Компоненты полупроводниковых ИМС

Транзисторы. Для всех конструктивно-технологических типов полупроводниковых интегральных схем транзисторы являются ос­новными и наиболее сложными компонентами. В современной ин­тегральной полупроводниковой технике используются транзисторы двух типов — биполярные и полевые (МДП-транзисторы). Специ­фическая особенность их заключается в том, что изготавливаются они по планарной или эпитаксиально-планарной технологии. Для структуры планарных транзисторов характерно расположение вы­водов в одной плоскости (плане). Плоская система позволяет про­стым способом — нанесением пленки двуокиси кремния — создать защиту от внешних воздействий. Благодаря защитному слою планарные структуры получили наибольшее распространение при изготовлении интегральных схем.

Рис. 9.3. Изготовление биполярных транзисторов методом планарно-диффузионной технологии: а — диффузия донорной примеси; б — форми­рование «островков»; в — повторная диффузия акцептацией примеси и формирование базовой области; г — образование эмиттерной области и формирование контактных площадок

Рис. 9.4. Изготовление биполярной транзисторной структуры эпитаксиально-планарной технологии: а—пластина кремния с эпитаксиальным слоем и окисной пленкой, вскрытой для изолирующей диффузии; б — пластина кремния после изолирующей диффузии; в — тран­зисторная структура после диффузии базы, эмиттера и металлизации

На рис. 9.3 схематически показана последовательность опера­ций при изготовлении биполярного транзистора методом планарно-диффузионной технологии.

Первые два этапа (рис. 9.3, а, б) ничем не отличаются от этапов формирования «островков», изолированных друг от друга непро­водящими р-п переходами (рис. 9.1), В результате диффузии донор­ной примеси в исходной пластинке образуются коллекторные области транзисторов. Далее (рис. 9.3, в) производят повторную диффузию акцепторной примеси с целью получения базовой области, Третья диффузия (рис. 9.3, г) приводит к образованию эмиттера. После этого осуществляют омический контакт с областями коллек­тора, базы и эмиттера и создают контактные площадки, к которым впоследствии можно присоединять внешние выводы.

Изготовление р-п переходов и элементов интегральных твер­дых схем способом диффузии имеет определенный недостаток: р-п переход не имеет четкой границы. Это объясняется тем, что диффузия идет с поверхности материала. В связи с этим примесь в исходном материале распределяется неоднородно: на поверхности атомов примеси больше, а в глубине меньше. Нечеткость р-п перехо­дов существенно влияет на качество и свойства компонентов схемы.

Создание изолирующих областей и р-п переходов наиболее успешно осуществляется с помощью эпитаксиально-планарной тех­нологии. В этом случае используется процесс эпитаксиального наращивания тонкого монокристаллического слоя кремния n-типа на высокоомную подложку р-типа (рис. 9.4, а). В полученную эпитаксиальную пленку (толщина 20—25 мкм) методом диффузии вводят акцепторную примесь. Распределение примеси в такой тон­кой пленке почти одинаково. Это позволяет получить практически очень четкий р-п переход. На рис. 9.4, б показана пластина после изолирующей диффузии, а на рис. 9.4, в — после диффузии базы, эмиттера и создания металлизированных выводных контактов.

Рис. 9.5. Многоэмиттерный транзистор:

а — топология и структура; б — взаимодействие смежных эмиттеров; в —схемные обозна­чения

В процессе развития микроэлектроники (особенно в связи с по­требностями вычислительной техники) появились некоторые разно­видности биполярных транзисторов, которые не имеют аналогов в дискретной полупроводниковой технике. К их числу относится многоэмиттерный транзистор. Структура многоэмиттерного тран­зистора показана на рис. 9.5, а. Он представляет собой совокуп­ность нескольких pnp-транзисторов, имеющих общую базу и об­щий коллектор. Количество эмиттеров может достигать 5...8 и более.

