|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы На рис. 1.22, а, б показан набор элементов типовой ячейки ТТЛ-матрицы и компоновка этих элементов в базовом кристалле, выполненная с учетом минимизации занимаемой площади. Для удобства трассировки межэлементных соединений как внутри ячейки, так и между ячейками, элементы и контактные площадки имеют унифицированные размеры и регулярное расположение. В качестве примера укажем, что отечественной промышленностью выпускаются быстродействующие ЭСЛ матричные БИС серий К1520ХМ1 и К1520ХМ2. Глава 2. КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ 2.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА Название транзистора - биполярный - означает, что в физических процессах, проходящих в этом полупроводниковом приборе, участвуют как электроны, так и дырки. Движение носителей заряда может быть вызвано двумя причинами: наличием градиента концентрации носителей или наличием градиента электрического потенциала. В первом случае возникает диффузия носителей, во втором - дрейф носителей в электрическом поле. Если действуют обе причины, то полный ток носителей состоит из диффузионной и дрейфовой составляющих. В полупроводнике р-типа основные носители - дырки, в полупроводнике п-типа - электроны. И в электронный, и в дырочный полупроводник могут быть тем или иным способом введены неосновные носители. Процесс введения неосновных носителей называется инжекцией. Предположим для определенности, что в поверхностный слой дырочного полупроводника осуществляется инжекция электронов. Инжектированные электроны благодаря градиенту концентрации начнут диффундировать с поверхности в объем полупроводника. В нем появится электронный ток. Избыточный заряд неосновных носителей - электронов - будет немедленно компенсирован таким же зарядом дырок, притягиваемых к поверхности из глубины полупроводника. Если инжекция неосновных носителей осуществляется постоянно под действием внешнего электрического поля, возникнут потоки электронов и дырок, направленные в разные стороны. Неосновные носители - электроны - будут двигаться в глубь полупроводника, а основные носители - дырки - в сторону инжектирующей поверхности, вблизи которой происходит интенсивная ре- Рис. 2.1. Вертикальная структура интегрального пла-нарно-эпитаксиаль-ного транзистора п-р-п-типа ПоВложна и изоляции Еаза Эмиттер Ноллентор  комбинация дырок с электронами. Полный ток в цепи - величина постоянная, поэтому его электронная и дырочная составляющая меняются в разные стороны: с удалением от поверхности электронный ток убывает (из-за рекомбинации), а дырочный ток растет. Вдали от поверхности дырочная составляющая - главная и имеет чисто дрейфовый характер (дырки двигаются в поле, созданном внешним напряжением); наоборот, в непосредственной близости к поверхности ток почти чисто электронный и обусловлен диффузией электронов. При инжекции электронов в неоднородно легированный полупроводник с внутренним электрическим полем, их диффузия будет сочетаться с дрейфом под действием этого поля. Так как легирование кремниевой пластины донорными или акцепторными примесями при изготовлении микросхем осуществляется с рабочей стороны поверхности, то в полупроводниковых слоях всегда имеется градиент концентрации примеси и движение в них носителей тока является комбинированным. Вертикальная структура интегрального биполярного транзистора (см. рис. 1.12) показана на рис: 2.1. Этот транзистор изготовлен по планарно-эпитаксиальной технологии, оба р-п перехода получены диффузией примесей (вначале акцепторной в эпитаксиальный слой /г-типа, затем донорной в только что сформированную область /7-типа). В процессе первой диффузии формируется базовая область транзистора, р-п переход база - коллектор (коллекторный) и р-п переход эмиттер - база (эмиттерный). Рабочей (активной) областью транзистора называется область, расположенная под донной частью эмиттера (на рис. 2.1 она заштрихована). Остальные области транзистора являются пассивными, т. е. в какой-то мере паразитными. Их наличие обусловлено конструктивно-технологическими причинами. Вырежем под контактом к эмиттеру брусочек материала (см. пунктир на рис. 2.1) и рассмотрим процессы, протекающие в нем при включении транзистора по схеме с общей базой (рис. 2.2). На этом рисунке буквой w обозначена ширина базовой области транзистора, а резисторы Гб и Гк имитируют пассивные области базы и коллектора. Эмиттерный и коллекторный переходы транзистора не являются независимыми. Взаимодействие между ними обеспечивается малой 2 Зак. 918 - о + 9  1/7 Щ i>4 Про(О) г) Рис. 2.2. Нормальное включение rtt-p-rt-траизисто-ра, работающего в активном режиме Рнс. 2.3. Структура планарно-эпитаксиального « + -р-п-транзистора (а) распределение концентраций (б) н результирующее распределение (в) активных примесей, распределение основных и неосновных носителей заряда в отсутствии внешнего электрического поля Точки - обедненные области р-п переходов, стрелки - направление вектора напряженности внутреннего электрического поля шириной базы. У современных транзисторов ш<1 мкм, теоретически минимальное значение w может быть равным 0,03...0,05 мкм. Диффузионная длина носителей тока гораздо больше ширины базы и составляет 5... 