Транзисторы

В полупроводниковых микросхемах наиболее широта применяют диффузионные и эпитаксиально-диффузионные пленарные транзисторы.

Транзисторная структура интегральной микросхемы изготовляется посредством тех же операций, которые используют при изготовлении дискретного транзистора.

На рис. 7 показаны поперечное сечение и топология биполярного транзистора интегральной микросхемы, где видны четыре области: диффузионный эмиттер, диффузионная база, эпитаксиальный коллектор и подложка. Электрический контакт с эмиттерной, базовой и коллекторной областями получен с помощью алюминиевой металлизации.

При разработке микросхем выбор структур ограничен, так как изменение структуры влечет за собой дополнительные технологические операции, поэтому выбирают такую геометрию прибора, которая обеспечивала бы требуемые характеристики.

Очевидно, что в одной и той же интегральной микросхеме практически можно проектировать транзистор с любой топологией и размерами. А следовательно, в одной схеме могут быть созданы одновременно и высокочастотные и мощные транзисторы.

На приведенной топологии транзистора (рис. 7, а) эмиттер и база представляют собой прямоугольники, что обеспечивает рациоиальное использование площади кристалла. Соединение с базой осуществляется двумя контактами с одной и с другой стороны эмиттера. Контакт к коллекторной области выполнен в виде прямоугольной рамки с разрывом для прохождения металлизированных дорожек к выводам эмиттера и базы. Граница р-n - перехода, образованного между эпитаксийльным коллектором n - типа и подложкой р - типа и граница двух других переходов выходит на поверхность плас­тины под окисной пленкой, как это показано на рис. 7, а пунктиром. Размер эмиттера биполярного транзистора 20 x 30 мкм, это обеспечивает рабочий  ток 30 мА. Размер базы 60 x 100 мкм, а изолированной области 200 x 180 мкм. Электрические характеристики такого транзистора аналогичны характеристикам дискретного ВЧ-транзистора: f.t => 500 мГц; Umax => 30 В; Uкэmax => 5 В; h21э=> .20. Обратный ток переходов обычно менее 1 мкА, паразитная емкость с подложкой  Скп => 3 пФ.

Поскольку все транзисторы изготовляют одновременно в одном и том же кристалле кремния, это обеспечивает хорошее совпадение их электрических характеристик.

Для работы в режимах больших токов и малых напряжений насыщения могут применяться транзисторы, имеющие большую площадь эмиттерного перехода.

Особенность транзисторов в интегральных микросхемах связана с их планарной конструкцией. Все контакты к основным областям транзистора, в том числе и контакт к коллектору, располагают на одной плоскости. Такое размещение коллекторного контакта приводит к увеличению распределенного сопротивления тела коллектора по сравнению с сопротивлением тела коллектора дискретного транзистора, в котором коллекторный контакт расположен снизу. Вследствие образова­ния добавочного последовательного с коллектором сопротивления увеличивается сопротивление насыщения прибора.

Величина этого сопротивления составляет 10 / 100 Ом в зависимо­сти от топологии, тогда как в дискретных транзисторах 5 / 10 Ом.

Концентрация примесей в коллекторе вблизи перехода коллектор-база значительно меньше, чем концентрация примесей в базе по другую сторону этого перехода. В этом случае большая часть неосновных носителей при работе транзистора в режиме насыщения накапливается в области коллектора. Поэтому время выхода транзистора из режима, насыщения в основном зависит от свойств его коллектора.

Относительно большие величины сопротивлений тела коллектора обусловливают высокое значение остаточного напряжения: коллектор — эмиттер в режиме насыщения, особенно при больших рабочих токах коллектора.

Для снижения напряжения насыщения применяют специальные меры. Например, в структуре, показанной на рис. 8, в коллекторе транзистора на границе с подложкой для уменьшения сопротивления тела коллектора, введен высоколегированный слой n⁺- типа. Этот слой, называемый скрытым слоем, получают путем дополнительной диффузии донорной примеси перед наращиванием эпитаксиального слоя.

При наличии скрытого слоя в коллекторе образуется электрическое поле, направленное от подложки в сторону коллектора. В режиме насыщения это поле тормозит движение дырок, инжектированных из базы в коллектор, и накопление их происходит в относительно высокоомной части, прилегающей к переходу коллектор — база.

Транзистор со скрытым слоем n⁺- типа в коллекторе имеет оптимальное распределение примесей, позволяющее получить минимальное значение произведения г_кС_кв и высокое пробивное напряжение коллекторного перехода. Подложка в этом случае не оказывает влияния на работу транзистора.

Особенность интегральных микросхем состоит в существовании паразитных электрических связей между элементами, обусловленных наличием изолирующего слоя или р-n - перехода, разделяющих элементы интегральной микросхемы.

Характер этих связей зависит от метода изоляции и технологии изготовления микросхемы. В меньшей степени подложка влияет на параметры транзисторов при использовании диэлектрической изоляции.

Изолирующий р-n - переход представляет собой диод, который соединен с коллектором и действует как зависимая от напряжения емкость, соединяющая коллектор с землей.

При одинаковых размерах областей и одинаковом распределении примесей транзистор, изолированный диэлектрической пленкой, имеет значительно большее время рассасывания, чем транзистор, изолированный переходом. Для снижения t_рас в транзисторах, изолированных диэлектрической пленкой, в пластину кремния вводят атомы золота.