Почему структура БПТ является базовой для исполнения конструкций иных элементов цифровых микросхем?

В полупроводниковых микросхемах в качестве активных приборов применяются биполярные и полевые транзисторы. По определению радиоэлементы полупроводниковых микросхем размещаются в приповерхностном объеме полупроводниковой пластины или в полупроводниковой области, размещенной на диэлектрической подложке.

Приповерхностный объем характеризуется поперечным сечением (структурой) и плоскостными областями, выделенными на поверхности пластины (топология). В структуре приповерхностного объема выделяются слои, отличающиеся совокупностью параметров. Со стороны поверхности пластины этим слоям придаются определенные плоскостные (топологические) формы и размеры. Технологические процессы формирования радиоэлементов в приповерхностном объеме пластин связаны с формированием слоев структуры и придания им топологических форм и размеров для достижения необходимых параметров элементов.

Биполярные транзисторы получили широкое распространение в современной электронике. Наиболее сложная по составу слоев структура БПТ содержит, по крайней мере, два рабочих p-n-перехода (эмиттер-база и коллектор-база). На рисунке показаны две структуры БПТ:

- с коллекторной областью, совмещенной с пластиной;

- с коллекторной областью, отделенной от пластины.

На левом рисунке выделены эмиттерный (2), коллекторный (1), базовый (3) слои структур БПТ. В структуре на правом рисунке присутствуют дополнительные границы (4), разделяющие коллекторы БПТ один от другого и общего несущего основания. Границы выполняют функцию изоляции для транзисторов и могут быть реализованы в виде p-n-перехода, неполярного диэлектрика или их сочетания.

Как видно по рисунку, структура БПТ с изолированными областями коллекторов содержит не менее четырех слоев, включая несущее основание. Для исполнения изолированных диодов и резисторов требуется не более четырех слоев. Поэтому слои изолированных структур БПТ одновременно могут быть применены для исполнения на их основе и других сопутствующих радиоэлементов ИМС. Такое решение является основным в реализации ИМС с БПТ, так как позволяет исключить дополнительное увеличение числа слоев структуры, хотя и ограничивает выбор параметров слоев для радиоэлементов значениями, принятыми для такого прибора, как БПТ.

3. По каким ограничениям выбираются форма и определяются размеры эмиттерных областей биполярных транзисторов микросхем?

Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмиттерной зоной. Для обеспечения необходимого коллекторного тока при минимальном последовательном падении напряжения коллекторный контакт располагают как можно ближе к эмиттерному.

В области средних и больших токов (> 1 мА) существенную роль играет эффект вытеснения тока в эмиттере. Напряжение в любой точке эмиттерного перехода представляет собой разность внешнего напряжения и падения напряжения в объеме базы. Последнее тем выше, чем дальше удалена эта точка от базового контакта. Значит, напряжение в центральной части эмиттера меньше напряжения у его краев и край эмиттера приобретает большее прямое смещение, чем середина его площади, значит, внешние области эмиттера будут работать при больших плотностях тока по сравнению с внутренними. Повышенная плот­ность тока у краев эмиттера приводит к повышенным рекомбинационным потерям носителей в этих областях. Топология мощных транзисторов должна обеспечить максимальное отношение периметра эмиттера к его площади. Например, целесо­образно использовать узкие эмиттеры с большим периметром.

Контактные области выполняются таким образом чтобы не выходили за пределы разрешенных топологических норм: контакт к коллектору равен ширине базы, контакт к базе равен ширине эмиттера.

4. На каком этапе проектирования обеспечивается учет требований по рабочим напряжениям элементов интегральных микросхем?

Одним из значением которым характеризуется структура элементов интегральных микросхем является пробивное напряжение двух p-n переходов: эмиттерного и коллекторного. Если концентрация примесей на обеих сторонах p-n перехода в кремниевых транзисторах меньше 1018 атомов/см3, то при обратном смещении перехода напряжение пробоя определяется началом лавинного умножения. Это происходит, когда в обедненной области электрическое поле достигает такой величины, когда свободные носители приобретают энергию, достаточную для выбивания дополнительных вторичных электронов, те в свою очередь генерируют дополнительные электроны и т. д., что приводит к лавинному увеличению числа свободных носителей.

Пробой может иметь место в результате сужения базы по мере роста коллекторного напряжения из-за увеличения ширины обедненного слоя перехода. Если обедненная область коллекторного перехода расширяется настолько, что переходы транзистора сомкнутся, обеспечивается беспрепятственное прохождение тока между коллектором и эмиттером.

В связи с этим учет требований обеспечивается на этапе формирования структуры технологических слоев.