10 мкм. Основные свойства транзистора определяются процессами в базе. Если база легирована активной примесью однородно, то движение носителей в ней чисто диффузионное. Если же в базе имеется градиент концентрации примеси, то в ней есть внутреннее электрическое поле и тогда движение носителей в ней будет комбинированным. Транзисторы с однородной базой называют бездрейфовыми, с неоднородной - дрейфовыми. Дрейфовые транзисторы имеют в полупроводниковых микросхемах наибольшее распространение. Распределение концентрации атомов донорной примеси в эмиттере Мд,э И коллекторе Лдк и атомов акцепторной примеси в базе Маб В областях дрейфового транзистора (рис. 2.3, а) показано на рис. 2.3, б, модуль суммарного распределения Лд-iVal - на рис. 2.3, в. Распределение основных и неосновных носителей заряда в этих областях в условиях равновесия дано на рис. 2.3, г. При нормальном включении транзистора на эмиттерном переходе действует прямое напряжение, а на коллекторном - обратное (см. рис. 2.2, 2.3, а). При этом электроны инжектируются из эмиттера в базу, проходят через нее почти без потерь (потери электронов на рекомбинацию невелики, так как ширина базы мала) и попадают в коллектор, находящийся под положительным потенциалом. Коллектор собирает электроны, поступившие из эмиттера в базу. Чтобы третий, изолирующий р-п переход транзистора был смещен в обратном направлении, кремниевая подложка р-типа присоединяется к точке схемы, имеющей наибольший отрицательный потенциал (см. рис. 2.1). В нормальном включении токи коллектора и эмиттера почти одинаковы с точностью до незначительного тока базы (см. рис. 2.2). Последний компенсирует убыль основных носителей (дырок) в результате рекомбинации (хоть и незначительной, но все же отличной от нуля), а также небольшие потери дырок из области базы из-за их инжекции в область эмиттера. Сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода велико- несколько мегаом. Поэтому в цепь коллектора можно включать большие сопротивления нагрузки, не изменяя величины коллекторного тока и обеспечивая в цепи нагрузки выделение значительной мощности. Сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода, наоборот, довольно мало (от единиц до нескольких десятков ом). Поэтому при почти одинаковых токах мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается намного меньше чем мощность, выделяемая в цепи нагрузки. Следовательно, транзистор способен усиливать мощность, т. е. он является усилительным прибором. В транзисторных схемах один вывод прибора обычно используется для входного сигнала, другой - для выходного. Третий вывод - общий для входного и выходного сигнала. Из шести возможных вариантов включения только три дают увеличение полезной мощности. Это уже рассмотренная схема с общим эмиттером (см. рис. 2.2), а также схемы с общей базой и общим коллектором. Каждый из этих вариантов имеет свой набор положительных качеств и недостатков. Выбор того или иного варианта зависит от требуемых значений входного и выходного сопротивлений, коэффициентов усиления по току и напряжению. Схема с общей базой позволяет наглядно рассмотреть работу транзистора, физическую природу проходящих в нем процессов. Однако она обладает малым входным сопротивлением, равным сопротивлению эмиттерного перехода, и не обеспечивает усиления тока, что делает ее не очень удобной для большинства применений. Часто используется другой вариант включения - с общим эмиттером, для которого характерна заданная величина тока базы. В принципе эмиттер и коллектор в схемных включениях транзистора можно поменять местами: на коллекторный переход задать прямое напряжение, а на эмиттерный - обратное. Такой режим работы называют инверсным включением. Передача тока при инверс- ном включении значительно хуже, чем при нормальном по следующим причинам; концентрация активных примесей в коллекторе на несколько порядков меньше, чем в эмиттере, из-за чего электронная составляющая коллекторного тока мала; площадь эмиттера меньше площади коллектора и на нее может попасть только часть электронов, инжектируемых коллектором. Нормальное и инверсное включение обеспечивают активный режим работы транзистора как усилительного прибора. Возможны еще два варианта включения: при прямом смещении и эмиттерного и коллекторного р-п перехода транзистор будет работать в режиме насыщения; при подаче обратного смещения и на эмиттерный и на