Планарных транзисторов

Планарные транзисторы. Конструктивной особенностью пла-нарных транзисторов является расположение в одной . плоскости (в одном плане) эмиттерной, базовой и коллекторной областей. . • Планерная технология бурно развивалась в течение последних • десяти лет и явилась основой совершенствования полупроводниковых приборов, а также интегральной электроники. Она имеет ряд существенных преимуществ, так как позволяет вводить примеси в локальные области. Эта технология использует ряд новых методов создания р—n-перехода: фотолитографию, локальную диффузию, защиту поверхности полупроводниковых пластин окислом.

На полученных островках (в данном случае их два) формируются планарные транзисторы. Для этого изготовляют вторую оксидную маску, через которую в глубь островка, являющегося областью коллектора п-типа, осуществляется диффузия примеси р-типа и получается слой базы р-типа. Затем изготовляют третью оксидную маску, через которую в островки идет диффузия примеси n-типа, и получается эмиттер n-типа. На заключительном этапе через четвертую оксидную маску напыляют металлизированные контакты на полученные слои и необходимые соединительные дорожки ( 3.2, г).

По технологии изготовления различают сплавные транзисторы, электронно-дырочные переходы которых изготовляют путем вплавления (как у сплавных диодов), диффузионные транзисторы, у которых электронно-дырочные переходы получают путем диффузии в вакууме (аналогично диффузионным диодам), выращенные транзисторы, у которых электронно-дырочные переходы получают путем введения примесей в процессе выращивания кристалла, мезатранзис-торы и планарные транзисторы.

В настоящее время выпускаются эпитаксиально-планарные транзисторы типа К.Т342, предназначенные для работы при малых токах эмиттера с достаточно большим коэффициентом усиления.

4. Кремниевые планарные транзисторы/Под ред. Я. А. Федотова.-М.: Энергия, 1973.

Конструкции биполярных транзисторов различаются прежде всего способами их изоляции. В первых микросхемах наибольшее распространение получили эпитаксиально-планарные транзисторы с изоляцией р-п переходами. Структура эпитаксиально-планарного транзистора показана на 3.1, а. Транзистор выполнен на высокоомной подложке / р~ - типа с удельным сопротивлением 5 ... 10 Ом-см и толщиной 200 ... 300 мкм в эпитаксиальном слое2«-типа (удельное сопротивление 0,5... 1 Ом-см, толщина 1ГЭ„ .--- 8 ...15 мкм). Локальной диффузией донорных примесей (мышьяка или сурьмы), имеющих малый коэффициент диффузии по сравнению с бором и фосфором, в подложке перед наращиванием эпитаксиального слоя 2 создают скрытый слой 3 л+-типа с низким удельным сопротивлением. Хотя первоначально скрытый слой формируют в подложке, при дальнейших высокотемпературных операциях (эпитаксии, окислении, диффузии примесей) он расширяется в сторону как подложки, так и эпитаксиального слоя. Чтобы исключить чрезмерное распространение доноров из скрытого слоя в эпитаксиальный, т. е. смыкание скрытого слоя с базовым, для него выбирают донорные примеси с малым коэффициентом диффузии, например мышьяк (см. § 2.3).

Почти все СВЧ-транзисторы, как и остальные биполярные транзисторы, — это кремниевые эпитаксиально-планарные транзисторы. Низкоомная подложка исходной эпитаксиальной структуры обеспечивает малое сопротивление коллекторной области и ограничивает накопление носителей в этой области.

В этих схемах транзисторные структуры, в том числе и много-эмиттерные, создаются теми же методами, что и при планарной технологии, одновременно с созданием всей схемы. Планарные транзисторы ИС имеют высокую предельную частоту (fa = =30-4-300 МГц) и малые допустимые обратные напряжения на переходах. Для получения резисторов ИС в монокристалле создаются диффузионные' зоцы, сопротивление которых зависит от количества введенных в полупроводник примесей. Номинальные значения сопротивлений диффузионных резисторов лежат в пределах от нескольких Ом до нескольких десятков кОм. В интегральных схемах в качестве конденсаторов используют емкости р-п-перехо-дов, которые могут достигать сотен пикофарад. Диоды интегральных схем создаются из транзисторных структур различными способами соединения электродов транзистора. Например, анодом диода служит эмиттер транзистора, а катодом — соединенные вместе база и коллектор и т. д. От способа соединения электродов зависит крутизна прямой ветви вольт-амперной характеристики диода.

