Биполярного транзистора

Схемы И—ИЛИ являются ненасыщенными, а схемы И—НЕ — насыщенными, так как выходной инвертирующий транзистор работает в режиме насыщения. Как правило, схемы ЭПЛ изготавливаются на одном кристалле ИМС вместе со схемами ЭСЛ, что расширяет их функциональные возможности. Элементы ЭПЛ используют в СБИС, изготавливаемых по биполярной технологии, поскольку данное схемотехническое решение оказалось подходящим для функционально-интегрированного выполнения.

Особенностью биполярной технологии является наличие операций формирования высоколегированных скрытых слоев, а также выращивания тонких (1 —10 мкм) эпи-таксиальных слоев, создания изоляции и многоуровневой металлизации. Для реализации биполярных с двухуровневой металлизацией ИМС необходимо восемь фотошаблонов (операций литографии): первый — для формирования скрытых слоев, второй — для изоляции, третий — для создания базовых областей, четвертый — для формирования эмиттерных областей, пятый — для создания контакт-

Из классификационной диаграммы видно, что полная диэлектрическая изоляция реализована пока только на диэлектрических подложках, а в полупроводниковых подложках в основном используют первые два вида изоляции. Совершенствование методов изоляции наряду с уменьшением геометрических размеров элементов, металлизации и уменьшения глубин залегания /7-п-переходов является основной тенденцией развития технологии производства биполярных ИМС. Основные трудности при дальнейшем совершенствовании биполярной технологии связаны с созданием более совершенной (диэлектрической) изоляции и реализации БТ с шириной базы менее 0.1 мкм (ширина активной базы порядка 0,03 мкм является предельно допустимой при концентрации примесей в базе 2 • 1018см~3). Основной особенностью технологии МОП ИМС является создание тонкого (порядка 100А) подзатворного диэлектрика и затворной области. По технологическим признакам МОП ИМС принято подразделять на р-, «-канальные и комплементарные. Технологической разновидностью МОП ИМС являются ИМС с металлическими и поликремниевыми затворами. В отличие от биполярных для реализации МОП ИМС, построенных на транзисторах с каналами одного типа электропроводности, необходимо четыре фотошаблона: первый — для формирования истоковых и стоковых областей, второй — для создания затвора, третий—для образования контактных окон к истоковым и стоковым

При использовании биполярной технологии элемент памяти— триггер — выполняется на основе многоэмиттерных транзисторов ( 131, б). В исходном состоянии на нижний и средний эмиттеры транзисторов VT1 и VT2 поданы напряжения логических 0. Равным образом, под нулевым напряжением находятся и верхние

• Основными преимуществами микросхем на элементах инжекционной логики являются: малая потребляемая мощность и очень высокая степень интеграции, использование стандартной биполярной технологии, что обусловило сравнительно низкую стоимость изготовления, создание микросхем практически для любых применений (микропроцессоров, логических БИС и СБИС, запоминающих устройств, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, измерительной аппаратуры и др.).

Третье поколение МП БИС развивается на основе биполярной технологии. Используется в основном элементарная логика И2Л, ТТЛШ и ЭСЛ с быстродействием до 0,15 мкс.

Критерием оценки сложности микросхемы, т. е. числа N содержащихся в ней элементов и простых компонентов, является степень интеграции. Она определяется коэффициентом К — lg N, значение которого округляется до ближайшего большего целого числа. Так, микросхема первой степени интеграции (/( = 1) содержит до 10 элементов и простых компонентов, второй степени интеграции (К. = 2) — свыше 10 до 100, третьей степени интеграции (К — 3) — свыше 100 до 1000 и т.д. В настоящее время микросхему, содержащую 500 и более элементов, изготовленных по биполярной технологии, или 1000 и более элементов, изготовленных по МДП-технологии, называют большой интегральной микросхемой (БИС). Если число элементов превышает 10 000, то микросхему называют сверхбольшой (СБИС).

Плотность упаковки интегральной микросхемы — это отношение числа элементов интегральной микросхемы к объему интегральной микросхемы без учета объема выводов. Другим параметром, характеризующим степень сложности интегральной микросхемы или число содержащихся в ней элементов, является степень интеграции. Если интегральная микросхема содержит до 10 элементов включительно, то ее называют интегральной микросхемой первой степени интеграции; свыше 10 до 100 элементов — второй степени интеграции; свыше 100 до 1000 элементов — третьей степени интеграции и т. д. Интегральную микросхему, содержащую 500 элементов и более, изготовленных по биполярной технологии, или 1000 элементов и более, изготовленных по МДП-технологии, называют большой интегральной микросхемой (БИС).

