наибольший отрицательный потенциал, то транзистор можно подключать только по схеме с общим коллектором. Этот транзистор, как и горизонтальный p-n-p транзистор, имеет низкий коэффициент усиления и малую граничную частоту. База этого транзистора является слаболегированным эпитаксиальным слоем и из-за этого обладает большим

сопротивлением и повышенной паразитной емкостью коллекторного перехода из-за значительных его размеров.

19.5. Многоэмиттерные транзисторы

Многоэмиттерные n-p-n транзисторы (МЭТ) отличаются от рассмотренных выше одноэмиттерных прежде всего тем, что в их базовой области создают несколько (обычно 4...8) эмиттерных областей.

Основная область применения МЭТ – цифровые микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). В этих микросхемах они включаются на входе и выполняют функцию диодной логической ячейки, состоящей из m+1 диодов, где m – число эмиттеров, являющихся входами схемы ТТЛ. Многоэмиттерный транзистор можно представить в виде совокупности отдельных n-p-n транзисторов (рис. 19.8), число которых равно числу эмиттеров. Все базовые выводы этих транзисторов, как и коллекторные, соединены между собой.

Рис. 19.8. Диодная логическая ячейка (а) и эквивалентная схема (б)

многоэмиттерного транзистора

Главная особенность использования МЭТ в схемах ТТЛ состоит в том, что в любом состоянии схемы коллекторный переход МЭТ, включенного на ее входе, смещен в прямом направлении. Следовательно, отдельные транзисторы находятся в инверсном режиме, либо в режиме насыщения в зависимости от напряжения на соответствующем эмиттере.

При использовании МЭТ в схемах ТТЛ требуется снижать инверсный коэффициент передачи, так как в этом режиме транзистор не должен проводить ток, а фактически находиться в режиме отсечки. В то же время для других (одноэмиттерных) транзисторов в схеме, особенно для выходных, инверсный коэффициент передачи необходимо увеличивать, чтобы обеспечить достаточно низкое напряжение насыщения. Поскольку в МЭТ используются такие же полупроводниковые слои, что и в одноэмиттерных

384

транзисторах, уменьшать их инверсный коэффициент передачи можно только соответствующим выбором топологии.

Топология и структура МЭТ представлены на (рис. 19.9).

а) б)

Рис. 19.9. Структура (а) и вид сверху (б) многоэмиттерного транзистора

Четыре эмиттера n+-типа расположены внутри общего базового слоя р- типа, ограниченного с боковых сторон коллекторным n-р переходом. Для подавления работы паразитных горизонтальных n+-p-n+ транзисторов

расстояние между краями соседних эмиттерных областей должно превышать диффузионную длину носителей в базовом слое (обычно эта длина составляет 10…15 мкм).

Расстояние между эмиттерными областями и базовым контактом увеличено, так что участок пассивной базы, имеющий малую ширину, представляет собой резистор сопротивлением 200...300 Ом. Ток базы создает на этом участке такое падение напряжения, что потенциал области 2 пассивной базы, в которой расположен базовый контакт, оказывается на 0,1...0,2 В выше потенциала активной базы, расположенной под эмиттерными переходами. При этом прямое напряжение на коллекторном переходе в области 2 будет на то же значение больше, чем в областях, граничащих с активной базой.

Известно, что ток инжекции n-р перехода экспоненциально возрастает при повышении прямого напряжения, причем даже незначительное увеличение напряжения на 2-3φт, где φт – тепловой потенциал (т.е. на 60 мВ при Т = 300 К), приводит к десятикратному увеличению тока инжекции.

Поэтому электроны будут инжектироваться из коллектора преимущественно в пассивную область базы 2, т.е. не будут достигать эмиттерных переходов,

что приведет к необходимому уменьшению инверсного коэффициента передачи до 0,005...0,05. Центральное контактное отверстие 3 в базовой

области предназначено для выравнивания потенциалов активных базовых областей. В него напыляют слой алюминия, уменьшающий сопротивление этой части пассивной базы.

