8.2. Полупроводниковые ис

Полупроводниковые ИС имеют элементы выполненными в приповерхностном слое и на поверхности полу­проводниковой подложки, которая представляет собой пластинку кремния толщиной 200 — 300 мкм. Размеры кристалла бывают обычно от 1,5 х 1,5 до 10 x 10 мм. По сравнению с пленочными и гибридными ИС полупроводниковые микросхемы имеют наибольшее число элементов в единице объема и наивысшую надежность.

Изоляция. Поскольку все элементы делаются в единой полупроводниковой подложке, то важно обеспечить изоляцию элементов от подложки и друг от друга. Наиболее простой и дешевой является изоляция p — n - переходом. В этом случае в подложке (П), например, из кремния типа р, методом диффузии делаются области типа п, называемые «карманами» (рис. 8.3). В «карманах» в дальнейшем формируются необходи­мые пассивные или активные элементы, а p — n - переход между «карманом» и подложкой постоянно находится под обратным напря­жением. Кремниевый р — n – переход при обратном напряжении имеет очень высокое сопротивление (несколько мегаом), которое и вы­полняет роль изоляции.

Рис. 8.3. Изоляция элементов p — n - переходом

Биполярные транзисторы формируют по планарно-эпитаксиальной технологии. Методом диффузии в подложке создают области коллектора, базы и эмиттера (рис. 8.4). Структура транзистора углубляется в подложку не более чем на 10—15 мкм, а линейные размеры транзистора на поверхности не превышают нескольких десятков микрометров.

Рис. 8.4. Биполярный транзистор полупроводниковой ИС

Как, правило, изготовляются транзисторы типа п — р — п. Внутренний (скры­тый) п⁺ - слой с повышенной концентрацией примесей в коллекторе служит для уменьшения сопротивления и, следовательно, по­терь мощности в области коллектора. Но область коллектора должна иметь пониженную концентрацию примесей, чтобы переход имел большую толщину. Тогда барьерная емкость у него будет меньше, а напряжение пробоя — выше. Область эмиттера также часто делают п⁺ - типа для уменьшения сопротивления и увеличения инжекции. Сверху на транзисторе создается защитный слой оксида Si0₂. От об­ластей коллектора и базы часто делают по два вывода, для того чтобы можно было соединить данный транзистор с соседними элементами без пересечений соединительных линий.

Типичные параметры биполярных транзисторов полупроводниковых ИС таковы: коэффициент усиления тока базы 200, граничная частота до 500 МГц, емкость коллектора до 0,5 пФ, пробивное напряжение коллекторного перехода до 50 В, а эмиттерного до 8 В.

В полупроводниковых ИС всегда образуются некоторые паразитные элементы. Например, из рис.8.4 видно, что наряду с транзистором типа п⁺ — р — п, созданным в подложке типа р, существует па­разитный транзистор р — п — р, в который входят подложка, области коллектора и базы. А транзистор п⁺ — р — п вместе с подложкой образует паразитный тиристор п⁺ — р — п — р. Вследствие обратного напряжения на изолирующем переходе паразитные транзистор и тиристор нормально заперты, но при попадании каких-либо импульсов помех может произойти нежелательное отпирание и срабатывание этих эле­ментов.

Многоэмиттерные транзисторы применяются в цифровых полупроводниковых ИС (рис. 8.5). Для примера взят четырехэмиттерный транзистор. Такой транзистор можно отпирать подачей импульса прямого напряжения на любой из четырех эмиттерных переходов.

Рис. 8.5. Многоэмиттерный транзистор

В многоэмиттерном транзисторе работающий эмиттер вместе с базой и другим, соседним эмиттером образует паразитный n⁺ - p – n⁺ - транзистор. Чтобы уменьшить влияние последнего, между соседними эмиттерами делают расстояние не менее 10 мкм, т. е. у паразитного транзистора получается сравнительно толстая база.

Супербета-транзистор имеет толщину базы всего лишь 0,2 — 0,3 мкм и за счет этого коэффициент усиления тока достигает нескольких тысяч. Однако максимальное напряжение U_КБ в этих транзисторах не превышает 1,5 — 2 В. При большем напряжении проис­ходит смыкание коллекторного перехода с эмиттерным.

Составные транзисторы, применяемые в ИС, представляют собой пару транзисторов, соединенных так, что получается элемент с очень высоким коэффициентом усиления . Чаще всего встречается так называемая пара Дарлинг­тона (рис. 8.6). Результирующий коэффициент усиления такого составного транзистора:

. (8.1)

При = 100 получают = 10⁴. Практически может достигать нескольких тысяч.

Рис. 8.6. Электрическая схема составного транзистора

Транзистор с коллектором Шотки представляет собой биполяр­ный транзистор, у которого коллекторный переход шунтирован диодом Шотки. Его достоинством является отсутствие диффузионной емкости, и за счет этого рабочие частоты диода доходят до 3-15 ГГц. На рис. 8.7 показаны схема транзистора с коллектором Шотки и структура такого транзистора в полупроводниковой ИС. В нем алюминиевая металлизация обеспечивает невыпрямляющий контакт с базой типа р, но создает выпрямляющий контакт, т.е. диод Шотки, с коллектором n – типа. При работе такого транзистора в режиме ключа значительно повышается быстродействие.

Рис. 8.7. Транзистор с барьером Шотки

МОП-транзисторы все больше вытесняют в ИС биполярные транзисторы. Это объясняется важными преимуществами МОП-транзисторов, в частности их высоким входным сопротивлением и простотой технологии. Особенно просто изготовляются МОП-транзисторы с индуцированным каналом. Для них в кристалле р-типа надо лишь создать методом диффузии п⁺-области истока и стока (рис. 8.8). На переходах между этими областями и под­ложкой поддерживается обратное напряжение, и таким образом осуществляется изоляция транзисторов от кристалла и друг от друга. Аналогичной является изоля­ция канала от кристалла.

Рис. 8.8. МОП-транзистор по­лупроводниковой ИС с индуци­рованным каналом n-типа

На рис. 8.9 изображена в разрезе часть полупроводниковой ИС, соответ­ствующая схеме рис. 8.2, т. е. состоящая из диффузионного конденсатора, транзистора и резистора.

Рис. 8.9. Полупроводниковая ИС