коллекторный переход транзистор будет работать в режиме запирания (отсечки). В интегральных микросхемах используются и транзисторы, у которых эмиттер и коллектор имеют дырочную проводимость, а база - электронную. Их называют р-п-р-транзисторами. Естественно, что они имеют другие полярности рабочих напряжений. Неосновными носителями в базовой области этих транзисторов будут дырки, подвижность которых в 2...3 раза меньше подвижности электронов. Поэтому быстродействие и ряд других характеристик таких транзисторов хуже, чем у п-р-п-транзисторов. Однако наличие р-п-р-транзисторов в полупроводниковых микросхемах наряду с п-р-«-транзисторами дает дополнительные возможности для улучшения характеристик микросхем. В качестве примера можно указать на наличие горизонтального р-п-р- и вертикального п-р-п-транзисторов в схемах интегрально инжекционной логики (см. рис. 1.19). Транзисторы п-р-п и р-п-р- типа, употребляющиеся совместно в интегральных микросхемах, называют комплементарными (взаимодополняющими). 2.2. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ВАРИАНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ ПО ПЛАНАРНО-ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ Транзисторы типа п-р-п. Биполярный транзистор п-р-п-ти-па является ключевым схемным элементом полупроводниковых микросхем. Он обладает лучшими характеристиками, чем транзистор р-п-р-типа, а технология его изготовления более проста. Остальные элементы микросхемы выбираются и конструируются таким образом, чтобы они совмещались с основной структурой. Их изготавливают одновременно с созданием п-р-п-транзистора на основе какой-либо из его областей. Таким образом, выбор физической структуры транзистора однозначно определяет основные электрические параметры микросхемы. Самое широкое распространение получила транзисторная л+-р-п-структура со скрытым подколлекторным п+-слоем (см. рис. 1.12 и рис. 2.1). Следует обратить внимание на то, что вывод коллектора интегрального транзистора расположен на поверхности прибора. Это ведет к увеличению сопротивления тела коллектора и ухудшает характеристики транзистора как в усилительном (частотную), так и в переключающем (уменьшает эффективность переключателя в режиме насыщения) режимах. Увеличение степени легирования всего объема коллекторной области и уменьшение ее удельного сопротивления снижает пробивное напряжение перехода коллектор - база и увеличивает емкость этого перехода, т. е. тоже ухудшает характеристики транзистора. Компромиссным решением проблемы является создание скрытого высоколегированного п+-слоя на границе коллектора и подложки. Этот слой обеспечивает низко-омный путь току от активной коллекторной зоны к коллекторному контакту, не снижая величины пробивного напряжения перехода коллектор - база. Конструктивно этот слой располагается непосредственно под всей базовой областью и простирается вплоть до дальней от базы стороны коллекторного контакта. Толщина этого слоя составляет 2,5...10 мкм, типичные значения ps=10...30 Ом/П. Рабочая зона транзистора начинается непоредственно под эмиттерной зоной (см. рис. 2.1). Для обеспечения необходимого коллекторного тока при минимальном последовательном падении напряжения коллекторный контакт располагают как можно ближе к эмиттерному. Минимальные значения горизонтальных размеров прибора определяются двумя основными технологическими факторами: минимально достижимыми при фотолитографии размерами окон в окисле и зазоров между окнами и глубиной боковой диффузии примеси под окисел. Поэтому при проектировании транзистора надо учесть, что расстояние между базовой областью и коллекторным контактом должно быть значительно больше суммы размеров боковой диффузии р-базы и п+-области под коллекторным контактом. Назначение этой п"-области состоит в обеспечении надежного формирования невыпрямляющего алюминиевого контакта к слаболегированной п-области коллектора, поскольку алюминий является акцепторной примесью в кремнии с пределом растворимости около 10 атомов/см. Уровень же легирования эпитаксиального слоя п-типа, составляющего тело коллектора, равен 10...10* атомов/см. Он диктуется, как уже сказано, необходимостью увеличить напряжение пробоя перехода коллектор - база. Расстояния между изолирующей областью р-типа и элементами транзистора определяются также эффектом боковой диффузии. Они должны быть равны примерно толщине эпитаксиального слоя, которая составляет обычно 3,5... 12 мкм. Две типичных конфигурации интегральных транзисторов показаны на рис. 2.4. Для асимметричной конфигурации характерно то, что коллекторный ток в ней протекает к эмиттеру только в одном направлении. При симметричной конфигурации коллекторный ток протекает к эмиттеру с трех сторон и сопротивление коллектора 0 1 2 3 4 [ 5 ] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 |