примесей на обеих сторонах pn-перехода в кремниевых транзисторах меньше 10¹⁸ атомов/см³, то при обратном смещении перехода напряжение пробоя определяется началом лавинного умножения. Это происходит, когда в обеднённой области электрическое поле достигает такой величины, когда свободные носители приобретают энергию, достаточную для выбивания дополнительных вторичных электронов, которые в свою очередь генерируют дополнительные электроны и т.д., что приводит к лавинному увеличению свободных носителей. Пробивное напряжение эмиттерного перехода в 5…7 раз меньше коллекторного, так как последний сформирован менее легированными слоями. Напряжение пробоя коллектор-эмиттер можно оценить по формуле

, (5)

где m для npn-транзистора равно 3…4. В формуле (5) для обозначения пробоя использованы общепринятые три подстрочных индекса, причём последний символ “ нуль ” указывает, что при измерение пробивного напряжения цепь третьего вывода транзистора разомкнута.

Характеристики транзистора зависят от частоты сигнала, различны для разных схем включения транзистора, зависят от его физической структуры, наличия в ней паразитных элементов. Частота f_Т, на которой коэффициент передачи по току в схеме с ОЭ уменьшается до 1и транзистор теряет усилительные свойства, называется п р е д е л ь н о й ч а с т о т о й к о э ф ф и ц и е н т а у с и л е н и я тока. Другим показателем, характеризующим высокочастотные свойства транзистора, является максимальная частота генерации f _max, при которой усиление по мощности падает до 1. Они связаны соотношением

, (6)

где r_бС_К –постоянная времени базы транзистора, выраженная через распределённое сопротивление базы r_б и ёмкость коллектора С_К;

S -ширина эмиттера.

Для интегральных транзисторов f_T и f_max приблизительно равны 400 и 900 МГц. Из-за того, что подвижность электронов в полупроводниковом материале существенно выше подвижности дырок, npn-транзисторы имеют более высокую предельную частоту коэффициента усиления, чем pnp-транзистры.

3. Диоды

В качестве диодов в ИС обычно используют транзисторные структуры в диодном включении (рис.7). На этом же рисунке приведены упрощённые схемы диодов.

На рис.7а переходы эмиттер-база и коллектор-база смещены в прямом направлении и носители инжектируются в оба перехода. Так как этот диод образован двумя параллельными переходами, он имеет наибольший обратный ток и наибольшую ёмкость, равную сумме ёмкостей переходов база-эмиттер и база-коллектор. Напряжение пробоя определяется напряжением пробоя перехода эмиттер-база (5…7 В).

При необходимости применения диодов с более высоким рабочим напряжением используются диоды p-n перехода база-коллектор (рис.7б). При удельном сопротивлении коллектора 0,5 Ом/см напряжение пробоя перехода составляет около 50 В. Аналогична схема диода рис.7в, где диод также образован переходом база-коллектор при разомкнутом эмиттере; для уменьшения размеров диода и снижения паразитной ёмкости эмиттерную область в такой структуре обычно не формируют.

В ключение диода согласно рис.7г имеет наименьшую ёмкость, так паразитная ёмкость равна последовательно включённым ёмкостям переходов коллектор-база и коллектор-подложка.

Рис.7. Включение транзисторных структур по диодной схеме

В быстродействующих маломощных переключательных схемах в качестве диода чаще используется p-n-переход эмиттер-база, при этом pn-переход база-коллектор закорочен (рис.7д). Эта структура обладает малым падением напряжения при прямом смещении, незначительной паразитной ёмкостью. Основное достоинство схемы – малое время восстановления.

Время восстановления диода определяет его быстродействие. Если через диод протекает установившийся ток прямого направления, то при переключении полярности напряжения диод переключается не мгновенно. Это объясняется явлением накопления неосновных носителей. Чем выше время их жизни, тем быстрее инжектируемые носители рекомбинируют, а диод быстрее возвращается в равновесное выключенное состояние.

При короткозамкнутом переходе коллектор-база время восстановления получается меньшим, так только при этом условии в коллекторной области не накапливается дополнительный заряд. При разомкнутой цепи коллектора (рис.7г) существует равновесный потенциал смещения в прямом направлении, и помимо заряда в коллекторной области возникает дополнительный заряд в области базы; соответственно время восстановления получается больше.

Наибольшее время восстановления имеет схема, приведённая на рис.7а, где оба перехода сильно смещены в прямом направлении, и имеет место наибольшая величина накопленного заряда.

Следует заметить, что легирование кремния золотом значительно уменьшает время жизни носителей, уменьшая время восстановления.

