Иерархическая структура конструкции ПМС.

На все конструкции устройств, в том числе микросхем, их элементы, компоненты, детали, узлы и т.п. распространяются законы существования, развития и изменения объектов материального мира. Один из законов говорит об органической связи явлений и предметов, об их зависимости друг от друга и взаимной обусловленности.

Конструкцию современного электронного устройства следует рассматривать как некоторое структурное образование, отдельные части которого находятся в иерархической соподчиненности (связи). Под иерархической соподчиненностью в конструкции понимается последовательное объединение простых, конструктивно законченных единиц (элементов, компонентов, интегральных микросхем, узлов и т.п.) в более сложные. На рис. I приведена иерархическая структура конструкции ПМС в металлостеклянном корпусе.

 

Резисторы ПМС

Резисторы ПМС формируются на основе слоев биполярного транзистора: эмиттерного и базового (диффузионные резисторы), коллекторного (эпитаксиального), а также на основе слоев, полученных ионным легированием. В ПМС, выполненных по совмещенной технологии, используются пленочные резисторы.

Широкое использование диффузионных резисторов в ПМС определяется возможностью формирования их в едином технологическом процессе одновременно с змиттерными или базовыми областями биполярных транзисторов. Это существенно снижает количество операций изготовления ПМС и упрощает технологический процесс.

а) б)

 

Рис. 2. Эскиз конструкции(а) и эквивалентная схема(б) диффузионного резистора на базовом слое.

 

На рис.2, а, б показаны конструкция диффузионного резистора на основе базового p -слоя и его эквивалентная схема.

Наличие паразитных элементов и связей в диффузионном резисторе (см. рис. 2, б) приводит к определенным схемотехническим ограничениям. Так, паразитный р-п-р транзистор должен быть всегда включен в режиме отсечки. В этом режиме эмиттерный и базовый р-п переходы смещены в обратном направлении и транзистор закрыт. В противном случае, при включении эмиттерного перехода паразитного р-п-р транзистора в прямом направлении ток не потечет через резистор, а будет шунтироваться с усилением паразитным транзистором и уходить в пластину.

Наличие паразитных емкостей С1 и С2 р-п переходов, имеющихся в структуре резистора (см. рис. 2, а), ухудшает частотные свойства диффузионных резисторов.

Действительно, с ростом частоты w уменьшаются емкостные сопротивления I /wC1 и

I /wC2. В результате переменная составляющая тока с ростом частоты будет уходить в подложку, не проходя через резистор из-за его шунтирования емкостями С1 и С2.

Рис. 3. Эскиз конструкции диффузионного резистора на эмиттерном слое.

 

 

 

Рис. 4. Эскиз конструкции резистора на коллекторном (эпитаксиальном) слое.

 

 

 

Рис. 5. Эскиз конструкции пинч-резистора (поджатого) на базовом слое.

 

На риc. З приведена конструкция диффузионного резистора на эмиттерном п⁺- слое. На п⁺- слое изготавливаются низкоомные резис торы, их применение ограничивается низким пробивным напряжением (5 - 7 В) р-п перехода эмиттер-база. Пробивное напряжение резисторов (см. рис.2) на базовом слое составляет 30 - 100 В.

Находит применение и конструкция резистора на коллекторном (эпитаксиальном) слое, показанная на рис. 4.

На рис. 5, 6 приведены конструкции пинч-резисторов на базовом и коллекторном слоях. У пинч-резисторов уменьшение площади поперечного сечения осуществляется за счёт их поджатия выше расположенным слоем, отделённым от тела резистора обратно-смещённым р-п переходом. В результате, можно существенно повысить значение удельного поверхностного электрического сопротивления r_s.такого резистора (табл. 1).

 

Рис.6. Эскиз конструкции пинч-резистора, выполненного на коллекторном слое.

 

 

Рис.7. Эскиз конструкции резистора, сформированного ионным легированием (имплантацией) примеси n -типа в базовый слой.

 

Конструкция резистора, полученного ионным легированием, показана на рис. 7. Технология процесса ионного легирования (ионной имплантации) позволяет получать тонкие слои с высокими значениями удельного поверхностного электрического сопротивления r_s.

