Глава II. Компоненты элементов цифровых устройств. 15 Глава II. Компоненты элементов цифровых устройств.

Электронные схемы представляют собой некоторую совокупность определенным образом соединенных компонентов. Эти компоненты являются простейшими функциональными приборами, оказывающими влияние на электрические сигналы. Если синусоидальный сигнал, пройдя через какой-либо компонент, усиливается по мощности, напряжению или току или изменяет свою форму, то такой компонент называют активным; компонент, не усиливающий синусоидальный сигнал и не изменяющий его форму, называют пассивным. Все разновидности транзисторов, диодов, нелинейных резисторов относятся к активным компонентам, линейные резисторы, конденсаторы и индуктивности – к пассивным компонентам.

Компоненты, выполняемые в виде самостоятельных в функциональном и конструктивном смысле приборов, называют дискретными. Компоненты, которые входят в состав интегральных схем и не могут быть выделенными из нее в качестве самостоятельного элемента, называют интегральными. Так как активные компоненты по сравнению с пассивными имеют значительно меньшую площадь на кристалле полупроводника, на котором выполняются интегральные схемы, то оптимизация интегральной схемы при прочих равных условиях состоит в уменьшении числа пассивных компонентов.

2.1 Активные элементы.

2.1.1 Биполярные транзисторы интегральных микросхем.

Устройство, принцип действия, электрические характеристики и параметры биполярных транзисторов интегральных микросхем такие же как и у дискретных транзисторов. Биполярные транзисторы микросхем подразделяются на бескорпусные транзисторы гибридных микросхем и интегрированные в общей подложке транзисторы полупроводниковых микросхем. Полупроводниковые структуры бескорпусных транзисторов аналогичны структурам транзисторов того же назначения, заключенными в корпус. Структуры транзисторов полупроводниковых микросхем имеют существенные отличия.

По технологическим и ряду других причин, связанных с электрофизическими параметрами полупроводниковых материалов, в микросхемах используют только кремневые биполярные транзисторы. Наиболее широко применяют n-p-n транзисторы, так как вследствие большей подвижности электронов в базе они имеют лучшие электрические параметры – более высокие граничные частоты и быстродействие.

2.1.2 Особенности структур биполярных транзисторов.

Главные различия структур биполярных транзисторов полупроводниковых микросхем и дискретных транзисторов заключается в том, что первые содержат дополнительные области, изолирующие их от общей полупроводниковой подложки, и все выводы от областей транзистора располагаются в одной плоскости на поверхности подложки. Такая структура называется планарной. Она позволяет соединять транзисторы между собой и другими элементами микросхем пленочными металлическими проводниками, формируемые на той же поверхности рис 2.1. Кроме того, к структурам биполярных транзисторов предъявляется специфическое требование – площадь, занимаемая ими на полупроводниковой подложке, должна быть минимально возможной для повышения плотности упаковки элементов и увеличения степени интеграции. Конструкция и технология изготовления транзисторов должна обеспечить возможность о дновременно создавать и другие элементы (диоды, резисторы,

конденсаторы) на основе аналогичных полупроводниковых слоев, используемых при формировании эмиттерной, базовой и коллекторной областей транзистора.

Конструкции биполярных транзисторов различают по способам изоляции. В первых микросхемах наибольшее распространение получили эпитаксиально-планарные транзисторы с изоляцией p-n переходами. Основное достоинство этого метода изоляции – простота технологии формирования изолирующих областей р⁺-типа. Для их создания применяют такие же технологические процессы (фотолитография, диффузия примесей), что и для получения основных областей транзистора – базовой и эмиттерной. Однако изоляция p-n переходом не является совершенной: обратный ток этого перехода резко увеличивается при повышении температуры и под воздействием ионизирующего облучения. Кроме того, изолирующие области р⁺-типа занимают значительную площадь кристалла, так как их ширина должна быть больше толщины эпитаксиального слоя. Ряд параметров такого транзистора хуже, чем дискретного: выше сопротивление коллекторной области, имеется ток утечки в подложку, ниже граничная частота и быстродействие из-за влияния барьерной емкости изолирующего p-n-перехода.

Биполярные транзисторы являются наиболее сложными элементами биполярных микросхем, так как их структура содержит наибольшее число областей с различным типом проводимости. Другие элементы (диоды, резисторы) создаются одновременно с транзисторами в едином технологическом процессе. Поэтому для них использую аналогичные полупроводниковые области, которые принято называть в соответствии с областями транзистора. Так, на основе базового слоя получают резисторы. Эти элементы размещают в специальных карманах, т.е. изолируют от подложки тем же способом, что и транзисторы.

Наряду с биполярными транзисторами, изолированными p-n-переходом, применяют биполярные транзисторы с диэлектрической изоляцией. Основные отличия структуры такого транзистора от рассмотренной выше, состоят в том, что транзистор размещают в кармане, изолированном со всех сторон от подложки из поликристаллического кремния тонким диэлектрическим слоем диоксида кремния рис. 2.3. Качество такой изоляции значительно выше, так как токи утечки диэлектрика намного порядков меньше, чем p-n-перехода при обратном напряжении, удельная емкость диэлектрической изоляции меньше, поскольку диэлектрическая проницаемость диоксида кремния приблизительно в 3 раза ниже, чем кремния, а толщина диэлектрического слоя может быть выбрана больше т олщины изолирующего p-n-перехода.

Однако биполярные микросхемы с диэлектрической изоляцией не получили широкого применения вследствие сложной технологии создания карманов и малой степени интеграции. Их достоинствами является повышенная радиационная стойкость. У эпитаксиально-планарных транзисторов токи утечки изолирующих p-n-переходов резко возрастают при воздействии ионизирующего излучения, вызывающего генерацию большого числа неосновных носителей. Ток утечки диэлектрика при этом остается пренебрежимо малым. Уменьшаются и токи утечки коллекторных p-n-переходов, так как основная масса неосновных носителей генерируется за пределами карманов и не может достичь этих переходов.