При выборе диода необходимо учитывать, что в диодах, легированных золотом, обратный ток зависит от температуры, при которой проводится диффузия золота. Чем выше температура, тем больше величина обратного тока, но меньше время восстановления. Падение напряжения на диодах в прямом направлении можно оценить на основании данных об объёмных сопротивлениях различных областей структуры. Задача эта достатоточно сложна, так как эффективные объёмы для определения объёмного сопротивления зависят от варианта диодного включения и могут не совпадать с объёмами транзистора.

Так, например, в переходе коллектор-база при разомкнутом эмиттере ток протекает в основном через четыре вертикальные “стенки” коллекторного перехода, так как “стенки” находятся ближе к контактам, а внутреннее поле базы, связанное с градиентом примесей концентрации, направлено так, что оно противодействует протеканию прямого тока диода по направлению, нормальному к поверхности кристалла. Наименьшее падение прямого напряжения имеет схема, приведённая на рис.7д, в которой переход коллектор-база замкнут, но структура работает всё же как транзистор; поэтому ток базы значительно меньше коллекторного тока.

Наибольшее падение прямого напряжение в схеме, указанной на рис.7г. Этот диод применяется в схемах диодно-транзисторной логики. Для повышения помехоустойчивости диод используется как накопительный элемент, включаемый последовательно с базой переключающего транзистора.

4. Униполярные мдп-транзисторы

Наряду с биполярными структурами в ИС успешно применяются МДП-структуры, которые по принципу действия относятся к полевым приборам.

Униполярные (полевые) транзисторы нашли широкое применение в радиоаппаратуре, как в качестве законченных конструкций, так и в составе ИС.

Существуют две конструктивные разновидности полевых транзисторов: транзисторы с управляющим p-n переходом, реализуемые как дискретные приборы, и транзисторы с изолированным затвором (со структурой металл-диэлектрик-полупроводник) или МДП-транзисторы, которые изготовляют по планарной технологии, рассмотрение которых приводится ниже.

Их работа основана на модуляции сопротивления (проводимости) слоя полупроводникового материала электрическим полем. В отличие от биполярных транзисторов, полевые не имеют усиления по току. Они являются активными элементами, обеспечивающими усиление мощности и напряжения, их характеристики зависят от напряжения. Механизм их работы основан на перемещении только основных носителей заряда, поэтому их называют униполярными. Эти транзисторы имеют преимущество перед биполярными: малый уровень шумов; большая стойкость к радиационным излучениям; устойчивость от перегрузок по току; высокое входное сопротивление (10¹⁵ Ом); простота МДП-технологии по сравнению с биполярной и обусловленный этим более высокий процент выхода годных и меньшая стоимость; самоизоляция МДП-транзисторов от подложки, облегчающая построение ИС; простота построения логических схем и возможность создания схем, содержащих одни МДП- транзисторы; малые геометрические размеры МДП- транзистора (площадь 0,00063 мм² на подложке) по сравнению с биполярными (площадь 0,01 мм²) и обусловленная этим большая плотность упаковки элементов в ИС; электрическая совместимость МДП-ИС с биполярными схемами различных типов; реализация и развитие новых схемных принципов – динамическое хранение информации, память на МДП- транзисторах с нитридным диэлектриком и т.д.

В выпускаемых МДП-приборах в качестве материала активной подложки, в которой формируется проводящий канал, используется монокристаллический кремний. Попытки использовать другие полупроводниковые материалы успеха не имели из-за проблемы стабильности и воспроизводимости приборов.

В приповерхностном слое полупроводниковой пластины методом локальной диффузии формирует исток (И) и сток (С) МДП-транзистора, изолированные от подложки pn-переходами. Между истоком и стоком технологическим путём или с помощью поперечного электрического поля, сосредоточенного в пространстве между полупроводником и затвором, формируют проводящий канал. Тип носителей в канале (электроны или дырки) соответствует типу проводимости полупроводникового материала истока и стока. В зависимости от типа носителей различают МДП-транзисторы с n-каналом (рис.8, а, в) и p-каналом (рис.8, б, г).

МДП-транзисторы, в которых тонкий n- или p-канал сформирован технологическим путём (ионное легирование) называют транзисторами со встроенным каналом (рис.8, а, в). Система затвор-диэлектрик-полупроводниковый канал подобна конденсатору, в котором поверхностная плотность свободного заряда, определяющего проводимость канала, зависит от величины и направления электрического поля в диэлектрике. В МДП-транзисторах со встроенным каналом под действием управляющего поперечного электрического поля, создаваемого напряжением на затворе, осуществляется модуляция проводимости канала и соответственно управление током, протекающим по каналу между истоком и стоком. Так, если в МДП-транзисторе с n-каналом к затвору относительно канала приложено положительное напряжение, то канал обогащается электронами и увеличивается проводимость канала (режим обогащения). Наоборот, при отрицательном напряжении на затворе в канале у границы раздела Si-SiO₂ наблюдается обеднение электронов и проводимость канала уменьшается (режим обеднения). В МДП-транзисторе с p-каналом (рис.8, б) в зависимости от полярности напряжения на затворе наблюдается обогащение (U_З‹0) или о беднение (U_З›0) канала дырками.

