Биполярные транзисторные злементы интегральных схем

Биполярный транзисторный элемент, или транзисторный элемент (ТЭ), является реализацией биполярной транзисторной структуры в интегральном исполнении. ТЭ ИС изготавливаются по планарной и в основном по планарно-эпитаксиальной технологии. В качестве подложки используется в основном кремниевая с проводимостью типа, а ТЭ имеет структуру . Эта структура вследствие большей подвижности электронов имеет лучшие частотные свойства по сравнению со структурой ; кроме того, технология изготовления структур проще.

Облик ТЭ в ИС во многом определяется также примененным способом изоляции ТЭ друг от друга и общей подложки – с помощью перехода, включенного в обратном направлении, диэлектрика и комбинацией первых двух (комбинированный способ).

Наиболее простым и дешевым является способ изоляции посредством перехода (рис.1).

Из рисунка видно, что транзисторный элемент отличается от обычного транзистора тем, что содержит три перехода и четыре области. Переход, образованный коллектором и подложкой используется для изоляции эле­ментов схемы друг от друга. Однако из-за наличия емкостей изо­лирующих переходов между отдельными элементами схемы сущест­вует связь по переменному току. При планарно-эпитаксиальной технологии изготовления ТЭ на указанной подложке типа выращивается эпитаксиальный слой типа, в котором затем формируется коллектор. С целью уменьшения сопротивления коллектора и степени влияния подложки на характеристики и параметры планарно-эпитаксиальных ТЭ в коллекторной области создан скрытый слой, имеющий меньшее сопротивление по сравнению с эпитаксиальным слоем. скрытый слой получают посредством дополнительной диффузии донорных примесей в соответствующие участки подложки.

Повышение эффективности изоляции элементов достигается применением в качестве изолирующих материалов (рис.2)

диэлектриков (например, двуокиси кремния) и воздушной изоляцией, частным случаем которой является выращивание по технологии КНС (крем­ний на сапфире) эпитаксиальных слоев кремния на изолирующей подложке из сапфира, имеющего примерно такую же, как и крем­ний, структуру кристаллической решетки. Применение диэлектрической изоляции позволяет повысить степень интеграции ТЭ и снизить ток утечки изоляции.

При комбинированном способе изоляции, например, сочетании сме­щенных в обратном направлении переходов с диэлект­рической изоляцией, реализуемом по технологии, получившей наз­вание изопланарной, (рис.3)

существенно сокращается общая площадь ТЭ и, следовательно, еще больше повышается степень интеграции. Кроме того, уменьшается величи­на разделительной емкости между элементами схемы, повышается на­пряжение пробоя изоляции и значительно уменьшается ток утечки изоляции.

Виды ТЭ. В интегральных схемах используются различного вида ТЭ: вертикальные и горизон­тальные транзисторные элементы и реже типа, многоэмиттерные и многоколлекторные элементы, транзи­сторные элементы с барьером Шоттки, супербета транзисторные элементы, комплементарные, составные и др.

Показанные на рис.3 транзисторные элементы получили название вертикальных. В них основной поток электронов, инжектируемых в базу, направлен вертикально по отношению к поверхности подложки. Эти элементы могут иметь очень тонкую базу. Их отличает преимущественно дрейфовый ха­рактер движения неосновных носителей заряда через базу, явля­ющийся следствием диффузионной технологии изготовления струк­тур.

В горизонтальных ТЭ (рис.4)

поток основных носителей заря­да, в частности дырок, инжектируемых в базу, движется глав­ным образом в горизонтальном направлении по отношению к по­верхности подложки. База элементов образуется на основе эпитаксиального высокоомного -слоя с однородный распределением примесей,

поэтому по принципу работы такие транзисторные элементы относятся к бездрейфовым.