Его основой является четырехразрядная микропроцессорная секция (МПС), выполненная на прогрессивной биполярной технологии интегрально-инжекционной логики (ИИЛ) и содержащая около 1500 транзисторных вентилей. Базовый вентиль имеет следующие параметры: время переключения — 10 не, потребляемая мощность — 80 мкВт, коэффициент разветвления — 4.

В качестве примера рассмотрим устройство микросхемы ЦАП типа К594ПА1. Микросхема представляет собой параллельный ЦАП с суммированием токов на комбинированной матрице, которая состоит из взвешенных резисторов и резистив-ной матрицы R—2R, Микросхема изготовлена по биполярной технологии с р-п-р и п-р-п транзисторами. Функциональная схема ЦАП приведена на 27.7.

В элементах МОП-типа, которые управляются напряжением, рабочий ток протекает у поверхности, поэтому лицевая поверхность оказывает серьезное влияние на работу схемы. Эти элементы имеют меньшее быстродействие по сравнению с элементами, изготовленными по биполярной технологии. Однако технологические процессы изготовления МОП-структур проще, интеграция элементов МОП-типа производится легче, поэтому они раньше вошли в БИС. В частности, в последнее время возросло значение комплементарных МОП-структур (К.МОП) в СБИС. КМОП ИС отличаются низким потреблением энергии, так как потребляют ее только во время переключения. Характеристики биполярных ИС и МОП ИС дополняют друг друга, поэтому уже приступили к реализации технологии формирования ИС обоих типов на одном кристалле.

Средний слой биполярного транзистора называется базой Б, один крайний слой — коллектором К, а другой крайний глой — эмиттером Э. Каждый слой имеет вывод, при помощи которого транзистор включается в цепь. В зависимости от полярности напряжения между выводами биполярного транзистора он работает в различных режимах.

Различают четыре режима работы биполярного транзистора:

В рассмотренном случае база является общим электродом входной и выходной цепей. Такая схема включения биполярного транзистора называется схемой с общей базой (ОБ) . Для усиления сигнала применяются также схемы включения биполярных транзисторов с общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ) . Последнюю рассмотрим более подробно, так как она наиболее распространена ( 10.16).

Работу биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ, опре-

- параметры биполярного транзистора, которые можно рассчитать по заданным статическим характеристикам. Их типовые значения находят-

Пренебрегая значением параметра /Z2, получаем аналогично 6.13 схему замещения биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ ( 10.18), в режиме малых сигналов, где h} , =''вх и 1//122 ~гвых ~ входное и выходное сопротивления, Лц/р — источник тока, управляемый током базы /,, . Последнее обстоятельство позволяет считать, что биполярный транзистор представляет собой прибор, управляемый током.

Основное достоинство биполярных транзисторов — высокое быстродействие при достаточно больших токах коллектора. Наличие внешних теплоотводов позволяет работать биполярным транзисторам при мощности рассеяния до 50 Вт и токах до 10 Л. Основной недостаток - относительно небольшие сопротивление входной цепи биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ (1-10 кОм), и плотность размещения при производстве интегральных микросхем.

входное и выходное сопротивления, Su^ -уцЧ^м — источник тока, управляемый напряжением "зи- Последнее обстоятельство позволяет рассматривать полевой транзистор как прибор, управляемый напряжением, в отличие от биполярного транзистора, управляемого током базы ( 10.18). Величина S ~ Уг\ называется крутизной стоко-эа-творной характеристики.

Фототранзистор с двумя р-п переходами имеет структуру обычного биполярного транзистора, но только два вывода - коллекторный и эмиттерный. Ток в цепи фототранзистора зависит не только от напряжения между коллектором и эмиттером, но и от его освещенности.

Работу транзистора в режиме ключа рассмотрим на примере биполярного транзистора с ОЭ ( 10.98, а). Если постоянное напряжение на входе ключа 1/вх < 0, то токи в цепях коллектора и базы практически одинаковые и равны току через обратно включенный р-п переход между базой и коллектором. Этот режим соответствует разомкнутому положению ключа ( 10.98, б, точка М). При постоянном напряжении U > 0 и токе базы больше тока насыщения /Бнае ток коллектора практически равен ЕК/ГК ( 10.98, б, точка N). Этот режим соответствует замкнутому положению ключа.

дачи тока биполярного транзистора / yj — верхняя граничная частота на уровне —3 дБ