.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Вольтамперные характеристики биполярных транзисторов

  Зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора   называют входной или базовой характеристикой транзистора. Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированных значениях тока базы  называют семейством выходных (коллекторных) характеристик транзистора.

 Базовая характеристика типа приведена на рисунке 14.3а, а коллекторная характеристика показана на рисунке 14.3б.

 


 Рис. 14.3

 Как видно из рисунка 14.3а входная характеристика не зависит от напряжения . Выходные характеристики приблизительно равноудалены друг от друга и почти прямолинейны в широком диапазоне изменения напряжения .

14.4.  параметры биполярных транзисторов

 Для расчета и анализа устройств с биполярными транзисторами используют так называемые параметры транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Эмиттерное состояние транзистора, включеного по схеме с общим эмиттером, характеризуется четырьмя величинами: , ,  и . Две из этих величин можно считать независимыми, а две другие могут быть выражены через них. Из практических в качестве независимых удобно выбирать величины  и . Тогда , .

 В усилительных устройствах входными сигналами являются приращения входных напряжений и токов. В пределах линейной части характеристик для приращений  и справедливы равенства:

  ,  (14.7)

или

  , , (14.8)

где  соответствующие частные производные, которые легко могут быть найдены по входной и выходным характеристикам транзистора, включеного по схеме с общим эмиттером: если  или , тогда ,

 если  или  , тогда ,

 если  или  , тогда ,

 если  или  , тогда .

 Параметр  имеет размерность сопротивления, он представляет собой входное сопротивление биполярного транзистора.

 Параметр безразмерный коэффициент внутренней обратной связи по напряжению. Параметр безразмерный коэффициент передачи тока, характеризующий усилительные (по току) свойства транзистора при постоянном напряжении на коллекторе.

 Параметр  имеет размерность проводимости и характеризует выходную проводимость транзистора при постоянном токе базы.

 Характеристики транзисторов, так же как у полупроводниковых диодов, сильно зависят от температуры. С повышением температуры резко возрастает начальный коллекторный ток  вследствие значительного увеличения количества неосновных носителей заряда в коллекторе и базе. В то же время несколько увеличивается и коэффициент  изза увеличения подвижности носителей заряда. параметры транзистора, особенно коэффициент передачи тока  зависят от частоты переменного напряжения, при которой производят измерение приращений токов и напряжений, так как на высоких частотах начинает складываться конечное время, за которое носители (в транзисторе типа ( электроны) проходят расстояние от эмиттера до коллектора транзистора.

 Частоту, на которой коэффициент передачи тока  уменьшается до единицы, называют граничной частотой коэффициента передачи тока  . На практике часто используют частоту , на которой параметр  уменьшается в  раз.

 


Рис. 14.4

Для предотвращения перегрева коллекторного перехода необходимо, чтобы выделяемая в нем мощность не превышала некоторого максимального значения:

 . (14.9)

Если между коллектором и эмиттером приложено слишком высокое напряжение, то может произойти электрический пробой коллекторного перехода, потому необходимо, чтобы при работе транзистора коллекторное напряжение было меньше допустимого:

 , (14.10)

 Существует аналогичное ограничение и по колекторному току

 , (14.11)

которое обусловлено допустимым перегревом эмиттерного перехода. Область, выделенная этими тремя ограничивающими кривыми (рис. 14.4), является рабочей областью характеристик транзисторов.

  Для повышения мощности  в последнее время начали выпускать мощные транзисторные сборки, в которых транзисторы соединены одноименными выводами.

14.5. Дрейфовые транзисторы

 Деление транзисторов на типы связано с их назначением, а также применяемой технологией создания трехслойной транзисторной структуры. По технологии изготовления различают сплавные (рис. 14.5а), эпитаксиальные (рис. 14.5б) и планарные транзисторы (рис. 14.5в). По этим рисункам видны их отличительные особенности.

Диффузионная технология позволяет создать ускоряющее поле в базе для носителей заряда, проходящих в направлении коллектора, в связи с чем транзисторы, изготовленные по такой технологии, называют дрейфовыми. Отличие заключается в том, что для получения двух   переходов производится диффузия двух видов примеси (донорной и акцепторной). Таким образом, получаем полупроводниковую структуру транзистора типа  с двумя   переходами на границах раздела слоев.

 Эпитаксиальные транзисторы представляют собой разновидность транзисторов, получаемых с помощью диффузионной технологи. Их особенностью является малое объемное сопротивление коллекторного слоя, что существенно при работе транзисторов в импульсном режиме.

Принцип создания таких слоев основан на явлении эпитаксии ориентированного наращивания полупроводникового слоя.

В эпитаксиальных транзисторах типа  исходным материалом является низкоомная полупроводниковая пластина n типа, на которой наращивается высокоомный эпитаксиальный n слой. Затем методом последовательной или двойной диффузии создают базовый p слой и эмиттерный n слой.

 


Рис. 14.5

 Планарные транзисторы выполняют по технологии, наиболее полно отражающей современные достижения в производстве полупроводниковых приборов.

Процесс создания планарных транзисторов сопровождается диффузией примесей в плоскую (планарную) кремниевую пластинку, осуществляемой локально, т.е. с помощью защитных масок, полученных методами фотолитографии.

  Метод создания слоев транзисторной структуры по планарной технологии, как отмечалось, связан с локальной диффузией примеси. Если в число операций при планарной технологии помимо диффузии входит эпитаксиальное наращивание слоев, то технология получается пленарно эпитаксиальной. Такое же название имеют соответственно и транзисторы. Планарная и пленарноэпитаксиальная технология нашли широкое применение в производстве интегральных микросхем.

