Типовые структуры базовых элементов биполярных и униполярных ИМС

Биполярная ИС состоит из множества биполярных транзисторов, расположеных на кремниевом кристалле недалеко друг от друга и соединенных проводящими дорожками в соответствии с функциональным назначением.

На Рис. 1.7 представлена на типовая структура биполярного n
p n транзистора с окружающими его элементами в ИС. Предположим, что в этом примере коллектор транзистора соединён с базой соседнего транзистора алюминиевой перемычкой. Область p+, окружающая транзистор, электрически функционирует как два встречно включенных диода, обеспечивая изоляцию соседних транзисторов. Изолирующая область и кремниевая подложка с проводимостью p типа, соединенная с данной областью, поддерживаются под самым низким потенциалом в схеме.

На практике, большая часть транзисторов — это n
p n транзисторы, поскольку они имеют лучшие электрические характеристики и более просты в изготовлении, чем p
n p транзисторы.Расположение отдельных легированных областей на Рис. 1.7 определяется, среди прочих факторов, внешними требованиями, которым должен удовлетворять процесс интеграции: контакты располагаются только на поверхности кремния, а для изоляции коллекторных областей каждый транзистор окружается областью, легированой примесью p-типа.Например, чтобы обеспечить малое значение сопротивления коллектора, требуетсяскрытый слой nтипа с большим содержанием примесей (скрытый коллектор). Это означает, что после создания скрытого слоя, поверх него выращивается эпитаскиальный слой монокристалического кремния, в котором формируются база и эмиттер. Изолирующая pобласть, которая проходит черезвесь эпитаксиальный слой, занимает относительно много места. В связи с этим, транзисторы в ИС, имеющие общий коллектор, располагаются в одном кармане nтипа.Для того чтобы организовать изолирующий слой между поверхностью кремния и проводящей дорожкой, расположенной на его поверхности, используют слой, изготовленный из диоксида кремния SiO2 толщиной 0.5 мкм, который можно получить путём термического окисления поверхности кремния. В данном случае изготовление контактов требует использования фотолитографических масок для того, чтобы протравливать отверстия в слое SiO2. В общем случае от каждого транзистора в ИС требуется вывести три контакта в слой межсоединений (требуется много места). Например, если соседние транзисторы имеют общую базу, то можно уменьшить число контактов до 5. В отличие от структуры, приведенной наРис. 1.7, в современных биполярных схемахможно обнаружить два нововведения: этоиспользование оксидной изоляции соседних транзисторов и использование выводовбазы и эмиттера из поликремния.Обе разработки привели к значительномууменьшению размеров и, как следствие, куменьшению паразитных ёмкостей и сопротивлений, что сделало возможным изготовление более быстродействующих схем.Кроме того, использование контактовэмиттера из поликремния привело к улучшению характеристик транзистора.Очевидно, что биполярные ИС должнывключать в себя не только транзисторы, нои другие элементы, которые можно реализовать, используя легированные области поотдельности либо в сочетании. В качестведиода можно задействовать переход база—эмиттер (возможно при закороченномпереходе база—коллектор для увеличенияпрямого тока) или контакт аллюминия с n–областью. Коденсатор можно получить, используя pnпереход в обратном смещении или слой диоксида кремнияв качестве диэлектрика между обкладкамииз n+области и алюминия. Резисторы можно получить, используя легированые области заданных размеров, электрически изолированные от окружающих элементов обратно смещённымpnпереходом.

 

 

Интегральные схемы суниполярными транзисторами называют МОП (металл-окисел-полупроводник) - структурами.

Интегральные МОПсхемы состоят измножества МОПтранзисторов, расположенных рядом друг с другом на кристалле

кремния и соединённых металлическимипроводниками в соответствии с требуемыми функциями схемы.На Рис. 1.14 представлена типовая структура nканального транзистора и непосредственно окружающей его области в МОП ИС.

Электрически транзистор является полностью симметричным; сток и исток взаимозаменяемы. В этом примере предполагается,что область стока связана с поликремниевой«проводящей дорожкой» при помощи алюминиевой проводящей дорожки.Как уже упоминалось, МОПтранзисторявляетсясамоизолирующимся элементомсхемы. Необходимо только, чтобы слой оксида между соседними транзисторами былтолще, чем оксидный слой затвора — благодаря этому проводящая дорожка, проходящая над слоем оксида, не сможет действовать как управляющий электрод, наводяпроводящий канал между транзисторами.В результате данная структура становитсяболее компактной по сравнению с интегральным биполярным тразистором. Дополнительное снижение объёма появляется изза того, что нетнеобходимости обеспечивать контакт спроводящей дорожкой отдельно для каждого стока, затвора или истока.

 

5. Базовые элементы ИМС с инжекционным питанием и ПЗС

Инжекция — физическое явление, наблюдаемое в полупроводниковых или гетеропереходах, при котором при пропускании электрического тока в прямом направлении через p-n-переход в прилежащих к переходу областях создаются высокие концентрации неравновесных («инжектированных») носителей заряда. Явление инжекции является следствием уменьшения высоты потенциального барьера в p-n-переходе при подаче на него прямого смещения.Явление инжекции лежит в основе работы многих полупроводниковых приборов: диодов, биполярных транзисторов, тиристоров, инжекционно-пролетных диодов, светодиодов и полупроводниковых инжекционных лазеров.Особенностью явления инжекции в гетеропереходах является возможность наблюдения явления сверхинжекции, при котором концентрация инжектированных носителей может превышать концентрацию легирующих примесей в области, из которой идет инжекция. Это явление принципиально важно для работы полупроводниковых инжекционных лазеров.

Приборы с зарядовой связью (ПЗС),как и транзисторы,обладают свойством универсальности,позволяющим использовать их в самых разнообразных устройствах.Они применяются в цифровых ЗУ большой информационной емкости.В оптоэлектронных приемниках изображений на основе ПЗС создают формирователи видеосигналов.В радиотехнических системах обработки информации ПЗС используют при разработке линий задержки,фильтров различных типов,устройств спектрального анализа и обработки радиолокационных сигналов.

Электрический сигнал в ПЗС представлен не током или напряжением,как в микросхемах транзисторах на транзисторах,а зарядом – зарядовым пакетом.Принцип действия ПЗС основан на накоплении и хранении зарядовых пакетов в потенциальных ямах под затворами и на зарядовых пакетов в потенциальных ямах под затворами и на перемещении зарядовых пакетовмежду соседними элементами при изменении управляющих напряжений – тактовых импульсов.Взаимодействие соседних элементов осуществляется с помощью переноса зарядовых пакетов в полупроводниковой подложке.Это взаимодействие называют зарядовой связью,что отражено в названии прибора. Для того чтобы между соседними элементами обеспечивалась эффективная зарядовая связь,расстояния между затворами должны быть достаточно малыми по сравнению с толщиной обедненных слоев под затворами.Благодаря непосредственной зарядовой связи между соседними элементами в ПЗС не нужны сигнальные проводники,необходимые в интегральных микросхемах содержащих транзисторы.На поверхности большей части кристалла распологаются только управляющие шины,асигнальнальные проводники используются лишь на входах и выходах ПЗС.