31. Кремниевые планарные транзисторы/В. Г. Колесников, В. И. Никишин, В. Ф. Сыноров и др./Под ред. Я. А. Федотова. М.: Советское радио, 1973,

Планарные транзисторы отличаются от эпитаксиально-планарных тем, что создаются на подложке n-типа, т. е, в их полупроводниковой структуре отсутствует сильнолегированная п+-область в коллекторе.

Ко времени опубликования работы Лауритцена технология получения кремния была разработана достаточно хорошо и кремниевые планарные транзисторы стали общедоступными. Фолкнер и Хардинг [6] исследовали шумовые характеристики случайных выборок таких транзисторов; они нашли, что минимальный коэффициент шума в диапазоне звуковых частот значительно лучше, чем 0,5 дБ. Битва за получение малошумящих транзисторов, судя по всему, была выиграна.

Конструктивное оформление планарных транзисторов в металлическом или пластмассовом корпусе ( 3.10,б,в) предусматривает удобство монтажа, высокую механическую прочность прибора и изоляцию кристалла от внешних воздействий. Транзисторы такого типа с высокими электрическими, термическими и частотными параметрами применяются практически во всех устройствах промышленной электроники. Важнейшим преимуществом планарной технологии является универсальность — возможность изготовления на основном оборудовании не только транзисторов (биполярных и полевых) с различной геометрией структуры, но и интегральных схем микроэлектроники.

диффузионной технологии. Дальнейшие этапы формирования на островках планарных, транзисторов принципиально ничем не отличаются от подобных этапов планарно-диффузионной технологии. При планарно-эпитаксиальной технологии примесь распределена равномерно по толщине и р-я-переходы достаточно четкие.

Исходным материалом, образующим впоследствии коллектор, является сравнительно высокоомный кремний с электронной электропроводностью. Поверхность пластинки кремния покрывают защитным слоем SiO2, в котором создаются кольцевые окна. В центральную часть пластинки путем направленной диффузии вводят акцепторную примесь, образующую диффузионную базу с дырочной электропроводностью. На поверхность базы наносится новый слой Si02 с кольцевыми окнами, через которые методом диффузии вводят доноры, образующие эмиттер с повышенной концентрацией носителей. В оставшиеся кольцевые окна напыляют контактные пленки, показанные на 3.39, б вертикальной штриховкой (коллекторное контактное кольцо К), горизонтальной штриховкой (базовое контактное кольцо Б) и вертикально-горизонтальной штриховкой (эмиттерный контактный круг Э). К контактным кольцам методом термокомпрессии присоединяют выводы коллектора, базы и эмиттера. В кремниевой пластинке диаметром 30 мм создают до 400 планарных транзисторов.

«окно» меньшего размера ( 16, в) и через него проводят диффузию фосфора, в результате чего получается эмиттер, обладающий п2-проводимостью; 4) образуют контакты — создают (и закрывают) необходимые «окна», напыляют алюминиевые контакты в области базы Б ( 16, г) и эмиттера Э, осаждают слой никеля на область коллектора /С. На одной исходной кремниевой пластине (диаметром до 60 мм и толщиной до 0,25 мм) обычно одновременно создается до 2 тыс. планарных транзисторов. Пластина разрезается и отдельные транзисторы (после проверки параметров) помещаются в герметические металлические, керамические или пластиковые корпуса. Биполярные транзисторы с 1978 г. маркируются семиэлементным кодом. Первый элемент — цифра или буква, указывающая (как и в случае диодов) на исходный полупроводниковый материал: второй элемент — буква «Т» (транзистор биполярный); третий элемент — число, указывающее частотные свойства и среднюю мощность: (1 — мощность до 1 Вт, частота до 30 МГц; 2 — мощность до 1 Вт, частота до 300 МГц; 4 — мощность до 1 Вт, частота более 300 МГц; 7 — мощность более 1 Вт, частота до 30 МГц; 8 — мощность более 1 Вт, частота до 300 МГц; 9 — мощность более 1 Вт; частота более 300 МГц). Четвертый, пятый и шестой элементы — трехзначное число, определяющее номер разработки; седьмой элемент — буква, определяющая классификационный параметр данного прибора в семействе приборов, изготовленных по единой технологии.

