Транзисторы типа n–p–n
Биполярный транзистор n–p–n типа является ключевым элементом полупроводниковых микросхем. Остальные элементы микросхемы выбираются и конструируются таким образом, чтобы они совмещались с основной структурой. Их изготавливают одновременно с созданием n–p–n транзистора на основе какой либо из его областей. Такими образом, выбор физической структуры транзистора однозначно определяет основные электрические параметры микросхемы.
Самое широкое распространение получила транзисторная структура n–p–n структура со скрытым подколлекторным n –слоем (рис. 1). Из рисунка видно, что вывод коллектора расположен на поверхности прибора. Это ведет к увеличению сопротивления тела коллектора и ухудшению характеристики транзистора как в усилительном, так и в переключающем режимах. Увеличение степени легирования всего объема коллекторной области и уменьшение ее удельного сопротивления снижает пробивное напряжение перехода коллектор–база и увеличивает емкость это перехода, т.е. ухудшает характеристики транзистора. Решением этой проблемы является создание скрытого высоколегированного n –слоя на границе коллектора и подложки. Этот слой обеспечивает низкоомный путь току от активной коллекторной зоны к коллекторному контакту, не снижая при этом величину пробивного напряжения перехода коллектор база. Конструктивно этот слой расположен непосредственно под всей базовой областью и простирается вплоть до коллекторного контакта. Типичные значения этого слоя приведены в табл. 3.
Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмиттерной зоной (см. рис. 1). Для обеспечения необходимого коллекторного тока при минимальном последовательном падении напряжения коллекторный контакт располагается как можно ближе к эмиттерному. Минимальные значения горизонтальных размеров прибора определяются технологическими факторами:
– минимально достижимым при фотолитографии размерами окон в окисле и зазоров между окнами;
– глубиной боковой диффузии примеси под окисел.
Табл. 3Типичные параметры слоев интегрального n–p–n транзистора
| Наименования слоя | N, см–3 | d, мкм | rO, Ом·см | rS, Ом/ |
| Подложка p–типа | 1,5·1015 | 200…400 | – | |
| Скрытый n –слой | – | 2,5…10 | – | 15…50 |
| Коллекторный n–слой | 1016 | 3,5…12 | 0,15…5,0 | – |
| Базовый p–слой | 5·1016 | 1,5…2,5 | – | 100–300 |
| Эмиттерный n –слой | 1021 | 0,5…2 | – | 2…15 |
| Изолирующая область | – | 3,5…12 | – | 6…10 |
| Окисная пленка | – | 0,3…0,6 | – | – |
| Алюминиевая пленка | – | 0,6…1,0 | 2,7·10-6 | 0,06…0,1 |
Это надо учитывать при проектировании транзисторов для микросхем. Таким образом расстояние между базовой областью и коллекторным контактом должно быть значительно больше суммы размеров боковой диффузии p–базы n –области под коллекторным контактом. Назначение этой n –области состоит в обеспечении надежного формирования невыпрямляющего алюминиевого контакта к слабо легированной n–области коллектора. Расстояние между изолирующей областью p–типа и элементами транзистора определяются также эффектом боковой диффузии. Они должны быть равны примерно толщине эпитаксиального слоя, которая обычно составляет 3,5…12 мкм. Основные параметры слоев интегрального n–p–n транзистора приведены в табл. 3.
Для уменьшения сопротивления коллектора, а следовательно и характеристик транзистора используют семеричную конфигурацию коллектора (рис. 2). В этом случае коллекторный ток протекает к эмиттеру с трех сторон и сопротивление коллектора оказывается примерно в три раза меньше, чем в структуре представленной на рис. 1. Для конструкции транзистора симметричной конфигурацией облегчается разработка топологии металлической разводки, так как в ней оказывается возможным часть коллекторной области разместить под окислом, а по верх окисла над коллектором провести проводник к эмиттерной или базовой области. На рис. 2 даны топологические размеры областей интегрального биполярного транзистора для микросхемы средней степени интеграции.