Особенности многоэмиттерного транзистора как единой струк­туры состоят в следующем (рис. 9.5, б). Каждая пара смежных эмиттеров вместе с разделяющим их р-слоем базы образует так называемый горизонтальный (продольный) транзистор типа прп. Если на одном из эмиттеров действует прямое напряжение, а на другом—обратное, то первый будет инжектировать электроны, а второй собирать те из них, которые прошли без рекомбинации расстояние между эмиттерами. Такой транзисторный эффект яв­ляется паразитным, так как в обратносмещенном переходе, кото­рый должен быть запертым, будет протекать ток. Чтобы избежать этого явления, расстояние между эмиттерами должно быть не менее 10...15 мкм. В этом случае рекомбинация инжектированных элек­тронов с дырками базового слоя будет наиболее вероятной и до обратносмещенного перехода свободные электроны практически не дойдут.

Рис 9.6. Варианты использования биполярного транзистора в качестве диода

При формировании многоэмиттерной структуры необходимо стремиться к уменьшению обратного тока транзисторов. В против­ном случае в инверсном режиме, когда эмиттеры находятся под обратным напряжением, а коллектор под прямым, носители, ин­жектированные коллектором, достигают эмиттеров и в их цепи, несмотря на обратное смещение, будет протекать ток. Чтобы вос­препятствовать этому, увеличивают сопротивление базы, удаляя омический базовый контакт от активной области транзистора (рис. 9.5, а). При такой конфигурации сопротивление узкого «пере­шейка» между активной областью и базовым контактом возрастает и в инверсном режиме инжекция электронов из коллектора в актив­ную область базы будет незначительной. Соответственно, паразит­ные токи через эмиттеры практически не пройдут.

Схемные обозначения многоэмиттерного транзистора показаны на рис. 9.5, в.

Наряду с биполярными, в полупроводниковых ИМС широко применяются полевые МДП-транзисторы (с изолированным затво­ром). В основе изготовления МДП-транзисторов так же, как и би­полярных, лежит планарная технология, однако число технологи­ческих операций, необходимых для создания МДП-транзисторов, значительно сокращается.

Диоды. Вполупроводниковых интегральных схемах диоды из­готавливают методами пленарной технологии одновременно с изго­товлением транзисторов. На рис. 9.6 показаны пять вариантов использования биполярных транзисторов в качестве диодов.

В зависимости от требований, предъявляемых к диоду в инте­гральной схеме, выбирается та или иная транзисторная структура. Например, при включении транзистора по схеме рис. 9.6, а, б ис­пользуется переход эмиттер — база. При таком включении носители зарядов накапливаются в базе. Поскольку толщина базы очень мала (менее 20 мкм), процесс разряда емкости р-п перехода будет быстрым, что позволяет получить наибольшее быстродействие. В этих же схемах диоды имеют наименьшее значение обратного тока, так как в них используется только эмиттерный переход, площадь и ширина которого наименьшие. Наибольшее значение обратного тока имеет диод, включенный по схеме рис. 9.6, в, так как в этом случае оба перехода включены параллельно. Емкость такого диода увеличивается, быстродействие снижается.

В качестве диодов общего назначения используют коллекторно-базовый р-п переход (рис. 9.6, г, д). При таком включении диоды имеют наибольшие значения допустимых обратных напряжений — порядка 50 В.

Рис. 9.7. Диффузионный резистор: а-поперечное сечение; б - форма в плане (сечение по С — С); А1—алюминиевые вы­воды резистора; SiO, - изолирующая пленка: 1 - эпитаксиальный слой кремния n-типа, в котором диффузией создан резистор с проводимостью р-типа; a — кремниевая под­ложка.

Резисторы. В полупроводниковых интегральных схемах рези­сторы изготавливают методом локальной диффузии примеси в ост­ровки эпитаксиального слоя кремниевой заготовки. Причем обра­зование резисторов идет одновременно с созданием эмиттерной и базовой областей транзисторов. В процессе эмиттер ной диф­фузии создаются резисторы с малым удельным сопротивлением порядка 0,5 Ом/квадрат, а в процессе базовой диффузии —с удельным сопротивлением порядка 100...300 Ом/квадрат. Это объяс­няется тем, что в эмиттер ной области сосредоточено наибольшие количество основных носителей зарядов, а в базовой очень мало.

