Самостійна робота 20

Типові інтегральні структури

Напівпровідникові ІМС можуть бути на біполярних та МДН – структурах, на яких виготовляють транзистори, діоди, резистори, ємності і такі елементи, які неможливо отримати на дискретних структурах: багатоемітерні транзистори, аналоги індуктивності тощо.

Структури, схема заміщення і основні параметри інтегральних біполярних транзисторів

В НП ІМС застосовують інтегральні n-p-n транзистори, типову структуру яких та їх схему заміщення наведено на рис. 4.1. Транзистор має вертикальну структуру. Його розміщують у “кишені”, яку утворюють зворотно-зміщеним p-n переходом, який має горизонтальну частину та дві бокові. Колекторну область утворюють під час епітаксіального нарощування шару силіцію з електропровідністю n- типу на підкладку p- типу. Базову та емітерну області утворюють дифузією домішок. Невипрямний (омічний) контакт виводів К та Е з областями колектора та емітера забезпечують утворенням в області виводів К та Е зони підвищеної концентрації електронів n ⁺. Для контакта вивода Б з областю бази утворюють область підвищеної концентрації дірок p ⁺.

а б

Рис. 4.1. Інтегральний біполярний транзистор

а - структура; б - схема заміщення

До недоліків такої структури належать:

1. Застосування ізоляційного p-n переходу призводить до існування струмів витоку (завдяки неідеальності p-n переходу), небажаної ємності і до низької допустимої робочої напруги колектора (завдяки низькій напрузі пробою ізоляційного p-n переходу).

2. Інтегральний транзистор буде мати трипереходну структуру n⁺- p-n-p, де крім основного n⁺- p-n транзистора VТ ₀ буде існувати і небажаний p-n-p транзистор VТ _Н, емітерним переходом якого є перехід база – колектор основного транзистора, а колекторним переходом є перехід між колектором основного транзистора та НП-пластиною (ізоляційний p-n перехід).

Для ослаблення впливу небажаного транзистора зменшують його коефіцієнт передавання струму бази до 1...2. Для цього його базу, яка є колекторною областю основного транзистора, збільшують відносно бази основного транзистора і легують золотом. Це зменшує час життя і дифузійну довжину носіїв заряду, а також максимальну частоту.

3. Для забезпечення міжтранзисторних з’єднань виводи всіх областей
(Е, К, Б) транзистора розміщують на поверхні підкладки в одній площині. Це збільшує опір струму колектора порівняно з дискретним транзистором, завдяки збільшенню шляху його проходження. Крім того, планарний дифузійний транзистор має нерівномірний розподіл концентрації домішок у області колектора, що зростає з глибиною. Це також збільшує опір колекторної області. Опір колекторної області (рис. 4.2) досягає 70... 100 Ом.

Рис. 4.2. Шляхи проходження колекторного струму (пунктир):

а – в інтегральному транзисторі, б – в дискретному транзисторі

Великий опір колекторної області інтегрального транзистора зменшує струм І _К, обмежує його частотний діапазон, знижує швидкодію, збільшує вплив небажаного транзистора.

Зменшити опір колекторної області можна було б підвищенням в ній концентрації рухомих носіїв заряду, але це призведе до збільшення ємності колекторного переходу і зниження напруги пробою переходу колектор-база.

Тому для зменшення опору в колекторній області транзистора розміщують додатковий n⁺ -шар підвищеної провідності (низькоомний шар). Його утворюють під колекторною областю в n -підкладці перед нарощуванням епітаксіального шару і називають прихованим шаром. Він шунтує частину колекторної області, зменшуючи її опір, послаблює вплив небажаного транзистора, збільшує І _К і не зменшує допустиму напругу пробою колекторного переходу, оскільки зменшується опір тільки частини колекторної області, а значення напруги пробою буде визначатися невеликою довжиною високоомної частини колекторної області біля колекторного переходу.

Для покращення частотних властивостей біполярних транзисторів:

- зменшують небажану ємність;

- покращують ізоляцію колектора від підкладки, використовуючи діелектрики замість ізоляції p-n -переходом;

- зменшують розподілений опір бази r _б шляхом застосування виводу бази у виді напівкільця (рис. 4.3.);

- шунтують колекторний перехід діодом Шотткі, який має у відкритому стані падіння напруги вдвічі менше, ніж на p-n -переході, що обмежує ступінь насичення транзистора і тому підвищує швидкодію (зменшується час розсмоктування).

Рис. 4.3. Структура планарного інтегрального транзистора (вид зверху):

К - вивід колектора; Б - вивід бази; Е - вивід емітера; П - вивід пластини

Параметри типових інтегральних транзисторів приведено в табл. 4.1.

Таблиця 4.1.

Параметр	Значення параметру
Коефіцієнт передавання струму бази,b Межова частота, f м, ГГц Напруга пробою U КБ, В Напруга пробою U ЕБ, В Напруга пробою U КЕ, В Максимальний струм колектора, І к max , мА Ємність колектор-підкладка, пФ	100¼150 0,25¼1 40¼60 6¼9 20¼30 10¼750 0,8¼8

Вдосконалення технології дозволяє постійно покращувати функціональні параметри інтегральних транзисторів: збільшувати коефіцієнт передавання, розширювати частотні властивості, збільшувати швидкодію, зменшувати розміри.

Досягненням інтегральної технології є створення біполярних транзисторів з тонкою базою (менш ніж 2,5 мкм), що дозволило підвищити коефіцієнт передавання стуму бази до 1000 ¼ 5000. Такі транзистори отримали назву супер -b. Недоліком їх є низька допустима напруга (до 2 В), за підвищення якої переходи змикаються і виникає пробій бази.

Для того, щоб використати переваги супер-b транзистора, n-p-n - структури йоговиготовляють у парі з p-n-p транзистором. Така транзисторна пара має дуже високий коефіцієнт передавання струму бази, а напругу пробою не нижчу напруги пробою обох транзисторів.

Важливою перевагою інтегральних транзисторів є ідентичність параметрів завдяки тому, що їх виготовляють на одній пластині та в єдиному технологічному циклі (значення коефіцієнту передавання струму бази інтегральних транзисторів відхилюється на одиниці відсотків, а у дискретних – в 2…3 рази). Ця властивість має важливе практичне значення, оскільки, по-перше, дозволяє виготовляти ІМС з кращими параметрами, ніж у пристроях на дискретних елементах, а по-друге, спрощувати схеми пристроїв на ІМС завдяки необов’язковості застосування елементів, які у пристроях на дискретних елементах використовують для зменшення впливу розкиду параметрів.

Вольт-амперні характеристики (ВАХ) інтегральних транзисторів мало відрізняються від ВАХ дискретних біполярних транзисторів і визначаються аналогічними параметрами.