Изоляция элементов

Легированные полупроводниковые пластины, применяемые в производстве ИМС (кремний, арсенид галлия, германий), характеризуются сравнительно низким (1–20) Ом×см удельным сопротивлением. Если не предусмотреть специальных мер, то между элементами ИМС образуются гальванические паразитные связи, нарушающие работу соответствующей схемы. Для исключения или существенного ослабления нежелательных гальванических связей между элементами в ИМС применяют изоляцию [1, 3, 4]:

p-n-переходами;

диэлектрическими слоями;

сочетанием p-n-перехода с диэлектрическими слоями (комбинированная изоляция).

Изоляция p-n-переходами. Высокое сопротивление обратно смещенных p-n-переходов позволяет использовать их для изоляции элементов полупроводниковых ИС. Для этого в приповерхностном объеме кристалла с определенным типом проводимости соответствующими технологическими способами создаются «островки» определенных размеров с противоположным типом проводимости. «Островки» отделены от материала подложки изолирующими p-n-переходами. Обычно подложка находится под нулевым потенциалом, а на «островки» подается смещающее обратное напряжение относительно подложки. Изолированные «островки» называют карманами. В кармане формируется один или несколько БПТ с общей коллекторной областью, но «изолированных» от транзисторов, размещенных в других карманах структуры ИС. Иные элементы, исполняемые на основе слоев изолированных транзисторов, используют собственную изоляцию р-n-переходами от других элементов внутри кармана и общую изоляцию кармана для изоляции от групп элементов, размещенных в других карманах.

 Ток гальванической связи областей, разделенных обратно смещенным p-n-переходом, оценивается уровнем (10–6–10–9) А и зависит от ширины запрещенной зоны материала кристалла ИМС, и дефектов, вносимых в процессе производства, и температуры кристалла.

Величина тока гальванической паразитной связи может многократно увеличиться на несущую пластину или смежный карман вследствие образования паразитных транзисторов или тиристоров между слоями структуры ИМС. Такие явления имеют место в изолированных p-n-переходом БПТ и некоторых вариантах структур диодов, выполненных на основе структуры БПТ. Для учета влияния паразитных структурных образований необходимо предвидеть последствия влияния или обеспечивать для них режим отсечки.

Емкостная паразитная связь между слоями определяется барьерной емкостью изолирующего p-n-перехода, удельная величина которой на единицу площади находится в пределах (50–200) пф/мм2.

Достоинством изоляции p-n-переходом является совмес-тимость ее технологической реализации с производством элементов ИМС. Недостатки связаны с зависимостью гальванических токов от температуры и радиации, с образованием паразитных транзисторных структур, с повышенной барьерной емкостью, в сравнении с распространенными диэлектриками. Этот вид изоляции, при использовании наиболее широко применяемого метода разделительной диффузии, не позволяет получить высокую плотность компоновки элементов микросхем.

Диэлектрическая изоляция позволяет создавать ИМС с улучшенными показателями (увеличить напряжение пробоя изоляции, на (4–6) порядков уменьшить токи гальванической связи, исключить возможность образования паразитных транзисторных и тиристорных структур, на (1–2) порядка уменьшить паразитные емкости изоляции). В результате обеспечивается повышение рабочих частот аналоговых и быстродействие цифровых ИМС и их стойкость к действию радиации. Пример структуры с изоляцией карманов (под исполнение элементов) диэлектриком изображен на рисунке 2.3.

В качестве изолирующего диэлектрика для кристаллов кремния используются слои окисла SIO2, нитрида, карбида кремния либо их сочетания.

 В качестве несущего основания используются поликристаллический кремний или иные совместимые композиционные материалы. Изоляция диэлектриком не лишена недостатков, из которых следует особо отметить:

усложнение технологии;

повышение процента бракованных кристаллов;

завышение размеров разделительных зон между смежными карманами;

ухудшение условий отвода тепла от элементов.

Комбинированная изоляция элементов ИМС является компромиссным вариантом, сочетающим технологичность изоляции p-n-переходом и высокие качества изоляции диэлектриком. Здесь элементы ИМС со стороны пластины по донной части структуры кармана изолированы обратно смещенным p-n-переходом, а с боковых сторон, с выходом на поверхность пластины, диэлектриком.

Таким образом, изоляция p-n-переходом заменяется изоляцией диэлектриком в приповерхностном слое с боковых сторон, где удельная емкость p-n-перехода повышена и напряжение пробоя для изоляции пониженное.

 Вариант структуры кармана с комбинированной изоляцией представлен на рисунке 2.4. В основе технологии лежит локальное протравливание тонкого слоя монокристалла, в результате чего этот слой оказывается разделенным на островки-карманы, в которых можно формировать элементы ИМС. Маской при локальном травлении и последующем окислении кремния служит нитрид кремния. Предварительное (перед общим окислением) локальное окисление кремния осуществляют на (60–70) % от общей толщины слоя, с тем чтобы образовавшаяся канавка при окислении «заросла» окислом точно до краев, т.к. удельный объем окисла примерно вдвое больше удельного объема кремния. Этим обеспечивается планарность поверхности структуры для последующих процессов формирования структур элементов и их соединений. Комбинированная изоляция применяется при толщине разделяемых карманов не более (2–3) мкм с использованием локального травления и не более (1,5–2) мкм при окислении разделительных зон без предварительного травления.


На главную