Разновидности биполярных транзисторов

Многоэмиттерный транзистор.

Структура многоэмиттерного транзистора (МЭТ) показана на рисунке 4.10а, а его условное обозначение на рисунке 4.10в. Такие транзисторы

Рисунок 4.10

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 эффектявляется 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.

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 4.11

Разумеется, структурное решение, показанное на рисунке 4.11а, 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.

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 4.12). Эмиттерный и коллекторный слои

Рисунок 4.12

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-слоевхарактерны 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 4.12 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.

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 существуинтегральный диод представляет собой диод­ное включение интегрального транзистора.

а)

б)

в)

г)

д)

Рисунок 4.13

Пять возможных вариантов диодного включения транзистора показаны на рисунке 4.13. В таблице 4.1 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 напряженияU_ПР зависят от используемого перехода: они меньше у тех вариантов, в которых используется эмиттерный переход (см. таблицу 4.1).

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 диодаС_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 подложкуС_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 4.7). Однако у ва­рианта Б - Э емкости С_КП и С_К оказываются включенными после­довательно и результирующая емкость С_П минимальна.

Таблица 4.1

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		1,2
tВ, нс

Время восстановленияобратного 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 являютсяБК-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.

Полевые транзисторы