Лекции по „Основи електроніки та електротехніки”

Виготовляють біполярні  транзистори, використовуючи кілька видів планарної технології, які відрізняються способами утворення ізоляції між елементами ІМС. Найбільш широко застосовуються планарно-дифузійна і планарно-епітаксійна технології (п. 2.1).

Основою для створення  біполярних транзисторів є n-острівці монокристального кремнію (див. рис. 2.1, д) або епітаксійного шару кремнієвої епітаксійної структури (рис. 2.2, а). На таких острівцях формуються планарні транзистори.

      Значно  частіше виробництво біполярних  транзисторів здійснюють за. цланарно-епітаксійною  технологією з використанням  n-острівців епітаксійного шару, які мають електронну провідність (рис. 2.2, б). Переваги цієї технології розкриті в п. 2.1.

На рис. 2.5, а показаний поперечний переріз стандартного малосигнального інтегрального n—р—n-транзистора, виготовленого з використанням n-острівця епітаксійного шару (рис. 2.2, б), а на рис. 2.5, б — топологія розміщення елементів транзистора на поверхні підкладки. Технологія формування n-острівців кремнієвої епітаксійної структури викладена в п. 2.1.

Транзисторна структура  розміщується в об'ємі ізольованого острівця з електронною провідністю, який являє собою також область колектора. Область бази р-типу і область емітера n⁺-типу формують в n-острівці двома послідовними дифузіями. Підвищений ступінь легування кремнію емітерної області (n⁺) повинен забезпечувати хорошу інжекційну здатність останньої. Колекторна область знизу безпосередньо межує з p-підкладкою, а стінки з вертикальними p-областями, які утворилися під час першої роздільної дифузії домішки р-типу (див. рис. 2.2, б). Як правило, на підкладку подають від'ємний потенціал схеми. Коли вмикають у схему джерело живлення, колектори транзисторів перебувають під додатною напругою відносно підкладки, тому p—n-переходи, які розділяють сусідні колекторні області, зміщуються в зворотному напрямі, ізолюючи транзистори.

Колекторний вивід C планарного транзистора розміщений на тій самій площині, що і виводи емітера E та бази B. Таке розміщення «зверху» колекторного виводу подовжує шлях колекторного струму Iс по колекторній області. Знизити опір колекторної області струмoві Iс можна, збільшивши провідність кремнію колектора (збільшивши концентрацію домішки в області колектора), однак при цьому сильно зменшується пробивна напруга ділянки колектор—база, яка в лінійному режимі закрита. Отже, такий транзистор не придатний для генерації сигналів великої амплітуди. Компромісне вирішується питання введення між колектором і підкладкою прихованого підшару n⁺-типу (див. рис. 2.3), який має дуже малий питомий опір — десяті частини ома на сантиметр. Тепер струм Iс значну частину шляху проходить через цей підшарок, що забезпечує малий власний опір колекторної області (одиниці—десятки ом). Пробивна напруга ділянки колектор—база при цьому залишається досить високою (понад 30 В).

Товщина бази Wб (див. рис. 2.5,а) планарних біполярних транзисторів n—р—n-типу дорівнює, як правило, 1 мкм. Збільшення товщини бази приводить до зниження коефіцієнта підсилення за струмом h₂₁ і граничної частоти підсилення транзистора. Однак недоцільна також нерівність Wб < 1 мкм, оскільки при зменшенні Wб знижується допустима пробивна напруга ділянки база—емітер.

Як видно з плану  розміщення інтегрального транзистора  на підкладці (рис. 2.5, б), розміри ізолюючої області, які приблизно дорівнюють 60 х 90 мкм, значно перевищують розміри активної зони транзистора. Взаємне розміщення по площині виводів емітера, бази і колектора, а також їх форма суттєво впливають на частотні властивості транзистора і його колекторний струм.

У виробництві напівпровідникових ІМС часто використовується структура  з діелектричною ізоляцією окремих  елементів (див. рис. 2.4). Поперечний переріз інтегрального біполярного транзистора, колекторна область якого ізольована від сусідніх колекторних областей і підкладки за допомогою шару двооксиду кремнію (SiO₂), показано на рис. 2.6. Для цієї структури характерні значно кращі частотні властивості транзистора, малі втрати в ізоляції і низьке значення опору колекторної області. Тому така структура більш високовольтна і стійка до зовнішнього впливу. Слід підкреcлити, що при проектуванні мікросхем з діелектричною ізоляцією транзисторів спрощується робота над топологією схеми, оскільки відсутня необхідність стежити за закриттям ізолюючих переходів. Основним недоліком структури є підвищена складність технології виготовлення ІМС і велика площа, яку займають елементи мікросхеми.