В табл.1 даны типичные значения толщин слоев, удельных поверхностных электрических сопротивлений и допусков на номинал резисторов ПМС, конструкции которых приведены на рис. 2-7. Общими недостатками полупроводниковых резисторов ПМС являются низкая точность и сложные эквивалентные схемы, отражающие наличие в их конструкциях паразитных элементов и связей.

 

Таблица 1

Основные параметры резисторов ПМС

 

Тип конструкции резистора	Толщина слоя резистора d, мкм	Удельное поверхностное эл. сопротивление rs, Ом/	Допуск на номинал сопротивления d, %
Диффузионный на базовом слое	2,5-3,5	100-300	_+15-20
Диффузионный на эмиттерном слое	1,5-2,5	1-10
Эпитаксиальный на коллекторном слое	7,0-10,0	(0,5-5)10^3
Пинч-резистор на базовом слое	0,5-1,0	(2-15)10^3
Ионно-легированный	0,1-0,2	(2-10)10^2	_+10-20

 

Конденсаторы ПМС

В конструкциях диффузионных конденсаторов ПМС в полезных целях используются ёмкости обратно смещенных р-п переходов - барьерные (зарядные) емкости: эмиттер-база, база-коллектор и коллектор-пластина. Емкость р-п перехода при прямом смещении называется диффузионной, на практике она в полезных целях не используется, так как при прямом смещении диффузионная емкость шунтируется малым сопротивлением р-п перехода. На рис.8 приведены варианты конструкций диффузионных конденсаторов ПМС, использующих емкость обратно-смещенного р-п. перехода.

 

 

Рис. 8. Варианты конструкций диффузионных конденсаторов: С1 – на переходе коллектор-пластина, С2 – на переходе база-коллектор, С3 – на переходе эмиттер-база и С4 – на переходе коллектор-пластина со скрытым слоем.

 

В качестве примера, на рис. 9 приведена эквивалентная схема диффузионного конденсатора на р-п переходе база-коллектор (С2 на рис. 8).

 

 

Рис. 9. Эквивалентная схема диффузионного конденсатора на основе р-п перехода база-коллектор.

 

На рис. 10, а, б приведена конструкция интегрального МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) конденсатора, называемого также конденсатором с диэлектриком, и его эквивалентная схема. Верхняя обкладка такого конденсатора представляет собой металлическую плёнку, нижняя – участок низкоомного полупроводника n⁺, между обкладками находится диэлектрическая плёнка (обычно двуокиси кремния). Такие конденсаторы, наряду с диффузионными, также находят применение в ПМС.

 

Рис. 10. Конструкция МДП-конденсатора (а) и его эквивалентная схема (б).

 

Из рассмотрения приведённых эквивалентных схем конденсаторов (см. рис. 9 и рис. 10, б) видно, что с ростом частоты электрического сигнала сопротивление паразитного конденсатора С2 будет уменьшаться, в результате произойдет нежелательное ответвление переменной составляющей тока в p -пластину. Для уменьшения этого эффекта емкость конденсатора С2 стремятся минимизировать.

Сопротивления R_{эпит. сл} (см. рис. 9) и R_{сл. n+} (см. рис. 10, б) снижают добротность конденсаторов, поэтому их тоже стремятся уменьшить.

В ПМС, изготовленных по совмещенной технологии, наряду с полупроводниковыми, используются тонкопленочные элементы - конденсаторы и резисторы. У тонкопленочных конденсаторов и резисторов, которые формируются на поверхности защитного окисла, практически отсутствуют паразитные элементы и: связи. По сравнению с полупроводниковыми элементами у них меньше допуск на номинал ёмкости, но изготовление тонкопленочных резисторов и конденсаторов усложняет технологический процесс изготовления ПМС.

В табл. 2 приведены параметры конденсаторов ПМС различных конструкций.

