CC BY
124
Григорьев А. В.
Пензенский государственный университет
ПОДХОД К ИЗЛОЖЕНИЮ ТЕМЫ «ЭПИТАКСИАЛЬНО-ПЛАНАРНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР» БАКАЛАВРИАНТАМ КИТЭС
В [1] и [2] приведён опыт изложения тем «Слои эпитаксиально-планарного транзистора» и «Скрытый слой эпитаксиально-планарного транзистора» студентам специалитета специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств». В настоящей работе поставлена цель приспособить этот опыт к учебному плану, разработанному для бакалавриантов специальности «Конструирование и технология электронных средств». В данной публикации учтён опыт изложения автором темы студентам, предусмотрены ответы на часто задаваемые вопросы.
Эпитаксиально-планарный биполярныйтранзистор с изоляцией р-п-переходом
Э Б К
Рисунокі - Слои эпитаксиально-планарного биполярного транзистора с изоляцией р-п-переходом
На подложке р’-типа локальной диффузией донорной примеси формируют скрытый слой п+-типа. Затем наращивают эпитаксиальную пленку n-типа. Диффузией акцепторной примеси через маску диоксида кремния на глубину, превышающую толщину эпитаксиального слоя, формируют изолирующую область р+-типа, окружающую с боковых сторон участок эпитаксиальной пленки n-типа, который служит коллекторной областью транзистора.
Затем методом диффузии в эпитаксиальной пленке формируется базовая область p-типа. После этого формируется эмиттерная область п+-типа и область п+-типа вблизи вывода коллектора транзистора.
Во время процессов формирования изолирующей области, областей коллектора, базы и эмиттера транзистора, подложка и эпитаксиальная пленка нагреваются. В результате происходит паразитная диффузия донорных примесей скрытого слоя в подложку и эпитаксиальную пленку.
Чтобы избежать смыкания скрытого слоя с базовым, для скрытого слоя выбирают донорные примеси, у которых коэффициент диффузии во много раз меньше, чем у примесей, формирующих остальные локальные диффузионные области.
В пленке диоксида кремния, покрывающей поверхность кристалла, создают контактные отверстия, через которые напылением пленки алюминия формируют контакты к эмиттеру, базе, коллектору и подложке, одновременно создают внутрисхемные проводники, соединяющие элементы микросхемы.
Если работа выхода электронов из полупроводника меньше работы выхода электронов из металла, то в области контакта электроны из зоны проводимости n-полупроводника переходят в металл и заряжают его отрицательно. Приконтактный слой полупроводника оказывается обедненным основными носителями и несет некомпенсированный положительный заряд ионов доноров. Образовавшееся электрическое поле отталкивает свободные электроны и притягивает дырки, образуется электрический переход, аналогичный р-п-переходу. Образовавшийся потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки.
Переход металл — n-полупроводник в котором образуется барьер Шоттки, обладает также выпрямляющими свойствами, аналогичными свойствами р-п-перехода, и является основой диодов Шоттки.
Если же работа выхода электронов из n-полупроводника больше работы выхода электронов из металла, то вблизи границы образуется слой с повышенной концентрацией основных носителей и, следовательно, с повышенной удельной проводимостью. Такой переход называют омическим и используют для образования электрических выводов из областей полупроводников.
Работа выхода электронов из n-полупроводника прямо пропорциональна концентрации доноров. Для того, чтобы создать омический контакт между областью и выводом коллектора транзистора и избежать образования паразитного диода Шоттки, предусмотрена приконтактнаяп+-область с повышенной концентрацией донорной примеси.
Еще один омический контакт создается к подложке в периферийной части микросхемы (на рисунке он не показан). При использовании микросхемы на этот контакт подают напряжение, при котором все изолирующие переходы смещены в обратном направлении. Поскольку обратный ток изолирующих переходов мал, обеспечивается удовлетворительная изоляция транзистора от подложки и от других элементов микросхемы.
Представим структуру эпитаксиально-планарного транзистора с изоляцией р-п-переходами в виде следующей схемы:
Э Б К
Рисунок2 - Структурная схема слоёв эпитаксиально-планарного биполярного транзистора с изоляцией р-п-переходом
Между полупроводниками одного и того же типа проводимости не возникает выпрямляющего перехода. Металлургический контакт между ними является омическим. Поэтому области 3, б, 7 можно рассматривать как одну область п-типа, а области 1, 2 — как одну область р-типа. Внутри этих областей имеются участки разного удельного сопротивления.
Чем выше уровень легирования, тем меньше удельное сопротивление.
Скрытый слой б п+-типа нужен для того, чтобы увеличить объемную проводимость коллекторной области транзистора. При наличии этого слоя объемное сопротивление коллекторной области транзистора уменьшается в десятки раз. В результате в несколько раз снижается напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме насыщения (рисунокЗ).
1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
UK3,B-*
300 мА
b b
РисунокЗ - Выходные характеристики интегрального биполярного транзистора без скрытого слоя (кривая 1) и со скрытым слоем (кривая 2)
Таким образом, за счет скрытого слоя 6 л+-типа резко возрастает диапазон коллекторных напряжений, при которых транзистор работает в линейном режиме. В этом диапазоне ток коллектора практически не зависит от коллекторного напряжения. На рисунке /// заштрихована область линейно работы транзистора со скрытым слоем, а \\\ — без скрытого слоя.
