Особенности дрейфовых транзисторов

 

Анализ, выполненный нами, относился к сплавным транзисторам, особенностью которых является отсутствие собственного поля базы, вследствие чего инжектированные носители движутся в основном за счет диффузии. Одним из путей облегчения переноса носителей через базу транзистора является легирование базы таким образом, чтобы возникало внутреннее электрическое поле, выталкивающее носители к коллектору. Приборы, основанные на использовании такого эффекта, называются дрейфовыми транзисторами, поскольку превалирующим механизмом движения носителей является дрейф в электрическом поле базы.

В дрейфовых транзисторах концентрация доноров между эмиттером и коллектором спадает по экспоненциальному закону:

N_D(x) = N_D(0)exp(-x/L_D) (1.31)

где L_D — длина диффузии доноров (рис. 1.9). Возникающее в базе за счет градиента концентрации постоянное электрическое поле

E = - (1.32)

заставляет дырки двигаться к коллектору. Потенциал вдоль базы в этом случае меняется линейно:

V_eb(x) = V_eb(0) + x (1.33)

где V_eb(0) — потенциал на эмиттерной границе базы. Зонная диаграмма дрейфового транзистора приведена на рис. 1.10.

Рис. 1.9. Распределение примесей Рис. 1.10. Зонная диаграмма в базе дрейфового транзистора дрейфового транзистора в равновес-

-ном состоянии

Для того чтобы оценить параметры дрейфовых транзисторов, найдем распределение концентрации инжектированных дырок из решения уравнения диффузии с учетом дрейфа в электрическом поле

(1.34)

при следующих граничных условиях:

а) полный дырочный ток эмиттера равен сумме диффузионной и дрейфовой составляющих, т. е. на эмиттере (при х=0)

(1.35)

где S_e — площадь эмиттерного перехода;

б) концентрация дырок на коллекторе (при х=W) равна нулю:

p(W) =0 (1.36)

где h=W/2L_D —коэффициент неоднородности базы.

Если пренебречь рекомбинацией в базе, то распределение концентрации дырок в базе можно представить следующим образом:

P(x)» (1.37)

Первый множитель в (1.37) — концентрация дырок для бездрейфового транзистора с тонкой базой при x=0. Влияние дрейфа сильно в области базы, прилегающей к эмиттеру, за счет чего граничный ток на эмиттере имеет чисто дрейфовую природу. Это приводит к резкому различию граничных концентраций дырок у эмиттера в случае дрейфовых и бездрейфовых транзисторов.

У коллектора концентрация дырок р(W)=0, и роль.диффузии возрастает. Коэффициент переноса носителей через базу для дрейфовых. транзисторов имеет вид:

β = . (1.38)

Полагая γ=1, для коэффициента усиления в схеме с ОЭ получаем;

B₀» . (1.39)

Сравнивая эти выражения с соответствующими формулами для бездрейфовых транзисторов, приходим к выводу, что у дрейфовых транзисторов коэффициент переноса β ближе к единице, чем, у бездрейфовых, а коэффициент усиления при прочих равных условиях в несколько раз больше.

 

 

1.2. Интегральные резисторы

Резисторы ИМС формируют в любом из диффузионных слоев транзисторной структуры (эмиттерная и базовая области), в эпитаксиальном слое (коллекторная область) с помощью ионного легирования.

Диффузионные резисторы (ДР) изготовляют одновременно с базовой или эмиттерной областью (рис. 1.11, 1.12, 1.13). Сопротивление ДР представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного р-n-переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и распределением примеси по глубине диффузионного слоя, которое, в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротивлением р_s. Значение р_s является конструктивным параметром резистора, зависящим от технологических факторов (режима диффузии). При создании ИМС параметры диффузионных слоев оптимизируют с целью получения наилучших характеристик транзисторов типа n-p-n, поэтому параметры ДР улучшают не варьированием технологических режимов, а выбором конфигурации и геометрических размеров резистора. Конфигурации диффузионных резисторов даны на рис. 1.14. Низкоомные (десятки Ом) резисторы (рис. 1.14 а) имеют малое отношение l/b. Форму и размеры контактов к ним выбирают такие, чтобы сопротивление приконтактных областей было значительно меньше сопротивления основной области резистора. Резисторы с сопротивлением от сотен Ом до единиц килоОм в плане имеют вид, изображенный на рис. 1.14, б, в. Здесь длина и ширина приконтактной области равны ширине резистора. Топологию, показанную на рис. 1.14, г, д, используют для создания высокоомных резисторов (до 20 кОм). Эти резисторы имеют сравнительно малую ширину, размеры приконтактных областей определяются возможностями технологии создания надежного контакта проводящих алюминиевых полосок с полупроводниковым материалом. Еще более высокоомные резисторы (до 60 кОм) имеют форму меандра (рис. 1.14, е) или изготовляются в донной части базовой области (пинч-резисторы, рис. 1.14, ж). Длина однополоскового диффузионного резистора не может превышать размеров активной области кристалла (1-5 мм), ширина ограничена минимальной шириной окна под диффузию, определяемой возможностями фотолитографии (2,5 - 3 мкм), и боковой диффузией (уход примеси под окисел равен примерно глубине диффузионного р-n-перехода). Типичные значения сопротивления диффузионных резисторов, которые можно получить при данном значении р_s, лежат в диапазоне 4р_s<R<10⁴р_s. Нижний предел ограничивается сопротивлениями приконтактных областей, верхний - допустимой площадью, отводимой под резистор.

 

 

Рис. 1.11. Конструкция диффузионного резистора на основе базовой области

Рис. 1.12. Поперечный разрез структуры диффузионного резистора на основе базовой области

 

Максимальное сопротивление ДР на основе базовой области приблизительно равно 60 кОм. Воспроизводимость номинальных значений сопротивления обычно составляет 15-20% и зависит от ширины резистора. Отклонения от номиналов сопротивлений резисторов, расположенных на одном кристалле, из-за неточностей технологии имеют одинаковый знак, поэтому отношение сопротивлений сохраняется с высокий точностью. Аналогично, температурный коэффициент отношения сопротивлений мал по сравнению с ТКR для отдельного резистора [(1,5¸3)10^-4 1/°С]. Эту особенность диффузионных резисторов учитывают при разработке полупроводниковых ИМС.

Рис. 1.13. Конструкция диффузионного резистора на основе эмиттерной области

Рис. 1.14. Конфигурации диффузионных резисторов

 

На основе эмиттерной области формируются резисторы небольших номиналов [3—100 Ом с ТКR= (1-2)10^-4 1/°С], поскольку значение р_s эмиттерного слоя невелико.

 

2. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ НА ОСНОВЕ СТРУКТУР МЕТАЛЛ — ДИЭЛЕКТРИК –ПОЛУПРОВОДНИК (МДП)

 

Полевыми (униполярными) транзисторами называются полупроводниковые приборы, работа которых основана на управлении размерами токопроводящей области (канала) посредством изменения напряженности поперечного электрического поля. Проводимость канала в таких приборах определяется основными носителями заряда. В настоящее время известны две разновидности полевых транзисторов: транзисторы с управляющими р—n-переходами и транзисторы структурой металл — диэлектрик—полупроводник (МДП).