 

Элементы коммутации

К элементам коммутации (ЭК) ПМС относятся проводники, диффузионные перемычки и контактные площадки (КП). Элементы ПМС электрически соединены между собой с помощью металлических пленочных проводников, чаще всего алюминиевых (алюминиевой разводкой), расположенных на поверхности покрывающего поверхность пластины окисла. В качестве соединительных проводников в ПМС используются также низкоомные слои n⁺ или р⁺, расположенные под защитным окислом в объеме полупроводникового кристалла.

 

Таблица 2

Основные параметры конденсаторов ПМС

 

Тип конструкции конденсатора	Удельная ёмкость C0, пФ/мм^2	Допуск на номинал d, %	Напряжение пробоя Uпр, В	Добротность Q, отн. ед.
Диффузионный на p-n переходе: Б-К Э-Б К-П			30 - 70 5 - 8 35 - 70	20 – 100 1 – 20 -
МДП с диэлектриком: -SiO2 -Si3N4	400-600 800-1600		30 - 50	25 – 80 20 - 1100
Тонкопленочный с диэлектриком: -оксидом кремния(SiO2); -стеклом электровакуумным С41-1	500-800     3000-5500		20 - 40	10 – 100     10 - 100

 

Для изоляции двух пересекающихся пленочных проводников используются диффузионные перемычки (рис. 11), в которых один проводник расположен на поверхности окисла, а другой "подныривает" под него в виде участка p- или n⁺ -слоя. Участок n⁺ -слоя применяется редко ввиду малого пробивного напряжения n⁺-р перехода (перехода эмиттер-база) (см. табл. 2).

 

 

Рис. 11. Конструкция диффузионной перемычки.

 

Диффузионная перемычка по существу является низкоомным диффузионным резистором.

Различают следующие разновидности контактных площадок:

- внутренние, предназначенные для электрического соединения выводов (активных слоев) элементов ПМС, находящихся под защитным окислом, с пленочными металлическими проводниками (см. рис. 11);

- внешние, предназначенные для электрического соединения выводов кристалла с внешними выводами корпуса с помощью золотых или алюминиевых проводников (рис. 12).

 

 

Рис. 12. Конструкция внешней контактной площадки: 1 - пленочный проводник; 2 - контактная площадка; 3 - гибкий проводник; 4 - изолирующий р-п переход.

 

Для предотвращения замыкания контактной площадки на р -пластину в случае нарушения целостности окисла при термокомпрессионной приварке вывода к площадке под каждой контактной площадкой формируют изолированную область (п -"карман"). Таким образом, каждая внешняя контактная площадка снабжается двойной изоляцией. В тех случаях, когда внешняя контактная площадка формируется на "толстом" окисле, область изоляции в виде п -"кармана" под ней не делают.

 

Диоды ПМС

Диоды ПМС можно сформировать на любом из р-п переходов транзистора. Наиболее удобны для этой цели р-п переходы биполярного транзистора эмиттер-база и база-коллектор. Пять возможных вариантов диодного включения биполярного транзистора, представляющие разновидности конструкций диодов ПМС, приведены на рис. 13:

 

 

Рис. 13. Структуры диодов ПМС, реализованные на базе структуры биполярного транзистора: а) БК-Э; б) ЭБ-К; в) ЭК-Б; г) Э-Б; д) К-Б.

 

В представленных на рис. 13 вариантах используются: переход база-эмиттер с коллектором, закороченным на базу (а); переход коллектор-база с эмиттером, закороченным на базу (б); параллельное включение обоих переходов (в); переход эмиттер-база с разомкнутой цепью коллектора (г); переход база-коллектор с разомкнутой цепью эмиттера (д).

Основные параметры диодов ПМС даны в табл. 3.

Таблица 3

Параметры диодов ПМС, выполненных на базе структуры биполярного транзистора

 

Вариант диодного включения биполярного транзистора	Пробивное напряжение Uпр, В	Обратный ток диода I0, нА	Ёмкость диода (между катодом и анодом) Сд, пФ	Время восстановления обратного тока (быстродействие) t, нс
БК - Э	7 - 8	1,0	0,5
БЭ - К	40 - 70	30,0	0,7
Б - ЭК	7 - 8	40,0	1,2
Б - Э	7 - 8	1,0	0,5
Б - К	40 - 70	3,0	0,7

 

При правильном выборе варианта диодного включения биполярного транзистора возможно получение оптимального сочетания параметров диода. Наилучшими вариантами диодного включения биполярного транзистора являются БК-Э и Б-Э.