    Інтегральні транзистори р—n—р-типу мають гірші основні показники, ніж розглянуті вище n—р—n-транзистори. Часто це зв'язано з тим, що рухливість дірок як основних носіїв заряду в транзисторах р—n—р-типу нижча, ніж рухливість електронів як основних носіїв заряду в транзисторах n—р—n-типу. Крім того, є причина конструктивно-технологічного характеру. Як видно із структури інтегрального біполярного транзистора р—n—р-типу, що показана на рис. 2.7, а, роль бази в ньому відіграє епітаксійний острівець з провідністю n-типу (колекторна область для інтегрального транзистора n—p—n-типу, рис. 2.5, а). Товщина базової області в цьому випадку не менше 5 мкм і коефіцієнт підсилення струму бази h₂₁ не перевищує кількох десятків. Для інтегральних транзисторів n—р—n-типу коефіцієнт підсилення струму бази становить 100 — 200 з розкидом ±30 %. Колекторна і емітерна області провідності p-типу (рис. 2.7, а) виготовляються одночасно з базовою областю транзистора n—р—n-типу (рис. 2,5, а). На рис. 2.7, б показана топологія інтегрального р—n— р -транзистора.

Вольт-амперні характеристики і параметри інтегральних транзисторів і дискретних біполярних транзисторів аналогічні, але відрізняються лише числовими значеннями.

Основними низькочастотними параметрами інтегральних транзисторів є коефіцієнт підсилення струму бази /г;іг, про який згадувалось чище, вхідний опір R_BX=h_11E і напруга на ділянці база—емітер U_(BE).

Вхідний опір визначається опором об'єму бази r_B = 50 ... 150 0м і опором емітерного переходу, перечисленим до кола бази, тобто

R_вх = r_B+ kT/qI_B = (50 ...150) +26 ^-3/ І_в,

де k — стала Больцмана; Т — абсолютна температура; q — заряд електрона при Т = 300 K; kT/q = 26 ³ В,I_в — струм бази. Напруга U_be, при якій струм колектора різко підвищується від нульового значення, для кремнієвих інтегральних транзисторів дорівнює 0,5—0,7 В.

До високочастотних  параметрів транзистора відносяться  гранична частота f_r, на якій спрямлена залежність h_21E(f) зменшується до одиниці, і ємність колекторного переходу C_C. Гранична частота інтегральних біполярних транзисторів суттєво залежить від їх площі і лежить в межах 250 ... 1000 МГц. Ємність проміжку колектор—база С_CB=0,2 ... ... 2 пФ. На високих частотах необхідно також враховувати значну ємність між колектором і підкладкою С_CП = 0,8... 8 пФ і опір колекторної області r_C = 10 0м.

Основними граничне допустимими  параметрами є допустимий струм  колектора Iс_доп та допустимі зворотні напруги колекторного Uc_дoï і емітерного U_EBдоп переходів. Всі перелічені параметри, особливо Iс_доп, суттєво залежать від площі інтегрального транзистора. Наприклад, змінюючи площу транзистора, можна змінювати в широких межах Iс_доп = 10...750 мА. Для напруг на переходах характерні такі значення: U_CBдоп = 30 ...50 В при розкиді ± ЗО %, U_EBдоп= 6...8 В при розкиді ±5 %.

У цифрових мікросхемах  як вхідні каскади широко застосовуються інтегральні біполярні багатоемітерні транзистори. Поперечний переріз планарної структури багатоемітерного транзистора показаний на рис. 2.8. Це один з різновидів кремнієвого біполярного транзистора, структуру якого зображено на рис. 2.5, а. Для багатоемітерного транзистора характерна наявність кількох (в даному випадку трьох) емітерних областей, розташованих в базовій області.

Технологія виготовлення інтегральних МДН (МОН)-транзисторів не відрізняється від розглянутої при виготовленні біполярних транзисторів. На рис. 2.9 показано поперечний переріз інтегрального МОН-транзистора з індукованим каналом р-типу. Такий транзистор може бути виготовлений одночасно з біполярним транзистором n—р—n-типу (рис. 2.5, а) на іншому острівці епітаксійного шару n-типу, як це покачано на рис. 2.9 При цьому області витоку S і стоку D МОН-транзистора формуються одночасно в циклі базової дифузії p-домішки для біполярного транзистора. Діелектриком між затвором G і кристалом напівпровідника служить двооксид кремнію. Таким чином, кількість операцій при виготовленні інтегральних МОН-транзис-торів скорочується в 2—3 рази.

З цієї причини, а також  завдяки меншим геометричним розмірам біполярних МОН-структур щільність пикування ІМС на цих структурах в кілька разів вища, ніж для біполярних транзисторів.

Оскільки одночасне  формування високоякісних n—р—n- і р—n—p-транзисторів у складі однієї мікросхеми досить складний процес, то виготовляються окремі набори названих транзисторів. Такі набори є в складі серії К192 з коефіцієнтом підсилення струму бази h_21E, що становить 20—300. Зважаючи на те, що в розв'язанні багатьох схемотехнічних питань важливо мати узгоджені пари інтегральних біполярних і польових транзисторів, промисловістю налагоджено випуск мікрозбірок, в складі яких є такі пари. Мікрозбірки узгоджених пар біполярних транзисторів з відносним розкидом h_21E, який перевищує 5—15 %, і різницею прямих спадів напруги база—емітер не більше 3—15 мВ входять до серії К129. Узгоджені пари польових транзисторів з відносним розкидом струму стоку 5% утворюють серію К504.