Транзистор ысповышенным пробивным напряжением. В целях повышения пробивного напряжения Unp кривизна коллекторного р — п перехода уменьшается методом охранного кольца. Суть метода сводится к тому, что по периферии коллекторного перехода создается дополнительная диффузионная область р-типа ( 2.9) с большей глубиной, чем расчетная глубина коллекторного перехода. Эта углубленная область имеет больший радиус кривизны и называется охранным кольцом. Ширину последнего выбирают минимальной с точки зрения технологии (5—10 мкм), чтобы не увеличивать значительно емкость коллекторного перехода. Применение охранного кольца позволяет повысить t/np от 50—70 В, что характерно для планарных транзисторов, до 100—200 В.

Транзисторы с барьером Шоттки. Быстродействие кремниевых планарных транзисторов в режиме переключения определяется временем рассасывания неосновных носителей, накопленных в базе и коллекторе при открытых эмиттерном и коллекторном переходах. Для увеличения быстродействия транзисторов кремний легируется золотом, однако при этом снижается время жизни неосновных носителей т„, уменьшается коэффициент усиления р и увеличивается обратный ток /кобр- Наиболее эффективным конструктивным способом повышения быстродействия транзисторов является использование диодов Шоттки, шунтирующих коллекторный переход. Транзистор такого типа называется транзистором Шоттки.

Важной конструктивной особенностью эпитаксиально-планарных транзисторов является скрытый слой 3 п+-типа (см. 3.1, а), предназначенный главным образом для уменьшения объемного сопротивления коллекторной области г'к и напряжения насыщения

Однако биполярные микросхемы с диэлектрической изоляцией не получили широкого применения вследствие сложной технологии создания карманов и малой степени интеграции. Их достоинством является повышенная радиационная стойкость. У эпитаксиально-планарных транзисторов токи утечки изолирующих р-п переходов резко возрастают при воздействии ионизирующего излучения, вызывающего генерацию большого числа неосновных носителей. Ток утечки диэлектрика при этом остается пренебрежимо малым. Уменьшаются и токи утечки коллекторных р-п переходов, так как основная масса неосновных носителей генерируется за пределами карманов и не может достичь этих переходов.

Дифференциальное выходное сопротивление повторителя тока на биполярном транзисторе определяется сопротивлением коллекторного перехода, соответствующего включению транзистора по схеме с ОБ. Это сопротивление с учетом эффекта модуляции толщины базы может быть оценено по формуле гп — гк = (1 + p)t/A/7, где параметр U\ называется напряжениемЭрли\8\, значение которого зависит от конструкции повторителя и напряжения (/КБ- Для планарных транзисторов /У л 100...300 В. Полагая / - 1 мА, Ь'А > 100В, р 100, получаем /•„ > 10 МОм.

27. Какие параметры простейшего элемента ТТЛ (см. 7.7) и.как изменяются при: а) повышении напряжения ?/„.„, б) повышении температуры, в) увеличении сопротивления #г(при неизменных R* и ^и.п). г) замене эпитаксиально-планарных транзисторов на изопланарные, д) исключении в структуре многоэмитгерного транзистора (см. 3.7, в) области / или слоя металлизации

85. Какие параметры дифференциального усилительного каскада ( 12.11) и как изменятся при: а) замене эпитаксиально-пла-нарных транзисторов на изопланарные, б) исключении из структур эпитаксиально-планарных транзисторов скрытых слоев?