Контрольная работа по "Электронике"

Рисунок 6.9

 

6.4 Разновидности  биполярных транзисторов 

 

6.4.1 Многоэмиттерный  транзистор. 

 

Структура   многоэмиттерного транзистора (МЭТ) показана на рисунке 6.10а, а его условное обозначение на рисунке 6.10в. Такие транзисторы

Рисунок 6.10

 

составляют основу цифровых ТТЛ ИМС, рассмотренных выше.  Количество эмиттеров может составлять 2-8 и более. В первом приближении МЭТ можно рассматривать как совокупность отдельных транзисторов с соединенными базами и коллекторами.  Особенности МЭТ как  единой структуры следующие.

Во-первых, каждая пара смежных эмиттеров вместе с разделяющим их 

р-слоем  базы образует горизонтальный (иногда говорят - продольный) тран- зистор типа n⁺-р-n⁺. Если на одном из эмиттеров действует прямое напряжение, а на другом обратное, то первый будет инжектировать электроны, а второй будет собирать те из них, которые инжектированы через боковую поверхность эмиттера и прошли без рекомбинации расстояние между эмиттерами. Такой транзисторный эффект является для МЭТ паразитным. Чтобы избежать горизонтального транзисторного эффекта, расстояние между эмиттерами дол- жно превышать диффузионную длину носителей в базовом слое. Если транзистор легирован золотом, то диффузионная длина не превышает 2-3 мкм и практически оказывается достаточным расстояние между эмиттерами

10-15 мкм.

Во-вторых, важно, чтобы МЭТ имел как можно  меньший инверсный коэффициент передачи тока. В противном случае в инверсном режиме, когда эмиттеры находятся под обратным напряжением, а коллектор под прямым, носители, инжектируемые коллектором, будут достигать эмиттеров, и в цепи последних, несмотря на их обратное смещение, будет протекать ток - паразитный эффект аналогичный отмеченному выше.

Как известно, инверсный коэффициент передачи всегда меньше нормального из-за различия в степени легирования и в  площадях эмиттера и коллектора. Чтобы дополнительно уменьшить инверсный коэффициент передачи тока a_i в МЭТ, искусственно увеличивают сопротивление пассивной базы, удаляя омический базовый контакт от активной области транзистора (рисунок 4.10б, металлизация не изображена). При такой конфигурации сопротивление узкого «перешейка» между активной областью и базовым контактом может составлять 200-300 Ом, а падение напряжения на нем от базового тока 0,1-0,15 В. Значит, прямое напряжение на коллекторном переходе (в инверсном режиме) будет в активной области на 0,1-0,15 В меньше, чем вблизи базового контакта. Соответственно инжекция электронов из коллектора в активную область базы будет незначительной и паразитные токи через эмиттеры будут практически отсутствовать.

 

6.4.2 Транзистор с барьером Шоттки.

 

   На рисунке 4.11а показана структура интегрального транзистора Шоттки (ТШ). Здесь очень изящно решена задача сочетания транзистора с диодом Шоттки: алюминиевая металлизация, обеспечивающая омический контакт со слоем базы, продлена в сторону коллекторного n-слоя. На первый взгляд, коллекторный слой оказался закороченным со слоем базы. На самом же деле алюминиевая полоска образует с р-слоем базы невыпрямляющий, омический контакт, а с n-слоем коллектора выпрямляющий контакт Шоттки.

а)

б)

Рисунок 6.11

  Разумеется, структурное решение, показанное  на рисунке 6.11а, можно использовать не только в простейшем транзисторе, но и в МЭТ. В обоих случаях отсутствуют накопление и рассасывание избыточных зарядов, и получается существенный (в 1,5-2 раза) выигрыш во времени переключения транзисторов из открытого в запертое состояние.

Условное  графическое обозначение (ТШ) приведено  на рисунке 4.11б.

6.4.3 Транзисторы р-n-р

Получение р-n-р транзисторов с такими же высокими параметрами, как и  n-р-n транзисторы, в едином технологическом цикле остается до сих пор нерешенной задачей. Поэтому все существующие варианты интегральных  р-n-р транзисторов существенно уступают n-p-n транзисторам по коэффициенту усиления и предельной частоте.