Рис.8. Структура МДП-транзистора с изолированным затвором

МДП-транзисторы, в которых проводящий канал устанавливается под действием поперечного электрического поля между затвором и подложкой, называются транзисторами с индуцированным каналом (рис.8, в, г). Такие транзисторы работают только в режиме обогащения. Для образования индуцированного канала в n-канальном приборе на затвор подаётся положительное напряжение. При вполне определённом напряжении на затворе происходит инверсия проводимости приповерхностного слоя полупроводника p-типа, и между истоком и стоком устанавливается n-канал. Проводимость канала модулируется изменением напряжения на затворе. В МДП-транзисторе с индуцированным p-каналом для образования канала на затвор подаётся вполне определённое отрицательное напряжение. При этом приповерхностная область подложки обедняется электронами и обогащается дырками, то есть образуется инверсный p-слой. В ИС МДП-транзисторы с индуцированными каналами обычно выполняют роль управляющих ключей, а МДП-транзисторы со встроенными каналами – активных нагрузок. В последнее время в ИС широко применяют n-канальные МДП-транзисторы, характеризующиеся повышенным быстродействием за счёт большей подвижности электронов в канале, чем дырок.

При практическом применении МДП-транзисторов наиболее часто используются следующие их основные параметры: пороговое напряжение –минимальное напряжение ан затворе, при котором отпирается канал (U_C=const, U_П=0); удельная крутизна, коэффициент влияния подложки и выходное сопротивление. Электрические параметры и характеристики МДП-транзисторов определяются основными параметрами МДП-структуры, к которым относятся: плотность эффективного поверхностного заряда, концентрация атомов примеси в подложке, подвижность носителей у поверхности полупроводниковой пластины на границе между полупроводником и диэлектриком и геометрические размеры структуры (в основном канале).

Важным преимуществом МДП-транзисторов является возможность их использования не только как активного элемента, но и как пассивного. При соответствующем включении МДП-транзистор можно применить как резистор, что позволяет создать большинство ИС только на базе МДП-структур (ключевые, логические ИС).

ИС, содержащие одновременно p-канальные и n-канальные МДП-транзисторы, называют комплиментарными (сокращённо КМДП-ИС). Они отличаются высокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием. Эти преимущества, однако, достигаются за счёт более сложной технологии с меньшим выходом годных схем. В КМДП-ИС возможно получение широкого диапазона напряжения питания от 3 до 15 В, что обеспечивает согласование с практически любыми биполярными схемами.

В стационарном состоянии один из транзисторов КМДП-ИС всегда находится в режиме отсечки канала и поэтому закрыт. Величина тока стока открытого транзистора комплиментарной пары определяется токами утечки одного из стоков pn-переходов и составляет при нормальной температуре единицы наноампер, что обеспечивает получение мощности рассеивания в статическом режиме 10^-9 Вт. При этом соотношение геометрических размеров транзисторов и их характеристик крутизны никак не влияют на логические уровни, что позволяет использовать приборы с примерно одинаковыми значениями крутизны и благодаря этому получить высокое быстродействие и симметрию фронтов задержки. Помехоустойчивость комплиментарных схем за счёт высокой крутизны переходной области передаточной характеристики весьма велика и может достигать 40% от напряжения питания.

Технологический процесс изготовления КМДП с окисным диэлектриком показан на рис.9. Процесс начинается с формирования в подложке n-типа диффузионных “карманов” p-типа, служащих в дальнейшем подложкой для транзистора с каналом n-типа (рис.9,а). После этого с помощью диффузии бора в n-подложку формируют стоковую и истоковую области транзистора с каналом p-типа (рис.9,б), а с помощью диффузии фосфора в “карман” p-типа –стоковую и истоковую области транзистора с каналом n-типа (рис.9,в). В обоих приборах вскрывают окна под окисел затвора, который выращивают одновременно в обеих структурах термическим окислением (рис.9,г). Затем вскрывают контактные окна к диффузионным областям и подложкам и формируют соединительную металлизацию (рис.9,д). Описанный метод базируется на стандартной МОП-технологии, однако, он гораздо сложнее и включает три операции диффузии и шесть процессов фотолитографии. Поэтому КМОП-приборы имеют заметно меньший процент выхода годных и более высокую стоимость. В комплиментарных МДП-ИС общая площадь структуры заметно увеличивается вследствие необходимости формирования достаточно глубоких “карманов” p-т ипа.