Возникает вопрос: почему бы не сделать всю коллекторную область л+-типа? И объемное сопротивление было бы еще меньше, и отдельный приконтактный участок 7 был бы не нужен. Это невозможно по технологическим причинам. Это означало бы, что вся эпитаксиальная пленка должна была бы быть л+-типа. Для того, чтобы создать в этой области методом локальной диффузии базовую область 5 р-типа, необходимо, чтобы концентрация акцепторов в этой области превышала концентрацию доноров в эпитаксиальной пленке на величину требуемой концентрации дырок в базе транзистора. Если эпитаксиальная пленка не л, а л+, то такая концентрация примеси р-типа будет недостижимой, так как суммарная концентрация примесей при этом превысит предельную растворимость.
Как уже было сказано, смежные области одного типа проводимости можно рассматривать как одну область с участками различной электропроводимости. Представим структуру транзистора в виде следующей схемы (рисунок4).
Э Б К
І Iй IVІ І I
Р III_______|
n II
П_____________________Г
p I
Рисунок4 - Схема объединенных слоев одного типа проводимости
л-р-л-транзистор образован областями IV-III-V. Область IV является эмиттером, область III — базой, область II — коллектором. Кроме этого, основного, транзистора, в данной структуре образуется еще один, непредусмотренный, или паразитный, р-л-р-транзистор, составленный из областей III-II-I. Его эмиттером является область III, базой — область II, коллектором — область I.
Составим эквивалентную схему замещения эпитаксиально-планарного транзистора с изоляцией р-л-переходом работающего в активном режиме (рисунок5).
II_____
и
VT2
1 ІБ К VT1 IV
^ I
©£К
Рисунок 5 - Эквивалентная схема замещения эпитаксиально-планарного биполярного транзистора с изоляцией р-л-переходом
Как видим, паразитный р-л-р-транзистор, составленный из областей III, II, I, надежно закрыт положительным напряжением Еп, поданным на его базу.
Таким образом, паразитный транзистор VT1 практически не влияет на работу основного транзистора VT2 в активном режиме.
Как уже было сказано, между полупроводниками одного и того же типа проводимости не возникает выпрямляющего перехода. Однако контактная разность потенциалов в таких омических переходах имеется (рисунокб)
дф
n+ “ О n
«-> О
О
Рисунок 6 - Механизм возникновения контактной разности потенциалов при металлургическом кон-
такте областей одного типа проводимости, но разной степени легирования
В обеих областях активными подвижными носителями заряда являются электроны (обозначены «о^»). Но в л+-области концентрация электронов во много раз больше, чем в л-области. Это приводит к диффузионному перемещению электронов из л+-области в л-область. Процесс диффузии электронов из л+-
2
области в л-область не приводит к выравниванию концентраций электронов в этих областях потому, что неподвижные положительные ионы донорных примесей не перемещаются, а остаются на своих местах. В результате в л+-области образуется некомпенсированный положительный заряд (его носители обозначены «©»), а в л-области — некомпенсированные электроны. Таким образом, л+-область заряжается положительно, а л-область — отрицательно. Следовательно, контактная разность потенциалов отталкивает электроны от границы между областями вглубь л+-области, препятствуя дальнейшей их диффузии. Электроны л-области — это поле притягивает. Каждый электрон, перешедший из л+-области в л-область повышает потенциальный барьер, а каждый электрон, перешедший в обратном направлении, этот потенциальный барьер снижает. Таким образом, в равновесном состоянии, потенциальный барьер устанавливается на таком уровне, при котором поток электронов из л+-области в л-область станет равным потоку электронов в обратном направлении.
Этот же потенциальный барьер отталкивает дырки л-области вглубь нее.
Если основной транзистор VT2 работает в режиме насыщения (потенциал коллектора ниже потенциала базы), то происходит инжекция дырок из базы в коллектор основного транзистора (то есть, из области 5 в область 3) . Поскольку коллектор основного транзистора VT2 является базой паразитного транзистора VT1, а база основного транзистора VT2 является эмиттером паразитного транзистора VT1, режиму насыщения транзистора VT2 соответствует активный режим паразитного транзистора VT1. Ток базы основного транзистора VT2 уменьшается на величину тока утечки через паразитный транзистор VT1.
Скрытый слой 6 в коллекторной области основного транзистора VT2, которая является одновременно базовой областью паразитного транзистора VT1, создает тормозящее электрическое поле для дырок, инжектированных в коллектор 3 основного транзистора VT2 из его базы 5 (в базу 3 паразитного транзистора VT1 из его эмиттера 5) . Кроме того, поскольку скрытый слой сильно легирован примесями, время жизни дырок в нем мало. Таким образом, за счет скрытого слоя 6, коэффициент передачи паразитного транзистора VT1 в активном режиме резко снижается, следовательно резко снижается и ток утечки через паразитный транзистор VT1, когда основной транзистор VT2 работает в режиме насыщения .
Области, окруженные со всех сторон изолирующим переходом, называют карманами. Например, в рассмотренном нами эпитаксиально-планарном транзисторе карман образован изолирующим переходом между областями I и II. То есть карманом здесь является участок эпитаксиальной пленки, окруженный изолирующей областью р+-типа. Снизу карман ограничивается изолирующим переходом между подложкой р--типа и скрытым слоем л+-типа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Григорьев А.В. Опыт изложения материала по теме «Слои эпитаксиально-планарного биполярного транзистора». // «Университетское образование»: Сборник статей XIII Международной методической конференции.- Пенза, 2009. - С. 22-24 — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009.
2. Григорьев А. В. Опыт изложения материала по теме «Скрытый слой эпитаксиальной - планарного биполярного транзистора». // «Университетское образование»: Сборник статей XIV Международной методической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2010. — С. 262 - 265. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2010.
3