Как известно, при прочих равных условиях кремниевые р-n-p транзисторы уступают n-p-n транзисторам по предельной частоте примерно в 3 раза из-за меньшей подвижности дырок по сравнению с электронами. Поэтому в данном случае, говоря о меньшей предельной частоте p-n-p транзисторов, мы имеем в виду, что не удается обеспечить те «равные условия», при которых различие было бы только в три раза.

  В  настоящее время основным структурным  вариантом  является горизо- нтальный p-n-p транзистор (рисунок 6.12). Эмиттерный и коллекторный слои

Рисунок 6.12

получаются на этапе базовой диффузии n-р-n транзистора, причем коллек- торный слой охватывает эмиттер со всех сторон.  Это позволяет собирать инжектированные дырки со всех боковых частей эмиттерного слоя. Припо- верхностные боковые участки р-слоев характерны повышенной концентрацией примеси, что способствует увеличению коэффициента инжекции. Поскольку базовая диффузия сравнительно мелкая (2-3 мкм), ширину базы (т. е. рассто- яние между р-слоями) удается сделать порядка 3-4 мкм. В результате пре- дельная частота может составлять до 20-40 МГц, а коэффициент усиления до 50.

   Из   рисунка 6.12  видно,  что   горизонтальный p-n-p транзистор (как и паразитный) является бездрейфовым,  так как его база однородная- эпитаксиальный n-слой. Этот фактор вместе с меньшей подвижностью дырок предопределяет примерно на порядок худшие частотные и переходные свойства p-n-p транзистора даже при той же ширине базы, что и у дрейфового n-p-n транзистора. Из рисунка также видно, что для увеличения коэффициента передачи эмиттерного тока желательно, чтобы площадь донной части эмиттерного слоя была мала по сравнению с площадью боковых частей. Значит, эмиттерный слой нужно делать как можно более узким (ширина окна под диффузию этого слоя составляет 3-5 мкм).

Заметим, что горизонтальному p-n-p транзистору свойственна электрофизическая симметрия, так как слои эмиттера и коллектора однотипные. В частности, это означает, что пробивные напряжения эмиттерного и коллекторного переходов одинаковы (обычно 30-50 В).

Недостатки горизонтального p-n-p транзистора можно устранить в верти- кальной структуре, но ценой дополнительных технологических операций.

    6.5 Интегральные диоды

Отдельно диодные  структуры в ППИМС не формируются, а в качестве диода используются любой из двух p-n переходов транзистора: эмиттерный или коллекторный. Можно также использовать их комбинации. Поэтому по существу интегральный диод представляет собой диодное включение интегрального транзистора.

а)

б)

в)

г)

д)

Рисунок 6.13

 

Пять  возможных вариантов диодного включения  транзистора показаны на рисунке 6.13. В таблице  6.1 приведены типичные параметры этих вариантов. Для них приняты следующие обозначения: до черточки стоит обозначение анода, после черточки - катода; если два слоя соединены, их обозначения пишутся слитно. Из таблицы видно, что варианты различаются как по статическим, так и по динамическим параметрам.

  Пробивные напряжения U_ПР зависят от используемого перехода: они меньше у тех вариантов, в которых используется эмиттерный переход (см. таблицу 6.1).

  Обратные  токи I_ОБР (без учета токов утечки) - это токи термогенерации в переходах. Они зависят от объема перехода и, следовательно, меньше у тех вариантов, у которых используется только эмиттерный переход, имеющий наименьшую площадь.

  Емкость  диода С_д (т. е. емкость между анодом и катодом) зависит от площади используемых переходов; поэтому она максимальна при их параллельном соединении (вариант Б- ЭК). Паразитная емкость на подложку С_П шунтирует на «землю» анод или катод диода (считается, что подложка заземлена). Емкость С_П, как правило, совпадает с емкостью С_КП, с которой мы встретились при рассмотрении n-p-n транзистора (рисунок 6.7). Однако у варианта Б - Э емкости С_КП и С_К оказываются включенными последовательно и результирующая емкость С_П минимальна.