385

19.6. Многоколлекторные транзисторы

Структура многоколлекторного транзистора (МКТ) является основной структурной единицей ИМС с инжекционной логикой (И2Л), получивших название «сверхинтегрированных», поскольку в них структуры p-n-p и n-p-n транзисторов совмещены друг с другом. Коллектор одного транзистора одновременно выполняет функцию базы другого транзистора. Благодаря

такой конструкции обеспечивается значительная экономия площади поверхности, так как отсутствует необходимость дополнительных изолирующих областей и межэлементных соединений.

Структура МКТ в И2Л-схеме представлена на (рис. 19.10) и представляет собой МЭТ, включенный в инверсном режиме, т.е. общим эмиттером является эпитаксиальный слой, а коллекторы – n+ области малых размеров. Важным элементом структуры в данном случае является горизонтальный p- n-p транзистор. Следует отметить, что его эмиттер в этой схеме находится рядом с базовой областью р-типа структуры.

При подаче напряжения смещения на инжектор (И) дырки, инжектируемые горизонтальным p-n-p транзистором в базу МКТ, приводят его в состояние насыщения, если этот базовый ток не отводится через электрод (Б). Таким образом, данный элемент имеет два устойчивых состояния: когда МКТ транзистор находится в режиме отсечки или в режиме насыщения – в зависимости от того, есть или нет тока через электрод (Б).

а)

б)

Рис. 19.10. Структура (а) и эквивалентная электрическая (б) И2Л элемента: 1 – оксид кремния, 2 – металлические проводники, 3 – плёнка поликремния

386

Главной проблемой при конструировании данного транзистора является обеспечение достаточно высокого коэффициента передачи тока от общего n- эмиттера к каждому из n+-коллекторов. Это достигается расположением скрытого n+-слоя как можно ближе к базовому и расположением n+-слоев как можно ближе друг к другу.

19.7. Транзисторы с диодом Шотки

а) б) в)

Рис. 19.11. Структура (а), эквивалентная электрическая схема (б) и условное обозначение (в) транзистора с диодом Шотки

Конструкция транзистора с диодом Шотки представлена на рис. 19.11, а. Диод Шотки шунтирует коллекторный переход транзистора. В отличие от

обычного транзистора здесь базовое контактное отверстие расширено в сторону коллекторной области n-типа. В результате алюминиевая металлизация обеспечивает контакт с p-областью базы и n-областью коллекторного слоя.

Для транзистора с диодом Шотки в принципиальных электрических схемах используют специальное графическое обозначение, показанное на рис. 19.11, в. Слой алюминия, расположенный на базовом слое p-типа, образует с ним омический контакт. Слой алюминия на границе с

относительно высокоомной коллекторной областью обеспечивает выпрямляющий контакт – переход Шотки. Диод Шотки оказывается включенным параллельно коллекторному переходу транзистора.

Известно, что скорость переключения транзисторов ИМС, работающих в ключевом режиме, ограничена временем рассасывания избыточного

эмиттерном n-p переходе. Поэтому, наряду с инжекцией электронов из эмиттера в базу, происходит инжекция электронов в базу из коллектора и, что особенно важно, инжекция дырок из базы в коллектор, т. е. в относительно высокоомный эпитаксиальный слой n-типа. В результате в коллекторной области накапливается избыточный заряд дырок,

387

составляющий большую часть всего избыточного заряда. На границе со скрытым слоем n+-типа концентрация инжектированных дырок резко уменьшается из-за влияния тормозящего поля n-n+ перехода и меньшего времени жизни дырок в скрытом слое.

Рис. 19.12. Распределение неосновных носителей заряда в базовой и коллекторной областях транзисторов без диода Шотки (а) и с диодом Шотки (б) при работе в режиме насыщения.

Рис. 19.13. Временная диаграмма, отражающая изменение напряжения на коллекторе транзистора с диодом Шотки (а) и

обычного n-p-n транзистора (б)

388