|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы  Рнс. 2.4. Топология биполярных интегральных транзисторов для микросхем средней степени интеграции; а - асимметричная; б - симметричная /к = а/э; /к==5/б; В = а/(1 -а). (2.1) (2.2) (2.3) В этих уравнениях а и S - коэффициенты усиления по току в схемах с общей базой и с общим эмиттером соответственно. Для Таблица 2.1. Типичные параметры слоев интегрального п-р-га-транзистора
Примечание. N - концентрация примеси (для диффузионных базового и эмиттерного слоев - поверхностная концентрация); d - толщина слоя; р. - удельное сопротивление материала: р,-удельное сопротивление слоя. оказывается примерно втрое меньше, чем при асимметричной конфигурации. Для конструкции транзистора симметричной конфигурации облегчается разработка топологии металлической разводки, так как в ней оказывается возможным часть коллекторной области разместить под окислом, а поверх окисла над коллектором провести алюминиевую полоску к эмиттерной или базовой области. На рис. 2.4, а даны топологические размеры областей интегрального биполярного транзистора, типичные для микросхем средней степени интеграции. Типичные параметры этих областей приведены в табл. 2.1. В биполярных транзисторах входной управляющей величиной является либо ток базы, либо ток эмиттера, а выходными управляемыми величинами - либо эмиттерный, либо коллекторный токи (см. 2.1). Связь между этими токами записывается в виде следующих уравнений: интегральных транзисторов а=0,99...0,995 при токах порядка нескольких миллиампер В= 100...200 и тем больше, чем а ближе к 1. Величину а можно записать в следующем виде: (2.4) а = -,- = - - = V4, Э 3 Эп где у = эл э=/эп/(/э.+/эр)-коэффициент инжекции, характеризующий долю полезной (для /г-р-л-тразистора электронной 1эп) составляющей в общем токе эмиттера; х = /к эп-коэффициент переноса, характеризующий долю инжектированных носителей, дошедших до коллектора и избежавших рекомбинации. С допустимой точностью Y определяется выражением где W - ширина базы транзистора; - диффузионная длина неосновных носителей в эмиттере; Оь и Dt - коэффициенты диффузии носителей в эмиттерной и базовой областях, легированных до концентраций и Лб соответственно; у тем ближе к 1, чем меньше величины W и Ne/N-,. Поэтому эмиттерный слой легируют, как можно сильнее. Значения у равны 0,99...0,977 в нормальном токовом режиме и 0,98...0,985 в режиме микротоков. Коэффициент переноса можно представить выражением х=1- (2.6) где т-время жизни неосновных носителей в базовой области. Величина х тем ближе к единице, чем меньше ширина базы и больше т. Увеличение времени жизни ухудшает частотные свойства транзистора, поэтому, как следует из (2.5) и (2.6), главным направлением в улучшении характеристик транзисторов является уменьшение ширины базы. Ширина базы в п -р-п-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 (рис. 2.5): при малых значениях тока (10~...10 мА) величина В сравнительно невелика из-за малых значений коэффициента инжекции. Это объясняется рекомбинацией носителей в эмиттерном переходе. Большая доля рекомбинационных потерь приходится на приповерхностные слои. Именно поэтому качество обработки поверхности, пассивация поверхности имеют огромное значение для получения высоких В при малых токах. В области средних и больших токов (> 1 мА, см. рис. 2.5) существенную роль играет эффект вытеснения тока в эмиттере. Напряжение в любой точке эмиттерного перехода представляет собой разность внешнего напряжения бэв и падения напряжения в объеме базы. Последнее тем выше, чем дальше удалена эта точка  4/2 1  -о о- 0,001 0,01 0,1 1,0 h,MA Рис. 2.5. Зависимость коэффициента Рис. 2.6. Иллюстрация эффекта от усиления по току В интегральных бипо- теснения эмиттерного тока лярных транзисторов в схеме с общим эмиттером от тока коллектора U ОТ базового контакта (рис. 2.6). Значит, напряжение в центральной части эмиттера меньше напряжения у его краев и край эмиттера приобретает большее прямое смешение, чем середина его плошади, значит, внешние области эмиттера будут работать при больших плотностях тока по сравнению с внутренними. Повышенная плотность тока у краев эмиттера приводит к повышенным рекомбина-ционным потерям носителей в этих областях и к уменьшению В. Топология мошных транзисторов должна обеспечить максимальное отношение периметра эмиттера к его плошади. Например, целесообразно использовать узкие эмиттеры с большим периметром. Изменение конструкции биполярных транзисторов с увеличением их мошности иллюстрируется рис. 2.7...2.9. Коэффициент усиления В уменьшается с понижением температуры (термический коэффициент 5-10~1/°С). Это связано с уменьшением времени жизни неосновных носителей т (см. уравнение 2.6). Рис. 2.7. Фрагмент топологии микросхемы с биполярными транзисторами малой мощности: VD1-диод (транзистор в диодном включении); ~ тестовый транзистор: Vr2 ~ транзистор; R1, R2-диффузионные резисторы; / - контактное окно к диффузионным резисторам; 2-р-область разделительной диффузии; 3...5 - контуры контактных окон к соответственно коллектору, базе, эмиттеру; 6 ... 8-контуры областей соответственно коллектора, базы, эмиттера; 9- пассивирующий слой; W-проводники; -двуокись кремнии  в " В    Рис. 2.8. Фрагмент топологии микросхемы с транзистором средней мощности: V£)/.Vfl5 -диоды; vr; - транзистор; i ... 3- контуры областей соответственно коллектора, базы, эмиттера; 4 ... 