Таблица 6.1

Параметр	Тип диодов
	БК-Э	Б-Э	БЭ-К	Б-К	Б-ЭК
UПР, В	7-8	7-8	40-50	40-50	7-8
IОБР, нА	0,5-1	0,5-1	15-30	15-30	20-40
СД, пФ	0,5	0,5	0,7	0,7	1,2
СП, пФ	3	1,2	3	3	3
tВ, нс	10	50	50	75	100

 

Время восстановления обратного тока t_В (т. е. время переключения диода из открытого в закрытое состояние) минимально у варианта БК-Э; у этого варианта заряд накапливается только в базовом слое (так как коллекторный переход закорочен). У других вариантов заряд накапливается не только в базе, но и в коллекторе, так что для рассасывания заряда требуется большее время.

   Сравнивая отдельные варианты, приходим  к выводу, что в целом оптимальными вариантами являются БК-Э и Б-Э. Малые пробивные напряжения этих вариантов не играют существенной роли в низковольтных ИМС. Чаще всего используется вариант БК-Э.

    Помимо собственно диодов, в ИМС  часто используются интегральные стабилитроны. Они также осуществляются в нескольких вариантах, в зависимости от необходимого напряжения стабилизации и температурного коэффициента.

    Если необходимы напряжения 5-10 В,  то используют обратное включение диода Б-Э в режиме электрического пробоя, при этом температурная нестабильность составляет + (2-5) мВ/° С.

   Широкое распространение  имеют стабилитроны, рассчитанные  на на-

пряжения, равные или кратные напряжению на открытом переходе U^*»0,7 В. В таких случаях используют один или несколько последовательно включенных диодов БК-Э, работающих в прямом направлении. Температурная нестабильность в этом случае составляет -(1,5-2) мВ/° С.

Если  в базовом слое осуществить два p-n перехода, то при подаче напряжения между n+-слоями один из переходов работает в режиме лавинного пробоя, а второй - в режиме прямого смещения. Такой вариант привлекателен малой температурной нестабильностью (±1 мВ/°С и менее), так как температурные нестабильности при лавинном пробое и при прямом смещении имеют разные знаки.

 

    7.1  Полевые транзисторы

 

    7.1  Полевые транзисторы   с управляющим p-n переходом

Полевые транзисторы (ПТ) с управляющим  p-n переходом, хорошо вписываются в общую технологию биполярных ИС и потому часто изготавливаются совместно с биполярными транзисторами на одном кристалле. Типичные струк- туры ПТ с каналами различного типа проводимости показаны на рисунке 4.14.

а)

б)

Рисунок 7.1

В структуре n-канального ПТ, показанной на рисунке 7.1а,  p-слой затвора образуется на этапе базовой диффузии, а n⁺-слои, обеспечивающие омический контакт с областями истока и стока, - на этапе эмиттерной диффузии. Заметим, что р-слой затвора окружает сток со всех сторон, так что ток между истоком и стоком может протекать только через управляемый канал под р-слоем.

В n-карманах, предназначенных для ПТ, вместо скрытого n⁺-слоя целесообразно сформировать скрытый p⁺-слой. Назначение этого слоя - уменьшить начальную толщину канала и тем самым напряжение отсечки. Осуществление скрытого p⁺-слоя связано с дополнительными технологическими операциями. Для того чтобы скрытый р⁺-слой проник в эпитаксиальный n-слой достаточно глубоко, в качестве акцепторного диффузанта используют элементы с большим коэффициентом диффузии (бор или галлий).

На  подложку, а значит, и на p⁺-слой для изоляции элементов подают постоянный максимально отрицательный  потенциал;  поэтому  они не выполняют управляющих функций.

Структура р-канального ПТ, показанная на рисунке 6.14б, совпадает со структурой обычного  n-p-n транзистора. Роль канала играет участок базового р-слоя, расположенный между n⁺-  и n-слоями. Если при совместном изготовлении ПТ и биполярного транзистора не использовать дополнительных технологических процессов, то толщина канала будет равна ширине базы n-p-n транзистора (0,5-1 мкм). При такой малой толщине канала получаются большой разброс параметров ПТ и малое напряжение пробоя. Поэтому целесообразно пойти на усложнение технологического цикла, осуществляя p-слой ПТ отдельно от базового р-слоя, с тем чтобы толщина канала была не менее 1-2 мкм. Для этого проводят предварительную диффузию р - слоя ПТ до базовой диффузии. Тогда во время базовой диффузии р-слой ПТ дополнительно расширяется, и его глубина оказывается несколько больше глубины базового слоя.