 

Биполярные транзисторы ПМС

В ПМС биполярный п-р-п транзистор является основным (базовым) схемным элементом. У п-р-п транзисторов быстродействие, частотные и усилительные параметры при прочих равных условиях лучше, чем у р-п-р транзисторов. Это объясняется тем, что подвижность электронов выше, чем дырок, что предопределяет более высокое быстродействие. Концентрация примеси в эмиттере достигается большей при легировании кремния донорами, чем при легировании акцепторами, что предопределяет более высокие коэффициенты инжекции эмиттера и усиления п-р-п транзистора.

Существуют различные конструкции биполярных транзисторов ПMC. На рис. 14 приведена простейшая конструкция биполярного транзистора п⁺-р-п.

Эмиттер транзистора сильно легируют (до п⁺) для получения максимального коэффициента инжекции электронов из эмиттера в базу при прямом включении р-п перехода эмиттер-база.

Э

Б

К

Базу для повышения коэффициента переноса делают тонкой и низколегированной, так чтобы толщина базы была намного меньше диффузионной длины инжектированных в базу электронов.

 

 

 

Рис. 14. Эскиз конструкции биполярного транзистора ПМС: 1 - эмиттер; 2 - база; 3 - коллектор; 4 - скрытый сдой: 5 - п⁺ -область под контактом к коллектору.

 

Под коллектором располагают низкоомный слой n ⁺ - так называемый скрытый слой, предназначенный для уменьшения сопротивления коллектора транзистора и повышения за счёт этого его быстродействия.

При контакте полупроводника n -типа с трехвалентным алюминием, который является акцептором в кремнии и германии, последний может диффундировать в коллектор с образованием непосредственно под контактом области p -типа и паразитного р-п перехода. Для предотвращения образования паразитного перехода под контактом к коллектору область под этим контактом легируют до n⁺. В этом случае, если алюминий и продиффундирует в коллектор, концентрация доноров в нем будет заведомо больше, чем акцепторов, и поэтому область p- типаи, соответственно, паразитный р-п переход под контактом к коллектору не образуются.

Транзисторы средней и большой мощности работают в режимах высоких плотностей эмиттерного тока (200 - 3000 А/см²). Конструкции мощных транзисторов разрабатываются с учетом эффекта оттиснения эмиттерного тока. Этот эффект заключается в том, что плотность тока в центре эмиттера существенно ниже плотности тока по его периферии (см. рис. 15).

 

Рис. 15. Иллюстрация эффекта «оттиснения эмиттерного тока».

 

Падение напряжения на эмиттерном р-п переходе в центре эмиттера всегда меньше, чем у краёв эмиттера, на величину, равную падению напряжения на омическом сопротивлении базы вследствие протекания базового тока:

 

_.

 

В современных транзисторах толщина базы составляет примерно 0,3 – 0,7 мкм, длина базы может составлять несколько десятков мкм, поэтому сопротивление базы будет достаточно большим.

Плотность тока эмиттера экспоненциально возрастает с напряжением на р-п переходе:

 

_.

где j_T - температурный потенциал; В; k- постоянная Больцмана; Т - температура.

Отсюда видно, что падение напряжения на длине базы в несколько j_T приведет к различию в величинах плотности тока I_э(0) и I_э(l/2) на один-два порядка. Максимальная плотность тока всегда будет на краю эмиттера. Возрастание эмиттерного тока вызовет возрастание базового тока, увеличение падения напряжения вдоль базы и еще большее перераспределение тока между центром и краями эмиттера, т.е. ток эмиттера оттеснится от его центра к периферийным участкам. Поэтому для повышения мощности транзистора необходимо увеличивать не общую площадь F_э эмиттера, а отношение периметра P эмиттера к его площади. Необходимо учитывать, что существует оптимальное отношение P/F_Э. На рис.16. схематически приведены различные формы эмиттеров мощных транзисторов с большими значениями отношения P/F_Э - П-образная, прямоугольные, соединённые металлизацией в виде гребёнки (гребенчатые), древовидная, елочная.

