Конструктивно-технологические варианты исполнения биполярного и полевого транзисторов в одном кристалле. Инжекционно-полевая логика

При изготовлении биполярно-полевой каскодной схемы необходимо создание на одном кристалле биполярного п-р-п- и полевого с л-каналом транзисторов (рис. 4). В этой структуре полевой транзистор имеет кольцевую геометрию, а область канала полевого транзистора изолирована от коллектора биполярного транзистора диффузионными р-п переходами. Нижним затвором служит подложка. Для создания верхнего затвор

а проводится предварительная диффузия примеси бора с высокой поверхностной концентрацией и длительный диффузионный отжиг для заглубления р+-области затвора. Затем проводится диффузия бора с меньшей поверхностной концентрацией и менее длительным временем для формирования базы биполярного транзистора. В результате более высокой концентрации и более длительной диффузии бор в полевом транзисторе диффундирует глубже, чем в биполярном. Области п+-типа эмиттера и омического контакта коллектора биполярного транзистора, стока и истока полевого транзистора образуются одновременно диффузией фосфора.

Рис. 4. Биполярно-полевая структура с изоляцией элементов р-п переходами и n-канальным полевым транзистором: /— диффузионная область базы биполярного транзистора; 2— область изолирующей диффузии; 3— р+-область верхнего затвора полевого транзистора; 4— область канала полевого транзистора

Рис. 5. Биполярно-полевая структура, содержащая ПТУП с вертикальным каналом n-типа: /—область канала ПТУП; 2—р+ -область затвора: 3— скрытый слой; 4— изолирующая р- область', 5—р+ -область пассивной базы; 6— р--область активной базы

Структура, в которой интегрированы малошумящий высокочастотный и-канальный полевой и биполярный n-р-n-транзисторы, изображена на рис. 5. Она отличается от приведенных выше структур тем, что содержит не горизонтальный, а вертикальный полевой транзистор. Важным преимуществом последнего является возможность формирования очень короткого канала и, тем самым, достижения высокого быстродействия.

При изготовлении этой структуры одновременно формируют n+-области эмиттера, контакта к коллектору, стока и истока; р+-область затвора может формироваться или при диффузии активной базы р-типа, или, что более эффективно, при создании заглубленной области р+-типа пассивной базы биполярного транзистора. В целях повышения воспроизводимости параметров структуры диффузия может быть заменена ионной имплантацией.

Вертикальный полевой транзистор при площади истока, равной 250 мкм2, имеет предельную частоту усиления 7 ГГц, напряжение отсечки 2 В, напряжение пробоя исток — затвор 10 В. Следует отметить, что область истока с целью осуществления контакта выполняется шире канала и поэтому перекрывает диффузионные области затвора.

Недостатками такой конструкции полевого транзистора, обусловленными перекрытием затвором области истока, является повышенная емкость затвор — исток и малое напряжение пробоя. Перекрытие может быть исключено с помощью техники самосовмещения, но это требует дополнительных технологических операций. Трудность изготовления на одном кристалле биполярного и полевого с вертикальным каналом транзисторов заключается в выборе оптимального значения сопротивления эпитаксиального слоя, определяющего сопротивление канала и коллектора.

ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРИРОВАННЫЕ БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВЫЕ СТРУКТУРЫ. ИНЖЕКЦИОННО-ПОЛЕВАЯ ЛОГИКА

Функционально-интегрированная структура, содержащая биполярный p-n-p-транзистор VT1 и полевой транзистор с управляющим р-п переходом VT2, показана на рис. 6. В ней совмещены коллекторная область биполярного р-n-транзистора с затворной областью и и-канального полевого транзистора, а также базовая область р-n-р-транзистора с истоковой областью полевого транзистора.

Эта структура является основой нового схемотехнического базиса логических элементов, использующего явление инжекции основных носителей заряда и полевой эффект и названного инжекционно-полевой логикой, выполняет функции инвертора и содержит полевой транзистор в качестве переключательного элемента, а в качестве нагрузочного элемента (генератора тока) — биполярный транзистор. Затвор полевого транзистора служит входом (рис. 6 а, б, в), а сток — выходом инвертора.

Рис. 6. Структура (а), топология (б) и эквивалентная электрическая схема (в) инжекционно-полевого инвертора

Инжекционно-полевой элемент работает следующим образом. Подключение базы и эмиттера р-n-р-транзистора соответственно к земле и к плюсовым электродам цепи питания при подаче на последние напряжения, равного напряжению открывания эмиттерного р-п перехода (0,3 .0,6 В), обеспечивает протекание тока питания между эмиттером и коллектором р-n-р-транзистора. При этом р-n-р-транзистор включен по схеме с общей базой и является генератором постоянного тока, величина которого практически не зависит от напряжения на его коллекторе. Ток питания представляет собой ток неосновных носителей заряда, перемещающихся в базовой области р-n-р-транзистора, являющейся одновременно истоковой областью полевого транзистора. Неосновные носители заряда собираются (коллектируются) р-n переходом затвор — исток.

Полевой транзистор в ИПЛ-инверторе работает в режиме, не характерном для работы полевых транзисторов в традиционных схемах. При нулевом потенциале на входе инвертора (т. е. при замыкании затвора полевого транзистора на «землю», см. рис. 6), соответствующем напряжению логического нуля, полевой переключательный транзистор закрыт, так как его канал перекрыт обедненным слоем объемного заряда р-п перехода затвор — исток и имеет очень высокое сопротивление (рис. 7). Кроме того, обычно напряжение между затвором и истоком, при котором происходит перекрытие канала слоем объемного заряда, имеет отрицательную полярность и составляет несколько вольт. В случае ИПЛ-элемента это напряжение имеет положительную полярность и составляет несколько долей вольта. В самом деле, если гальваническая связь между входом и «землей» отсутствует, то неосновные носители заряда, коллектированные р-n переходом затвор — исток, будут накапливаться в затворной области, пока на ней не установится потенциал, примерно равный напряжению источника питания. При этом р-n переход затвор — исток смещается в прямом направлении и сопротивление канала резко уменьшается вследствие уменьшения слоя объемного заряда. Переключательный полевой транзистор открывается. Напряжение 0,3 .0,6В соответствует напряжению логической «1».

Рис. 7. Структура нормально закрытого полевого n-канального транзистора с управляющим р-п переходом: /— область канала; 2— область объемного заряда; 3— диффузионно-легированная кольцевая р- область затвора; 4— ионно-легированная п+- область стока.

Описанный выше режим работы полевого транзистора не оптимален с точки зрения обеспечения привычных характеристик полевых транзисторов, в частности высокого входного сопротивления, реализуемых в традиционных схемах. Однако такой режим работы является единственно возможным для осуществления работы ИПЛ-инверторов в логических схемах непосредственно друг на друга без промежуточных каскадов и при одном только источнике питания.

 Скачать реферат