Транзисторные элементы типа в ИС обычно не имеют самостоятельного значения и применяются в сочетании с элементами в одной и той же схеме, обеспечивая в ряде случаев упрощение схемы и оптимизацию ее параметров. ТЭ в таких схемах и сами схемы называют комплементарными (дополняющими). В комплементарных ИС обычно применяются горизонтальные элементы, технология изготовления которых совместима с технологией эле­ментов типа.

Многоэмиттерные ТЭ отли­чаются от обычных транзисторных элементов главным образом на­личием в базе нескольких эмиттеров. Для устранения взаимного влияния эмиттеров последние располагаются друг от друга на расстоянии, превышающем диффузионную длину носителя заряда.

В качестве эмиттерного слоя многоколлекторного ТЭ используется эпитаксиальный -слой, а коллекторами служат низкоомные слои -типа (рис.5).

Важное место в про­изводстве ИС занимает вопрос повышения их быстродействия. Одним из путей улучшения ча­стотных и временных свойств ИС является при­менение ТЭ в сочетании с диодами Шоттки. На рис.6,а показано схе­матическое устройство ТЭ с диодом Шоттки, а на рис.6,б - его эквивалентное представление.

Диод Шоттки образован алюминиевой полоской и -слоем коллектора, при этом контакт полоски с -слоем базы выполняется невыпрямляющим.

При напряжении на коллекторном переходе, соответствующем активному режиму или режиму отсечки транзисторного элемента, диод Шоттки находится под напряжением обратного включения и не влияет на работу элемента. При смене полярности напряжения на коллекторном переходе диод Шоттки открывается раньше кол­лекторного перехода и, шунтируя его, предотвращает накопление неосновных носителей заряда в базе, что повышает быстродей­ствие транзисторного элемента.

Характернойчертой супербета транзисторных элементов яв­ляется сверхтонкая база (0,2 – 0,3 мкм), благодаря которой значения статического коэффициентапередачи тока базы могут достигать нескольких тысяч. Шесте с тем малое (1,5 - 2 В) напряжение пробоя коллекторного перехода лишает эти элементы универсальности.

Диодные элементы. Одной из особенностей ИС является использование транзи­сторных элементов в диодном включении, обусловленное тем, что при изготовлении ИС технологически проще получить одинаковые транзисторные структуры, чем специально диодные.

Существует пять основных вариантов схем диодного включе­ния транзисторных элементов, используемых в ИС и отличающихся друг от друга способом соединения электродов (рис.7).

При замыкании коллектора с базой используется переход эмиттер -база, в этом случае эмиттер инжектирует в базу неосновные но­сители заряда при прямом смещении перехода. При замыкании кол­лектора с эмиттером работают оба перехода и поэтому при включении переходов в прямом направлении и коллектор, и эмиттер инжектируют в базу неосновные носители заряда. Аналогично мож­но рассмотреть и оставшиеся три схемы: схему, полученную пу­тем замыкания эмиттера с базой, схему с разомкнутой цепью кол­лектора (когда вывод коллектора не используется) и схему с разомкнутой цепью эмиттера.

Свойства полученных таким образом диодных элементов суще­ственно различаются. Например, наибольшее напряжение пробоя получается в схемах, использующих переход коллектор - база, а наименьшее - в схемах, использующих переход эмиттер - база. Схема с разомкнутой цепью коллектора обладает наименьшой ве­личиной нежелательной емкости между коллектором и подложкой. Наименьшее значение обратного тока наблюдается в схемах с = 0 и = 0, а наибольшее - в схеме с = 0. Наибольшее время восстановления присуще схеме с = 0, так как здесь оба перехода включены в прямом направлении и в базе про­исходит интенсивное накопление заряда. Схема с = 0 имеет наименьшее время восстановления, так как при указанном усло­вии в коллекторе не накапливается дополнительный заряд.

В полупроводниковых ИС помимо транзисторных используются также модифицированные, многослойные, металлополупроводниковые и другие структуры, причем во многих случаях полупровод­никовые структуры служат в качестве пассивных элементов - кон­денсаторов, резисторов, проводников и дросселей.