Биполярные транзисторы полупроводниковых ИМС

Биполярные транзисторы полупроводниковых микросхем формируются на по­лупроводниковой подложке р-типа в изолированных от нее локальных областях n-типа, называемых карманами. Изоляция карманов от подложки может быть осуществлена несколькими способами. Идеальной является изоляция с помощью пленки двуокиси кремния (рис. 6.7, а). Однако такой способ технологически сло­жен. Наиболее простым является способ изоляции с помощью обратно смещен­ного р-n-перехода (рис. 6.7, б), но такой способ несовершенен из-за наличия об­ратного тока. Основным методом изоляции в современных ИМС является метод комбинированной изоляции, сочетающий изоляцию диэлектриком и обратно смещенным p-n-переходом (рис. 6.7, б).

Транзисторы типа n-р-n

Биполярные транзисторы типа п-р-п являются основными схемными элемен­тами полупроводниковых ИМС. Наибольшее распространение получили тран­зисторы, имеющие вертикальную структуру, в которой все выводы от областей транзистора расположены в одной плоскости на поверхности подложки (рис. 6.8). Такая структура называется планарной. Структура состоит из эмиттерной (1), базовой (2) и коллекторной (3) областей. Под коллекторной областью располо­жен скрытый n⁺-слои (4). От внешних воздействий структура защищена оксидным слоем SiO₂ (5), в котором имеются окна (6) для присоединения металлических выводов (7) к соответствующим областям структуры. Типичные параметры сло­ев транзистора приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1. Параметры слоев транзистора

Наименование слоев	N, см-3	d, мкм	р, Ом*см	rs, ОМ
Подложка р-типа	1,5*1015	200-400		-
Скрытый n+-cлой	1016	2,5-10	-	10-20
Коллекторный n-слой	-	3,5-12	0,5-1,0	-
Базовый р-слой	5*1018	1,5-2,5	-	100-300
Эммиторный n+-слой	1021	0,5-2	-	2-15

Рабочей областью транзистора является область, расположенная под донной час­тью эмиттера. Остальные области структуры являются пассивными. Наличие их увеличивает объемные сопротивления коллекторной и базовой областей транзи­стора. Сопротивление базовой области r'₆ интегрального транзистора примерно такое же, как у дискретного транзистора (около 10-20 Ом), а сопротивление кол­лекторной области r'_к существенно больше: у дискретного транзистора оно состав­ляет 1-2 Ом, у интегрального — 10-50 Ом. Вследствие этого выходные харак­теристики интегрального транзистора в режиме насыщения идут более полого, чем дискретного (рис. 6.9). Для уменьшения сопротивления r'_к в структуру вве­ден скрытый n⁺-слой (4), не имеющий внешних выводов. Этот слой шунтирует расположенный над ним высокоомный коллекторный слой n-типа, обеспечивая низкоомный путь току от активной области к коллекторному контакту. Умень­шение вдвое сопротивлений r'₆ и r'_к достигается также за счет создания двух выво­дов от каждой из областей транзистора.

Вертикальная структура интегрального транзистора, изолированного от подлож­ки p-n-переходом, по существу, является четырехслойной (рис. 6.10, а) и ее мож­но представить состоящей из двух транзисторов: активного транзистора VT1 типа п⁺-р-п и паразитного транзистора VT2 типа р-п-р (рис. 6.10, б). Коллекторный переход паразитного транзистора всегда закрыт. Если основной транзистор рабо­тает в активном режиме, то влияние паразитного транзистора невелико, так как он находится в режиме отсечки и оба его перехода закрыты. Если же основной транзистор работает в режиме насыщения, что характерно для импульсных схем, то паразитный транзистор оказывается в активном режиме. При этом появляется ток утечки г_ут (рис. 6.10, в) и уменьшается базовый ток i'₆ основного транзистора: i'₆= i₆ - i_yn, что ухудшает импульсные параметры основного транзистора. Для того чтобы ослабить влияние паразитного транзистора на работу основного, уменьша­ют коэффициент передачи тока базы р паразитного транзистора путем введения в его базовую область примеси золота. Атомы золота играют роль ловушек, умень­шая время жизни носителей заряда, благодаря чему уменьшается коэффициент р паразитного транзистора.

Эквивалентная схема вертикального транзистора типа п-р-п с изоляцией обрат­но смещенным р-n-переходом между коллектором и подложкой, учитывающая наличие паразитных элементов, представлена на рис. 6.11.

Помимо упомянутых сопротивлений пассивных областей и паразитного транзи­стора типар-n-p она содержит распределенные емкости трех переходов. Наличие этих емкостей определяет частотные и импульсные свойства интегрального транзистора, которые несколько хуже, чем у дискретного. Практически предель­ная частота вертикальных транзисторов типа п-р-п лежит в пределах 600-800 МГц. Для анализа усилительных свойств транзистора может быть использована модель, аналогичная модели Эберса—Молла (рис. 6.12), учитывающая наличие основного и паразитного транзисторов. Если транзистор изолирован от подложки диэлек­трической изоляцией, то паразитный транзистор типа р-п-р в эквивалентной схеме отсутствует и, соответственно, отсутствуют диод VD3, генератор тока a_n*i₂ и генератор тока a_ni*i₃. Однако паразитная емкость С_к-п сохраняется.