Значне число транзисторів виготовляється в безкорпусному виконанні. Вони є компонентами гібридних інтегральних мікросхем. З цією ж метою виготовляються транзисторні збірки типу ГТС609, КТС613, КТС631 і КТС622 з допустимою зворотною напругою U_CB = 20... ... 60 В.

Діоди. Оскільки напівпровідникові діоди являють собою однопе-рехідні структури, то при їх виготовленні в інтегральному виконанні можуть бути використані поодинокі р—n-переходи. Однак, виходячи з конструктивно-технологічних умов, як діоди звичайно використовують емітерний або колекторний р—n-переходи інтегральних біполярних транзисторів. Час відновлення таких діодів лежить в межах 10— 100 нc. На рис. 2.10 подано схеми вмикання біполярного транзистора, де як інтегральний діод використовуються колекторний (рис. 2.10, a, б) і емітерний (рис. 2.10, в, г) р—n-переходи.

Діоди на основі колекторного р—n-перехoду мають найбільшу допустиму зворотну напругу (до 50 В), але їх прямий опір також великий. Найменший зворотний струм і найбільшу швидкодію мають діоди на основі емітерного переходу. Оскільки розкид пробивної напруги U_EB емітерного переходу незначний (±5 %), такий перехід доцільно використовувати як стабілітрон. Для зменшення температурного дрейфу напруги пробою, що становить приблизно 2,4 мВ/К, послідовно з емітерним переходом вмикається прямозміщений колекторний перехід, який має додатний температурний дрейф у межах 1,5 ... 2 мВ/К. Найнижчу пряму напругу має діод, в якому використано емітерний перехід при короткозамкненому колекторному переході, найвищу — діод з емітерним переходом при розімкненому колекторі.

Перевагою інтегральних діодів, які виготовляються в одному кристалі і в єдиному технологічному цикчі з інтегральними транзисторами, є ідентичність тих характеристик обох типів приладів, які обумовлені властивостями напівпровідникового матеріалу (інерційність процесів, час життя носіїв заряду та ін.). Це обумовлює високу якість роботи напівпровідникових IМС.

Фізичні принципи роботи, вольт-амперна характеристика і  параметри інтегральних діодів аналогічні параметрам дискретних діодів, які відрізняються лише числовими значеннями.

    В наш час  промисловість освоїла випуск  кремнієвих діодних матриць і збірок, до складу яких входять один або кілька діодів за заданою схемою ввімкнення. Такі матриці і збірки можна застосовувати як окрзмі функціональні вузли при проектуванні імпульсних та іншого роду схем. Вони виготовляються в складі серій мікросхем і орієнтовані на кснхретні галузі застосування. Наприклад, збірки діодів для діодно-транзисторнзго осередку входять до складу цифрових мікросхем серій К202, К217 і К221, характеризуються високою швидкодією при невеликому прямому струмі 2—10 мА і малій зворотній напрузі U_звор < 10 В.

Кснструктивно матриці і збірки виготовляються в безкорпусному, пластмасовому або металоскляному виконанні і призначені для використання в гібридних ІМС із загальною герметизацією. На рис. 2.1 I, a показано конструкцію діодної матриці типу КД917А, а на рис. 2.11, б — її принципову схему.

Резистори. В напівпровідникових ІМС як резистори використовують тонкий (порядку 3 мкм) шар напівпровідника емітерної або базової області транзисторної структури, опір якого визначається кількістю внесеної домішки в процесі її дифузії в острівці епітаксійного шару. Дифузія домішки в острівці резисторів при планарній технології відбувається одночасно з формуванням транзисторів або діодів в інших острівцях підкладки. Такі резистори називають дифузійними. Ізоляція дифузійних резисторів від інших елементів схеми здійснюється за допомогою закритих р—n-переходів.

На рис. 2.12, а показано дифузійний резистор, який виготовляють у базовому шарі біполярного транзистора n—р—n-типу. Від основи та інших елементів мікросхеми резистор відокремлений не менше ніж двома ввімкнутими назустріч р—n-переходами. Внаслідок цього при будь-якій полярності прикладеної напруги система цих р—n-перехо-дів буде закрита, що виключає необхідність подачі зміщення.

Топологія дифузійного  резистора показана на рис. 2.12, б. Опір такої прямокутної пластинки визначається формулою

R - l/bh,                                                             (2.1)

де— , І, b, h— відповідно питомий опір матеріалу, довжина, ширина i товщина дифузійного шару пластинки. При l=b, тобто для квадратної пластинки, R = _кв= /h. Цю величину, що має розмірність опору і не залежить від розмірів квадрата, називають опором квадрата резистивної плівки. Одиниця вимірювання _кв Ом/кв. При l=b (звичайно l> b) опір прямокутної пластини визначають із виразу (див. рівняння 2.1)