При увеличении рабочего тока в транзисторе происходит увеличении плотности тока эмиттера. Это в свою очередь приводит к повышению рекомбинационным потерям носителей в области краев эмиттера и уменьшению коэффициента усиления. Для уменьшения этого эффекта необходимо выбирать топологию мощных транзисторов таким образом, чтобы обеспечить максимальное отношении периметра эмиттера к его площади. На рис. 3 представлена топология и структура для планарного транзистора большой мощности. Для транзистора средней мощности можно использовать две эмиттерные области включенные параллельно, для мощного транзистора использовать “гребенчатую” структуру, т.е. область в которой эмиттерные и базовые области чередуются.
Для повышения значения коэффициента усиления n–p–n транзистора используют так называемый транзистор с тонкой базой. У этих транзисторов толщина базы составляет 0,2…0,3 мкм, а коэффициент усиления – 2000…5000 при IК = 20 мкм и UКЭО = 0,5 В. Основным недостатком транзистора с тонкой базой является низкое пробивное значение коллектор– эмиттер, которое составляет 1,5…2 В.
^
Транзисторы типа p–n–p.
Такой тип биполярного транзистора главным образом используются как нагрузочные приборы для n–p–n переключательных транзисторов. Все существующие варианты интегральных p–n–p транзисторов существенно уступают n–p–n транзисторам по коэффициенту усиления и придельной частоте. Для их изготовления используется стандартная технология, оптимизированная для формирования n –p–n транзистора.
Наиболее часто используются горизонтальные p–n–p транзисторы, топология и структура которого представлена на рис. 4. Эти транзисторы изготавливаются одновременно с n –p–n транзисторами по обычной технологии. Эмиттерный и коллекторный слой получают на этапе базовой диффузии, причем коллекторный слой охватывает эмиттерный со всех сторон. Базовая область формируется на основе эпитаксиального слоя с подлегированнием контактной области во время эмиттерной диффузии. Перенос носителей в таком транзисторе протекает в горизонтальном направлении. Перенос носителей наиболее эффективен в приповерхностной области, так как здесь расстояние между эмиттером и коллектором минимальное и наиболее высока концентрация примеси в p–слоях. Ширина базы в p–n–p транзисторе (см. рис. 4) составляет примерно 3…4 мкм (не удается сделать меньше из-за боковой диффузии). В этом случае коэффициент усиления удается получить равным 50, а предельная частота составляет 20…40 МГц.
Для уменьшения действия паразитного p–n–p транзистора (p–эмиттер, n–эпитаксиальный слой, p–подложка) стремятся уменьшить площадь донной части эмиттера (его делают по возможности более узким), используют скрытый n –слой вдоль границы эпитаксиального слоя и подложки.
Основным недостатком горизонтального транзистора p–n–p транзистора является сравнительно большая ширина и однородность распределения примеси в ней (этот транзистор является бездрейфовым). Эти недостатки можно устранить использованием дрейфовой структуры, в которой два электрода в противоположных концах базы создают в базовом слое электрическое поле, уменьшающее время переноса инжектированных дырок и создает в эмиттере смещение, снижающее инжекцию из его донной части.
Совершенно не изменяя топологический процесс изготовления n –p–n транзистора, чисто конструктивно и за счет подключения соответствующих областей транзисторной структуры можно сформировать еще один вариант p–n–p транзистора, так называемый подложечный транзистор (рис. 5). Поскольку подложка микросхемы обычно подключена к точке схемы, имеющий наибольший отрицательный потенциал, то транзистор можно подключать только по схеме с общим коллектором. Этот транзистор, как и горизонтальный p–n–p транзистор, имеет низкий коэффициент усиления и малую граничную частоту. База этого транзистора является слаболегированным эпитаксиальным слоем и из-за этого обладает большим сопротивлением и повышенной паразитной емкостью коллекторного перехода из-за значительных его размеров.