6-контуры контактных окон соответственно к коллектору, базе, эмиттеру; 7- контур п-областей коллектора; 8- приваренный к контактной площадке золотой гибкий проводник; 9-контактное окно резистора; 10-р-область разделительной диффузии; пассивирую щийсл ой; /2- Проводники; 13- двуокись кремния    Рис. 2.9. Интегральный биполярный транзистор повышенной мощности «гребенчатой» конструкции; кремний поликристаллическин; 2- контур га-слоя к коллектору; 3- контур окна к коллектору; 4- контур базы; 5- контур эмиттера; б- контур окна к базе; 7- контур окна к эмиттеру; в-диэлектрик (SiOj); /(„-проводник коллектора Структура интегрального транзистора характеризуется еще значениями пробивного напряжения двух р-п переходов: эмиттерного и коллекторного. Если концентрация примесей на обеих сторонах р-п перехода в кремниевых транзисторах меньше 10 атомов/см, то при обратном смещении перехода напряжение пробоя определяется началом лавинного умножения. Это происходит, когда в обедненной области электрическое поле достигает такой величины, когда свободные носители приобретают энергию, достаточную для выбива ния дополнительных вторичных электронов, те в свою очередь генерируют дополнительные электроны и т. д., что приводит к лавинному увеличению числа свободных носителей. Напряжение лавинного пробоя может быть определено из графика на рис. 2.10 по данным о величине концентрации примеси на слаболегированной стороне р-п перехода. 10 -  10" 10" Геория \ N, moMoS/cM Рис. 2.10. Зависимость напряжения лавян-ного пробоя от концентрация примеси на слаболегироваиной стороне ступенчатого р-п перехода , Значения (/„р для переходов эпитаксиально-планарного м-р-п-транзистора даны в табл. 2.2. Из этой таблицы видно, что пробивное напряжение эмиттерного перехода в 5...7 раз меньше коллекторного, так как последний сформирован кэо«/кБо/+т: (2.7) где т для п-р-п-транзистора равно 3...4. Пробой может иметь место в результате сужения базы по мере роста коллекторного напряжения из-за увеличения ширины обедненного слоя перехода (прокол базы). Если обедненная область коллекторного перехода расширится настолько, что переходы транзистора сомкнутся, обеспечивается беспрепятственное прохождение тока между коллектором и эмиттером. Такой вид пробоя свойствен транзисторам с особо тонкой базой. Например, при Л/б= = 10® атомов/см, ш=0,7 мкм прокол базы наступает при 7пр=3,5 В. Характеристики транзистора зависят от частоты сигнала. Эти зависимости различны для разных схем включения транзистора, зависят от физической структуры транзистора, наличия в ней паразитных элементов. Частота /т, на которой коэффициент передачи ПО току в схеме с обш,им эмиттером уменьшается до единицы и транзистор теряет усилительные свойства, называется предельной частотой коэффициента усиления тока. Другим показателем, харак- Т а блиц а 2.2. Типичные параметры интегральных п-р-п транзисторов
менее легированными слоями. Для обозначения напряжения пробоя i7np переходов используются три подстрочных индекса (Ук;бо и Иэъо причем последний символ «нуль» указывает, что при измерении Uap цепь третьего вывода разомкнута. Напряжение пробоя коллектор - эмиттер i/кэо меньше i/кБо и может быть оценено по формуле теризуюшим высокочастотные свойства транзистора, является максимальная частота генерации fmax, при которой усиление по мощности падает до единицы. Они связаны соотношением ... = 4[/т/(8лГбСк)] (2.8) где Гб Ск - постоянная времени базы транзистора, ограничивающая предельное быстродействие транзистора; s - ширина эмиттера. Для интегральных п-р-«-транзисторов /т и fmax приблизительно равны 400 и 900 мГц. Из-за того, что подвижность электронов в полупроводниковом материале существенно выше подвижности дырок, п-р-п-транзисторы имеют более высокую предельную частоту коэффициента усиления, чем р-п-р-транзисторы. Транзисторы с тонкой базой обладают повышенными значениями коэффициента усиления В и необходимы для создания ряда аналоговых микросхем (входные каскады операционных усилителей). У этих транзисторов ш=0,2...0,3 мкм; 6=2000.,.5000 при /к=20 мкА, {730=0,5 В. Пробивное напряжение коллектор - эмиттер 1,5...2 В. Многоэмиттерные транзисторы (МЭТ). Структура МЭТ, широко используемых в цифровых микросхемах ТТЛ, приведена на рис. 2.П. Число эмиттеров может быть равным 5...8. МЭТ можно рассматривать как совокупность транзисторов с общими базами и коллекторами. При их конструировании необходимо учитывать следующие обстоятельства. Для подавления работы паразитных горизонтальных п+-р-п+-транзисторов расстояние между краями соседних эмиттеров должно превышать диффузионную длину носителей в базовом слое. Если структура легирована золотом, диффузионная длина не превышает 2...3 мкм и достаточно указанное расстояние сделать равным 10... 15 мкм. Для уменьшения паразитных токов через эмиттеры при инверсном включении МЭТ искусственно увеличивают сопротивление пассивной области базы, удаляя базовый контакт от активной области транзистора, чтобы сопротивление перешейка, соединяющего базовый контакт с базовой областью, было равным 200...300 Ом.  Рис. 2.11. Фрагмент топологии микросхемы с многоэмиттерным транзистором: VDI - диод; VT1 - многоэмиттерный транзистор; 1 ... контуры областей соответственно кол лектора, базы, эмиттера; 4 ... 6- контуры контактны;; окон соответственно к коллектору, базе, эмиттеру; 7- контур п-области коллектора; 8- контур скрытого слоя; 9- р-область разделительной диффузии  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 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||