Диапазон номиналов диффузионных резисторов лежит в преде­лах 10 Ом...50 кОм с допуском =t 10...20 %.

На рис. 9.7 показан диффузионный планарный резистор, сфор­мированный в базовой области. От других элементов схемы он изо­лируется р-п переходом (1— 2).

Диффузионные резисторы работают на частотах 10...20 МГц. В схемах, работающих на частотах выше 20 МГц, резисторы фор­мируются в островках, изолированных слоем двуокиси кремния. ТКС диффузионных резисторов составляет (2—3) • 10-³1/°С. Мак­симальное падение напряжения на резисторе — около 20 В.

Конденсаторы. В полупроводниковых интегральных схемах в качестве конденсаторов используют барьерную емкость р-п пере­хода, который формируется в островках кремниевой пластины одновременно с формированием транзисторов интегральной схемы способом диффузии; р-п переход включается в обратном направлении.

Типичные конструкции конденсаторов на основе р-п переходов показаны на рис. 9.8.

В первой конструкции (рис. 9.8, а) используется переход эмит­тер—база, обладающий наибольшей из всех переходов удельной емкостью (порядка 1500 пФ/мм²), но и наименьшим пробивным напряжением (единицы вольт). Во второй конструкции (рис. 9.8, б) используется переход коллектор — база, удельная емкость которого в пять-шесть раз ниже, чем у эмиттерного перехода, а пробив­ное напряжение примерно во столько же раз выше.

Рис. 9.8. Конструкция конденсаторов интегральных схем на основе р-п перехода: а — эмиттер — база; б — коллектор — база; в — коллектор подложка

Недостатком рассмотренных конструкций является наличие паразитных емкостей, которые обычно возникают между одной из обкладок конденсатора и землей. Наименьшей паразитной емко­стью характеризуются конденсаторы на основе перехода коллек­тор — подложка (рис. 9.8, в). Однако они обладают наименьшей удельной емкостью.

Индуктивности. Наиболее трудновыполнимыми элементами ин­тегральных схем являются индуктивности. В настоящее время не существует метода получения индуктивностей классического вида в твердых схемах. Поэтому в них искусственно создают схемные элементы, реализующие индуктивный эффект (отставание тока от напряжения по фазе). Такими элементами могут быть, например, реактивные, транзисторы. В этом случае транзисторы работают в таком режиме, при котором их коллекторный ток отстает по фазе от напряжения на коллекторе на 90°. Однако реализуемые таким способом индуктивности имеют величину единиц микрогенри, а добротность — не более нескольких десятков. Поэтому при­менение их весьма ограничено. В связи с этим при конструирова­нии интегральных схем в основном применяют навесные миниатюр­ные катушки индуктивности.

Контрольные вопросы и упражнения

1. Какие принципы положены а основу создания полупроводниковых ИМС?

2. Как объяснить термин «планарная технология» применительно к изго­товлению полупроводниковых ИМС?

3. Чем объяснить преимущественный выбор кремния в качестве материала подложки полупроводниковой ИМС?

4. Какие существуют способы изоляции компонентов полупроводниковых ИМС? Объясните сущность каждого из них.

5. Как формируются «островки» в полупроводниковой ИМС?

6. Объясните основные этапы создания биполярной транзисторной структу­ры в полупроводниковой ИМС.

7. Как устроен многоэмиттерный транзистор?

8. В чем состоят преимущества МДП-транзисторов перед биполярными в по­лупроводниковых ИМС?

9. Приведите варианты схем использования транзисторов в качестве диодов. Сравните их между собой.

10. Как формируются резисторы и конденсаторы в полупроводниковых ИМС?

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: