Накопление избыточного заряда в относительно слаболегированной области коллектора приводит к появлению времени рассасывания, в течение

которого при отсутствии импульса на входе транзистора на его выходе сохраняется низкий уровень сигнала. При выключении транзистора без ДШ

время рассасывания в основном определяется эффективным временем жизни дырок в коллекторе. В этом случае время рассасывания составляет десятки наносекунд (для структуры, не легированной золотом).

Для уменьшения этого времени в интегральных транзисторах используют транзисторы с диодом Шотки. Сравнение временных диаграмм, отражающих работу транзисторов в ключевом режиме показывает, что время

рассасывания ключа на транзисторе с ДШ практически равно нулю

(рис. 19.13).

Уменьшение времени рассасывания в транзисторе с диодом Шотки обусловлено снижением прямого напряжения на коллекторном переходе. В

результате в режиме насыщения избыточный заряд появляется практически только вследствие инжекции электронов из эмиттера в активную область базы. Время рассасывания этого заряда определяется временем пролета электронов через базу и для транзисторов с достаточно тонкой базой (менее 1 мкм) составляет не более 1 нс.

В транзисторах без диода Шотки для уменьшения времени рассасывания используют операции легирования золотом, которое создает в кремнии дополнительные центры рекомбинации, снижающие время жизни избыточных носителей заряда. Однако при этом в 2...3 раза уменьшается и коэффициент передачи тока такого транзистора. В транзисторах с диодом Шотки легирование золотом не требуется.

Таким образом, основная область применения транзисторов с ДШ – это цифровые микросхемы с повышенным быстродействием. Отметим, что

использование транзисторов с ДШ дает положительный эффект только в тех случаях, где транзистор работает в режиме насыщения, например в схемах ТТЛ.

19.8. Интегральные диоды и стабилитроны

Рис. 19.14. Структуры интегральных диодов

389

Любой из n-p переходов интегральной транзисторной структуры может быть использован для формирования диодов. Обычно используются переходы база–эмиттер и база–коллектор. На рис. 19.14 представлено пять возможных вариантов использования p–n переходов в качестве диода, основные электрические параметры которых приведены в таблице 19.1.

Таблица 19.1

Параметры интегральных диодов

Анализируя параметры данных вариантов интегральных диодов, приведенные в таблице 19.1 можно сделать следующие выводы:

∙напряжение пробоя Uпр больше у тех вариантов, в которых используется коллекторный переход;

∙обратные токи Iобр меньше у тех вариантов, в которых используется только эмиттерный переход;

∙ёмкость диода между катодом и анодом Cд у вариантов с наибольшей площадью перехода (т.е. для включения Б–ЭК)

максимальна. Паразитная емкость на подложку Cо минимальна у варианта Б–Э;

∙время восстановления обратного тока tв, характеризующего время переключения диода, минимально для варианта БК–Э, так как у этого варианта накапливается заряд только в базе.

Кроме перечисленных параметров важное значение имеет величина падения напряжения на диоде при прямом включении. Наименьшим напряжением отпирания Uот (напряжением, при котором происходит переход к линейному участку ВАХ) обладает диод на коллекторном переходе транзистора с короткозамкнутым эмиттером. Наибольшее напряжение

отпирания имеет диод на эмиттерном переходе транзистора с разомкнутым коллектором, в котором падение напряжения в объеме определяется сопротивлением базового слоя.

Таким образом, оптимальными для микросхем вариантами диода являются БК–Э и Б–Э. Напряжение пробоя для такого типа включения составляет 7…8 В, что вполне достаточно для использования этих вариантов в низковольтных микросхемах.

Следует отметить, что при выборе схемы включения диодов в ИМС наряду с учетом из электрических характеристик, принимают во внимание влияние паразитных эффектов, обусловленных взаимодействием рабочих

390

областей с подложкой и изолирующими слоями. При этом особенно существенно проявляется активное действие паразитных транзисторов.

Так, для всех диодов в ИМС характерно превышение входного тока над выходным, что обусловлено ответвлением части тока в подложку в виде тока утечки. Пример эквивалентной схемы интегрального диода, на которой учитывается наличие паразитного транзистора представлен на рис. 19.15. Если управляющим является входной ток, то утечка тока в подложку приводит к ослаблению действия управляющего сигнала. В ИМС, в которых диод управляется выходным током, наоборот происходит усиление тока,

позволяющее увеличить нагрузочную способность источника управляющих сигналов. Эта особенность интегральных диодов часто используется в ИМС.

Рис. 19.15. Эквивалентная электрическая схема интегрального диода на

основе коллекторного перехода транзистора с разомкнутым эмиттером

Единственным включением, при котором не проявляется негативное действие паразитного транзистора, является схема с закороченным (БК–Э) коллекторным переходом. При этом эмиттерный переход паразитного транзистора замыкается накоротко, поэтому ток этого транзистора, в том числе и ток утечки, равный обратному току коллекторного перехода, не зависят от приложенного к диоду напряжения.

Интегральные стабилитроны могут быть сформированы на базе структуры интегрального транзистора в различных вариантах в зависимости от необходимого напряжения стабилизации и его температурного коэффициента:

∙ обратное включение диода БЭ–К используется для получения напряжения 5…10 В с температурным коэффициентом + (2…5) мВ/°С. В этом случае диод работает в режиме лавинного пробоя;

∙обратное включение диода Б–Э применяют для получения напряжения стабилизации 3…5 В с температурным коэффициентом

– (2…3) мВ/°С;

∙для фиксации напряжения можно использовать один или несколько последовательно включенных в прямом направлении диодов БК–Э.

391

При этом напряжение стабилизации кратно напряжению на открытом переходе (0,7 В). Температурная чувствительность такого включения составляет –2мВ/°С.

В температурно-компенсированном стабилитроне, сформированном на основе базовой и эмиттерной (рис. 19.16) областей, при подаче напряжения между областями n+-типа один переход работает в режиме пробоя, второй – в режиме прямого смещения. Температурная чувствительность напряжения на этих двух переходах имеет противоположный знак, поэтому суммарная температурная чувствительность такого стабилитрона менее ±2 мВ/°С.

Рис. 19.16. Вертикальная структура интгегрального стабилитрона на

основе двух переходов

Контрольные вопросы

1.Перечислите основные параметры транзистора, для улучшения которых используется скрытый слой?

2.Назовите виды изоляции элементов в ИС.

3.В чем заключаются преимущества изопланарного транзистора по сравнению с эпитаксиально-планарным?

4.Почему нарушится работоспособность микросхемы, если не будут созданы противоканальные области p+-типа?

5.С какой целью в структуре интегрального транзистора создается коллекторная контактная область?

6.Каким образом можно увеличить быстродействие транзисторов, работающих в ключевом режиме?

7.Какие способы существуют для создания биполярных транзисторов p-n-p структуры в рамках планарной технологии?

8.Назовите основные отличия в параметрах горизонтального и вертикального биполярных транзисторов ИМС.

9.Перечислите основные отличительные особенности многоколлекторных транзисторов.

10.Как изменится инверсный коэффициент передачи много-эмиттерного транзистора при уменьшении тока базы?

11.Перечислите схемы получения диода, на основе биполярного транзистора. Охарактеризуйте достоинства и недостатки каждой из них.

392