 

Рис. 16. Формы эмиттеров биполярных транзисторов средней и большой мощности: П-образного (а); гребенчатого (б); древовидного (в); елочного (г).

 

Транзисторы ПМС c ёлочными эмиттерами способны пропускать в одном импульсе ток до l А.

В логических схемах транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) используются многоэмиттерные транзисторы, имеющие несколько эмиттеров, работающих на общие базовый и коллекторный слои (рис. 17).

 

 

Рис. 17. Конструкция многоэмиттерного транзистора: 1 - эмиттеры; 2 - базовый проводник Б_п; 3 - базовый резистор r'_b; 4 - базовый контакт Б_к; 5 - база; 6 - коллектор; 7 - подложка.

 

Эмиттеры многоэмиттерного транзистора находятся на разных расстояниях от базового контакта (см. рис. 17), что приводит к различию в сопротивлениях эмиттерно-базовых цепей. Для выравнивания этих сопротивлений база снабжается проводником Б_п.

В TТЛ-схемах для снижения входных токов необходимо минимальное значение коэффициента усиления β ’ многоэмиттерного транзистора в инверсном режиме. С этой целью базовый контакт и эмиттеры должны быть отнесены друг от друга на некоторое расстояние. Формируется дополнительное омическое сопротивление базы Омза счёт специально сделанного отростка, через который выполняется контакт к (рис. 17). Падение напряжения на этом отростке порядка 0,1 В приводит к уменьшению β ’.

Из эквивалентной схемы многоэмиттерного транзистора (рис. 18) видно, что диод VD1 шунтирует p-n переход коллектор-база инверсного транзистора. В результате уровень инжекции неосновных носителей из коллектора в базу и эмиттеры будет незначительным и инверсные коэффициенты усиления транзистора β’ (по каждому из эмиттеров) уменьшатся до 0,001 – 0,005.

 

Рис. 18. Эквивалентная схема многоэмиттерного транзистора: - базовый резистор; VD1 – диод под базовым контактом на основе p-n перехода коллектор – база; С_п – емкость p-n перехода коллектор – подложка.

 

Транзисторы с барьерами Шотки отличаются повышенным быстродействием. Они используются в быстродействующих схемах пороговой логики ТТЛШ.

У транзисторов, работающих в режиме насыщения, в области базы и коллектора накапливается объемный заряд. Время рассасывания t_p этого заряда при переходе из режима насыщения в режим отсечки является важным параметром, определяющим быстродействие ряда схем пороговой логики. Для снижения t_p транзисторы можно легировать золотом, уменьшающим время жизни неосновных носителей, что в свою очередь приводит к нежелательному снижению коэффициента усиления транзистора, требует дополнительных технологических операций, расхода золота и снижает воспроизводимость параметров транзисторов. Для уменьшения t_p без указанных отрицательных последствий коллекторный переход транзистора можно шунтировать диодом (то есть p-n переходом). Однако в этом случае в самом диоде скапливается объемный заряд, кроме того, усложняется конструкция ПМС.

Дляшунтирования коллекторного перехода наиболее перспективны диоды с барьером Шотки (рис. 19). При контакте полупроводника с металлом в зависимости от соотношения работ выхода металла и полупроводника и уровня легирования полупроводника в области контакта может образоваться слой, обогащенный основными носителями, обедненный и инверсный слой (барьер Шотки). Диод о барьером Шотки обладает выпрямляющими свойствами, имеет падение напряжения в открытом состоянии (при прямом смещении) примерно 0,35 В, что вдвое ниже, чем для диода на p-n переходе, и весьма малое время выключения: нс.

На рис. 20 приведена конструкция транзистора с диодом Шотки (транзистора Шотки). Диод Шотки возникает за счет распространения базового контакта на область коллектора. В контакте высокоомная n- область - металл образуется инверсный слой (рис. 20). Перед обычными транзисторами транзистор Шотки имеет следующие преимущества:

- в режиме насыщения отсутствует инжекция неосновных носителей заряда из коллектора в базу;

- заряд носителей в коллекторной области не накапливается;

- увеличивается быстродействие транзистора;

- повышается коэффициент усиления транзистора, так как последний не легируется золотом.

