.
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

Многоколлекторный БПТ

 Структура многоколлекторного [3, 4, 7, 9] транзистора (МКТ) аналогична структуре многоэмиттерного транзистора, но радикально отличается принцип применения этого прибора в схемотехнике логических элементов и, соответственно, топология прибора. Пример структуры и топологии трехколлекторного МКТ изображен на рисунке 2.39. Изображенный на рисунке транзистор имеет вертикальную структуру n-p-n-типа. В структуре МКТ эмиттерам и коллектору структуры МЭТ взаимно сменили функциональное назначение электродов:

эмиттерам МЭТ назначена функция коллекторов К1, К2, К3 МКТ;

коллектору МЭТ назначена функция эмиттера МКТ.

В связи с указанным переназначением электродов в качестве основного режима МКТ определен инверсный режим включения МЭТ. В этом режиме МКТ цифровых схем переключается между двумя состояниями: состоянием насыщения при прямом смещении перехода эмиттер-база и состоянием отсечки (при нулевом или обратном смещении перехода эмиттер-база).

Важным для МКТ является повышение коэффициента передачи тока эмиттера в коллекторы. Этому способствует размещение скрытого n+-слоя в эмиттере под базовым слоем, благодаря чему обеспечивается повышение коэффициента инжекции. Такие возможности эффективно реализуются в типовой технологической структуре КИД. Коэффициенты передачи тока эмиттера на совокупность коллекторов вполне достижимы на уровне α ≥ (0,8–0,9), что соответствует коэффициентам усиления тока базы B ≥ (4–10), достаточным для функционирования схем с числом коллекторов (2—5).

Для оценки коэффициента передачи тока эмиттера следует воспользоваться формулами (2.30) — (2.42) с учетом замечаний п. 2.12.7 и масштабных коэффициентов, определяемых отношением площади коллекторов Sк к эффективной площади эмиттера Sэ.

  Для инжектированных носителей среднее время пролета носителей в базе МКТ tпр повышается вследствие действия тормозящего поля базы при диффузионной базе. Ослабление этого негативного эффекта обеспечивается в структуре КИД, для которой время пролета оценивается по формуле (2.82) при k1=2–2,4.

 Типовое значение времени переключения (τ) МКТ составляет (5–10) нC.

 На основе МКТ реализован базовый логический элемент, названный элементом с инжекционным питанием (Integrated Injection Logic, И2Л). Основная особенность принципа работы такого элемента — инжекция неравновесных неосновных носителей в биполярную транзисторную структуру со стороны. Способ инжекции может быть разной физической природы, включая световую, радиоактивную, электрическую. В приводимом материале обсуждаются приборы с электрическим способом инжекции.

Четырехэлектродную вертикальную структуру, приведенную на рисунке 2.39, можно рассматривать как два соединенных БПТ (p-n-p- и n-p-n-типа). Один из этих транзисторов (структура р-n-p+) выполняет функцию генератора инжектируемых носителей, а другой (структура n-p-n+) выполняет функцию управляемого переключателя. В качестве переключателя применен МКТ. Схема типового логического элемента И2Л с трехколлекторным МКТ приведена на рисунке 2.40.

Путем соединения выходов (K1, K2, K3) транзистора VTn металлическими проводниками со входами X аналогичных элементов можно реализовать функциональный элемент или функциональную группу с любой необходимой функцией преобразования цифровых сигналов. В отличие от схем, исполняемых на элементах ТТЛ или ДТЛ, где операции выполняются с помощью МЭТ или диодной сборки, в схемах И2Л эти операции выполняются монтажным соединением соответствующих входов/выходов.


Элементы И2Л имеют много различных физико-структурных и топологических вариантов реализации. Один из распространенных вариантов структуры с горизонтальной структурой инжектирующего p-n-p-транзистора показан на рисунке 2.41. В этой структуре применена n+-подложка и слаболегированный ЭПС n-типа. Они образуют общую эмиттерную область групп или всех МКТ кристалла. Инжектор и базы сформированы диффузией. Боковые n+-области исполнены локальной диффузией примесей перед формированием р-областей. Изоляции отдельных МКТ не требуется, так как все они имеют общую n-область. Тем не менее боковые n+-области по трем боковым сторонам р-баз n-р-n МЭТ (исключая сторону, обращенную к инжектору) создают «отражающую стенку», которая исключает влияние паразитных горизонтальных р-n-р-структур между базами смежных транзисторов VTn и способствует повышению коэффициента усиления В МКТ.

 На рисунке 2.42 приведена структура, в которой совмещены МКТ (фрагмент слева) и обычный n-p-n БПТ со структурой типового БПТ ЭПСК (фрагмент справа). Такое сочетание МКТ и n-p-n БПТ вертикальной структурой находит применение в схемах обрамления логических схем, исполненных на МКТ. Многоколекторные транзисторы, вследствие деления общего коллекторного тока и применения специфической схемы питания, применяются для построения цифровых схем с уровнями сигналов U1, не пре-вышающими (0,7–0,8) В при рабочих токах I0 от пико- до единиц микроампер. При таких значениях токов падение напряжения на элекродных областях МКТ не накладывает жестких ограничений на сопротивления этих областей.


В связи с этим выбор форм и размеров топологических конфигураций МКТ определяется конструктивно-технологичес-кими ограничениями по структурной и топологической реали-зации, обеспечивющими сокращение потерь переноса носителей в МКТ. На рисунке 2.43 приведен пример топологической конфигурации МКТ со структурой, представленной на рисунках 2.41, 2.42. Топологические формы областей приведены для иллюстрации размерных цепей и гипотетической рационализации выбора их форм. Размер Δ на рисунке соответствует минимально-допустимому конструктивно-технологическому зазору и опре-деляется по формулам (2.56) с учетом погрешностей совмещения, искажения линейных гра-ниц областей, ширины p-n-переходов. Размер Lcc определяется через сум-марную абсолютную флю-ктуацию границ топологи-ческого объекта (окна под контактную металли-зацию и иные электро-дные области). Мини-мальный линейный размер коллектора Lc согласно рисунку может быть определен через размеры Δ и Lcc. Если размер Lc может превышать минимальное значение, определяемое размерами Δ и Lcc, то ширина и длина базы должны соответствовать возможно высокому коэффициенту ее заполнения коллекторными поверхностями, так как коэффициент передачи МКТ зависит от отношения площадей коллекторов Sc и эмиттера Se. Ширина отражающей n+-области между смежными базами МКТ определяется ограничениями технологии формирования этой области.


На главную