.

Элементы биполярных ИС

Основным элементом в биполярных ИМС является биполярный n-p-n транзистор. Он обладает лучшими характеристиками, чем транзистор p-n-p типа, а техника изготовления более проста. Поэтому технологический процесс изготовления биполярных интегральных схем отрабатывается так, чтобы параметры n-p-n транзистора были оптимальными, а остальные элементы изготовлены по техническому оптимуму для данного транзистора. n+ эмиттер n- коллектор p- база разделительный p+ слой  скрытый n+ слой контактное окно в окисле n+ эмиттера контактное окно окисла p базы n+ слой коллектора контактное окно в окисле n+     коллектора металлизированные проводники 

Типичная конфигурация биполярных транзисторов в плане.  В начале формируется коллекторная область n типа, затем акцепторной примесью базовая p область, после чего донорная примесь n, образует эмиттерную и подконтактный коллекторный  n+ слой. Широкое распространение получила транзисторная структура со скрытым n+ слоем. Скрытый слой нужен, так как вывод коллектора расположен на поверхности. Это ведет к увеличению сопротивления тела коллектора и ухудшает характеристики транзистора, как в усилительном, так и в переключающем режимах. Уменьшение удельного сопротивления коллекторного слоя снижает напряжения пробоя коллекторного p-n перехода и увеличивает емкость этого перехода, что ухудшает частотные свойства. Формирование скрытого n+ слоя обеспечивает создание низкоомного слоя от активной коллекторной области к контакту. Назначение подконтактной n+ области – это создание низкоомного омического контакта к коллектору при вплавлении алюминия, растворимость которого в кремнии составляет 1016 см-3, поэтому при вплавлении алюминия в коллекторный слой с уровнем внедрения примесей (легирования) 1015-1016 см-3 образует p-n переход. При ассиметричной конструкции характерно, что эмиттерный ток протекает к коллектору только в одном направлении. При симметричном расположении коллектора, ток эмиттера протекает к коллектору в 3 направлениях, что снижает сопротивление коллектора в 3 раза. Данная конструкция используется в мощных и высокочастотных транзисторах.

Основными параметрами интегрального транзистора являются :

- коэффициент усиления β, 100-200

- предельная частота fr, мГц 200-500

- коллекторная емкость Ck, 0,3-0,5

- пробивное напряжение коллекторного перехода vкб, 40-50 В

- пробивное напряжение эмиттерного перехода, 7-8 В 

Супер β-транзисторы  Это транзисторы с высоким коэффициентом усиления β 3000-5000, который получается засчет уменьшения ширины базы до уровня 0,2-0,3 микрон (стандарт 1,5-2,5). Напряжение коллекторного пробоя у них составляет 1,5-2 В из-за эффекта "смыкания" эмиттерного и коллекторного переходов. Это не универсальный, а специализированный элемент, главная область применения – входные каскады операционных усилителей.

Интегральные диоды – их функцию в интегральных элементах выполняют транзисторы с определенной коммутацией электродов.

 

БК-Э,      Э-Б

Б-ЭК

БЭ-К,      БК

Uпр   (В)

7-8

7-8

40-60

Iобр   (мА)

0,5-1

20-40

15-30

 

Напряжение пробоя больше у тех вариантов коммутации, в которых используется p-n переход. Но у них выше и больше обратные токи. Меньшее сопротивление пробоя и меньшие токи имеют варианты, в которых используется эмиттерный переход. Емкость максимальна у структуры Э,Б-К, емкость на подложке минимальна у структуры БЭ. По совокупным параметрам оптимальны схемы коммутации Э,Б-К и Э-Б. Для исключения воздействия смежных эмиттеров, которые образуют паразитные горизонтальные n-p-n транзисторы, расстояние между ними выбирают не меньше диффузионной длины носителей в базовом слое (10-15 микрон).  

Многоколлекторные n-p-n транзисторы  Это практически многоэмиттерный транзистор, используемый в инверсном режиме. Общим эмиттером является эпитаксиальный слой, а коллекторами – n+ малых размеров. Для обеспечения достаточно высоких коэффициентов усиления в расчете на 1 коллектор, скрытый n+ слой необходимо располагать как можно ближе к базовому слою, а n+ коллекторы как можно ближе друг к другу. Структура с объединенными эмиттерными и коллекторными областями является основой интегральной инжекторной логики (И2Л). 

Латеральный (горизонтальный) p-n-p транзистор Транзистор p-n-p используется как нагрузочный для n-p-n  переключателя транзисторов. Их изготовление одновременно с транзисторами типа n+-p-n по обычной технологии. Эмиттерные и коллекторные слои получаются на этапе базовой диффузии. Базовая область формируются на основе эпитаксиального слоя с подлегированием контактной области во время эмиттерной диффузии. Горизонтальные транзисторы имеют коэффициент усиления β 50-100, так как в них используется инжекция, то есть перенос не основных носителей заряда, только боковых областей эмиттера. Предельная частота 50 мегагерц, в том случае, если расстояние между эмиттером и коллектором 3-4 микрона. Если β будет 1,5-20 , причем частота 2-5 мегагерц, если расстояние 6-12 микрон. Для подавления действия паразитных p-n-p транзисторов (p-эмиттер, n-база, p-подложка): уменьшение площади дополнительной части эмиттера  использование скрытого n+ слоя вдоль границы эпитаксиального слоя и подложки