К числу недостатков транзисторов Шотки следует отнести:

- повышение емкости коллекторного перехода за счет прибавления емкости диода;

- увеличение падения напряжения между коллектором и эмиттером транзистора в режиме насыщения примерно с 0,2 до 0,4 В.

 

 

Рис. 19. Упрощенная эквивалентная схема транзистора Шотки.

 

 

 

Рис. 20. Эскиз конструкции транзистора Шотки.

 

МДП-транзисторы ПМС.

На рис. 21 приведён эскиз конструкции униполярного (полевого) транзистора типа МДП, то есть металл-диэлектрик-полупроводник. Принцип работы МДП-транзистора основан на модуляции сопротивления проводящего канала между истоком и стоком под действием изменения потенциала затвора.

 

 

Рис. 21. Эскиз конструкции (а) и схемотехническое обозначение (б) п-канального МДП–транзистора с индуцированным каналом: И – исток; С – сток; З – затвор.

 

МДП-транзисторы по сравнению с биполярными имеют более высокое входное сопротивление, меньший уровень шумов, меньшую потребляемую мощность, большую устойчивость к перегрузкам по току. Технология МДП ИС проще, чем технология ИС на биполярных транзисторах, а следовательно и стоимость их ниже. Интегральная плотность у МДП ИС выше, чем у ИС на биполярных транзисторах.

Основными недостатками МДП-транзисторов по сравнению с биполярными являются: меньшее быстродействие, худшая технологическая воспроизводимость параметров и большая временная нестабильность.

В соответствии с типом электропроводности канала различают n-канальные (рис. 21, а) и p-канальные (рис. 22, а) МДП-транзисторы. У n-канальных транзисторов быстродействие и частотные характеристики выше, чем у р- канальных, так как подвижность электронов больше, чем подвижность дырок.

Наряду с полевыми транзисторами с управляющими переходами, о которых будет сказано ниже, МДП-транзисторы являются униполярными приборами, поскольку работа их основана на использовании носителей заряда только одного типа, а именно - основных. Инжекция в МДП- и полевых транзисторах с управляющими переходами не используется. Исток и сток в униполярных транзисторах, в принципе, обратимы и их можно поменять местами при включении транзисторов в схему.

 

а) б)

 

Рис. 22.Структура (а) и условное обозначение (б) р-канального МДП-транзистора с индуцированным каналом.

 

В МДП-ИС для реализации диодов и пассивных элементов (резисторов или конденсаторов) используются МДП-структуры.

При использовании МДП-транзистора в качестве резистора необходимый номинал последнего достигается подачей на затвор определенного потенциалаи выполнением канала с определёнными (расчётными) геометрическими размерами. Такой МДП-транзистор называется нагрузочным.

Конденсаторы в МДП ИС используют емкость затвор - подзатворный диэлектрик – пластина (МДП-конденсатор) или барьерную емкость р-п перехода сток (исток) – пластина (диффузионный конденсатор).

МДП ИС, у которых в объеме кристалла сформированы п- и p-канальные транзисторы, называются комплементарными (рис. 23). Цифровые схемы на комплементарных МДП-транзисторах (КМДП ИС) потребляют мощность только в моменты переключений электрических сигналов и не потребляют ее в статическом режиме.

 

 

Рис. 23. Комплементарные МДП транзисторы: 1 - исток; 2 - сток-3 - затвор; 4 - подзатворный диэлектрик.

 

Действительно, при подаче на вход схемы, составленной из двух транзисторов комплементарной структуры (рис. 24), сигнала положительной или отрицательной полярности один из транзисторов всегда будет включен, а другой выключен. Поэтому ток в цепи источника питания с напряжением U_и.п будет практически отсутствовать (один из транзисторов выключен) и потребляемая мощность в статическом режиме будет пренебрежимо мала.

Эта особенность КМДП ИС выгодно отличает их от микросхем на биполярных транзисторах.

Рис. 24. Схема инвертора на основе КМДП структуры.