Активные приборы монолитных ИС (БТ, диоды, полевые транзисторы).

БТ формируются на полупроводниковой подложке p -типа в изолированных от нее областях n -типа, называемых карманами. Изоляция карманов от подложки может быть выполнена несколькими способами. Самый идеальный способ изоляции с помощью диоксида кремния, однако, он является технологически сложным (рис. 7.2, а). Наиболее простой способ изоляции с помощью обратносмещенного p-n -перехода, но он несовершенен из-за наличия обратного тока (рис. 7.2, б). Основным методом изоляции: создание комбинированной изоляции, сочетающей два предыдущих (рис. 7.2, в).

Рис. 7.2. Способы изоляции карманов от подложки

Рис. 7.3. Структура биполярного транзистора со скрытым n +-слоем

Наибольшее распространение получили транзисторы, имеющие вертикальную структуру, в которой все выводы от областей транзистора расположены в одной плоскости на поверхности подложки (рис. 7.3). Такая структура называется планарной. Структура состоит из эмиттерной 1, базовой 2 и коллекторной 3 областей. Под коллекторной областью расположен скрытый n +-слой 4. От внешних воздействий структура защищена диоксидом кремния 5, в котором имеются окна 6 для присоединения металлических выводов 7 к соответствующим областям структуры.

Основу биполярных интегральных микросхем составляют транзисторы n-p-n -типа, это вызвано удобствами формирования именно n-p-n -структур и несколько лучшими параметрами интегральных n-p-n -транзисторов по сравнению с параметрами интегральных транзисторов p-n-p -типа.

Дело в том, что для формирования сильнолегированных эмиттерных областей транзисторов n-p-n -типа обычно используют диффузию фосфора, который имеет большую растворимость в кремнии и относительно малый коэффициент диффузии. Таким образом, для формирования p-n-p -транзистора в интегральной микросхеме, содержащей n-p-n -транзисторы, необходимо еще провести дополнительную диффузию какого-то акцептора с предельной растворимостью, превышающей предельную растворимость фосфора. А такие акцепторы практически отсутствуют.

Поэтому основным приемлемым вариантом интегрального транзистора p-n-p -типа является так называемый горизонтальный или боковой транзистор (рис. 7.4). Для его формирования не надо вводить дополнительных технологических операций, так как p -области его эмиттера и коллектора получаются одновременно при создании p -области базы транзистора n-p-n -типа. Однако горизонтальный p-n-p -транзистор оказывается бездрейфовым из-за однородного легирования его базовой области – эпитаксиального слоя. Толщина активной части базы горизонтального транзистора получается относительно большой. Все это приводит к посредственным частотным свойствам горизонтального транзистора: его граничная частота не превышает обычно нескольких десятков мегагерц.

Рис. 7.4. Структура горизонтального транзистора

У горизонтального транзистора должны быть одинаковыми пробивные напряжения эмиттерного и коллекторного переходов. Близкими должны быть и коэффициенты передачи тока эмиттера при нормальном и инверсном включении такого транзистора, так как области эмиттера и коллектора одинаковы по свойствам. Горизонтальная структура позволяет легко осуществить многоколлекторный транзистор. Для этого достаточно кольцевую область коллектора разделить на несколько частей и предусмотреть отдельные выводы от каждой части – от каждого коллектора. Коэффициент передачи тока для каждого коллектора будет, конечно, в соответствующее число раз меньше, чем для единого коллектора, но все коллекторы будут действовать «синхронно», а нагрузки во всех коллекторных цепях будут электрически разделены. Многоколлекторный транзистор оказывается удобным для некоторых цифровых интегральных микросхем.

Для создания диода вообще достаточно сформировать только один p-n -переход. Однако диодам в интегральных микросхемах придают транзисторную структуру и в зависимости от конкретного назначения используют тот или иной p-n -переход путем применения одного из пяти возможных вариантов включения (рис. 7.6).

В первом варианте (1) используется эмиттерный переход, а коллекторный короткозамкнут. Такое включение используют в цифровых микросхемах, так как в этом случае достигается наибольшее быстродействие: накопление носителей заряда может происходить только в базовой области, а она очень тонкая. Возможность накопления носителей заряда в коллекторной области исключена шунтированием коллекторного перехода. Время переключения может быть около 1 нс.

Рис. 7.6. Варианты диодного включения транзистора

(2) используется эмиттерный переход, а коллекторная цепь разомкнута. (3) используется коллекторный переход, а эмиттерной области при этом может и не быть, т. е. этап диффузии примесей для формирования эмиттерной области может быть исключен из технологического процесса. Если же эмиттерная область сформирована, то цепь эмиттера остается разомкнутой. Коллекторная область обычно является относительно высокоомной, поэтому такой диод имеет достаточно высокое пробивное напряжение (~50 В). Площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, поэтому использование коллекторного перехода в качестве диодной структуры дает возможность пропускать большие прямые токи.

(4) эмиттерную и коллекторную области соединяют между собой, т. е. эмиттерный и коллекторный переходы включают параллельно. Допустимый прямой ток при этом оказывается еще больше, но увеличивается также и суммарная барьерная емкость. (5) используется коллекторный переход, а эмиттерный короткозамкнут.

Полевой транзистор. Наиболее широко применяют транзисторы со структурой металл - диэлектрик - полупроводник (МДП - транзисторы).

Рис. 11.7. МДП-транзистор

Транзистор состоит из кристалла полупроводникового материала (в рассматриваемом случае n-типа), в котором методом диффузии образованы две зоны 2 и 3 с электропроводностью p-типа. Поверхность кристалла покрыта слоем диэлектрика 4, в котором имеются окна, открывающие доступ к зонам p-типа. На поверхности диэлектрика - три металлизированных участка: исток 5,сток 8 и затвор 7. Слой диэлектрика 6 должен иметь вполне определенную толщину и строго регламентированные свойства. МДП - транзисторы могут обладать электропроводностью р- и n-типов. В интегральных микросхемах наиболее широко применяют кремниевые транзисторы.

МДП-транзисторы в интегральных схемах широко используют в ключевом режиме для построения цифровых схем. При этом в качестве нагрузки для транзистора используют не резисторы, а МДП-транзисто-ры, аналогичные тем, которые применяют в качестве активных элементов схемы.
В связи с особенностями структуры МДП-транзисторов их можно формировать без специальных островков в монокристалле интегральной микросхемы, что упрощает технологию – уменьшает число технологических операций, удешевляет интегральные микросхемы и дает возможность увеличить плотность упаковки. Другая особенность и преимущество МДП-транзисторов в качестве активных элементов интегральных микросхем состоит в том, что при нулевом напряжении на затворе МДП-транзистора с индуцированным каналом ток стока практически отсутствует, т. е. мощность транзистором потребляется только во время подачи напряжения на затвор. Это уменьшение потребляемой мощности интегральных микросхем на МДП-транзисторах с индуцированным каналом особенно существенно для создания логических интегральных микросхем. Важным также является то обстоятельство, что цифровые интегральные микросхемы могут быть построены целиком на гальванически соединенных между собой МДП-транзисторах без использования других элементов.