БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР Российский патент 2001 года по МПК H01L29/72 

Изобретение относится к полупроводниковой микроэлектронике и наноэлектронике и может быть использовано при создании интегральных схем с элементами субмикронных и нанометровых размеров, особенно в тех случаях, когда требуется обеспечить высокую плотность размещения элементов в сочетании с высокой плотностью их выходного тока при низких напряжениях питания.

Известны конструкции биполярных транзисторов [1]. Они содержат полупроводниковую подложку, в которой сформированы высоколегированные области коллектора и эмиттера одного типа проводимости и высоколегированная базовая область другого типа проводимости. Однако элементы на них сложны, потребляют большую мощность и не позволяют достичь высокой плотности размещения на кристалле интегральной схемы.

Известны конструкции биполярных npn-транзисторов и pnp-транзисторов [2], используемых в интегральных схемах. Они содержат полупроводниковую подложку, в которой сформированы высоколегированные области коллектора и эмиттера одного типа проводимости, высоколегированные пассивные базовые области другого типа проводимости и активные базы. Существенным недостатком таких биполярных транзисторов является необходимость формировать два различных типа приборов на кристалле: npn-транзистор и pnp-транзистор. Это существенно усложняет технологию их изготовления, особенно при переходе к размерам в десятые доли микрона и менее. Кроме того, для устранения пробоя эмиттер-коллектор необходима высокая степень концентрации легирующей примеси в активной базе, а это увеличивает контактную разность потенциалов перехода эмиттер-база и при низких напряжениях питания (например при 0.5 В) у них снижается плотность тока (ниже 10Е2 А/см²).

Цель данного изобретения состоит в создании биполярного транзистора, который может использоваться в качестве npn- и pnp-транзистора и обеспечивает высокую плотность выходного тока при низких напряжениях питания.

Предлагается в известной конструкции биполярного транзистора, содержащей полупроводниковую подложку, в которой сформированы высоколегированные области коллектора и эмиттера и высоколегированные пассивные базовые области, активную базу выполнить в виде слоя полупроводника, проводимость которого близка к собственной проводимости полупроводника, причем ширину базы сделать равной ее толщине. Поскольку тип проводимости активной базы не определен, то она может быть как базой npn- так и pnp-транзистора. Действительно, если в качестве эмиттера и коллектора использовать высоколегированные области n-типа проводимости, то область собственного полупроводника становится базой npn-транзистора, у которого высоколегированные области p-типа проводимости являются контактами к базе. И наоборот, если в качестве эмиттера и коллектора использовать высоколегированные области p-типа проводимости, то область собственного полупроводника становится базой pnp-транзистора. Причем примерное равенство толщины и ширины активной базы предотвращает явления прокола эмиттер-коллектор и делает эти транзисторы близкими по характеристикам.

Принципиальным отличием предлагаемой конструкции от прототипа является то, что благодаря нелегированной базе такой биполярный транзистор может служить как npn-транзистором, так и pnp-транзистором за счет простой перекоммутации его контактов. Это позволяет упростить технологию изготовления интегральных схем с элементами субмикронного и нанометрового размера, расширяет функциональные возможности самих транзисторов и обеспечивает высокую плотность размещения элементов. Кроме того, низкая концентрация примесей в активной базе снижает контактную разность потенциалов pn-перехода эмиттер-база, что обеспечивает высокую плотность тока в транзисторах при низких напряжениях питания.

Рисунок иллюстрирует предлагаемую конструкцию биполярного транзистора в планарном варианте.

На чертеже приняты следующие обозначения:
1 - полупроводниковая подложка,
2 - изолирующий слой (может отсутствовать),
3, 5 - высоколегированные области n-типа проводимости,
4 - область активной базы,
6, 7 - высоколегированные области p-типа проводимости,
8 - контакт к области 3,
9, 10 - изолирующие области.

Биполярный транзистор содержит полупроводниковую подложку 1, например, из кремния p-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 1 Е 15 см^-3. (В верхней части подложки может быть сформирован изолирующий слой 2, тогда биполярный транзистор будет с диэлектрической изоляцией). На подложке размещена высоколегированная область 3 n-типа, например с концентрацией 1 Е 18 см^-3. Выше расположена область активной базы 4 в виде слоя толщиной, скажем, 0.1 мкм с проводимостью, близкой к собственной, скажем π-типа проводимости. В действительности в этом слое присутствует фоновая легирующая примесь, но для работы предлагаемого прибора достаточно, чтобы ее концентрация была на несколько порядков ниже концентрации высоколегированных областей и по крайней мере не превышала 1 Е 14 см^-3, что легко достигается на практике. Над областью 4 размещена вторая высоколегированная область 5 n-типа проводимости (1 Е 18 см^-3). Две высоколегированные области p-типа проводимости (концентрация 1-10 Е 18 см^-3) 6 и 7 ограничивают горизонтальный размер области 4, так что ее ширина порядка толщины слоя. Для контакта нижней области 3 с поверхностью служит дополнительная высоколегированная область 8. На поверхности кристалла границы областей 5 и 6, 5 и 7, 7 и 8 покрыты изолирующими областями 9. Для боковой изоляции транзистора от остальной части кристалла используются изолирующие области 10. Для изоляции транзистора от подложки служит изолирующая область 2, но может быть использована изоляция pn-переходом, образованным подложкой 1 и областью 3.

Рассмотрим работу предлагаемого биполярного транзистора.

При нулевых потенциалах на областях 3, 5, 6 и 7 транзистор находится в равновесии и в активной базе 4 вблизи n-областей 3 и 5 имеются электроны, а вблизи p-областей 6 и 7 - дырки. Вследствие разности работ выхода электронов между n- и p-областями возникает потенциальный барьер порядка 0.5 В, а между ними и областью 4 - барьер порядка 0.25 В. Поэтому при рабочих напряжениях порядка 0.5 В токи через границы областей n-типа и p-типа намного меньше токов через нелегированную область 4. В результате при прямом смещении pn-перехода напряжением порядка 0.5 В в область 4 инжектируются электроны и дырки, а при обратном смещении они из нее извлекаются.

Продемонстрируем работу прибора на примере npn-транзистора, у которого область 5 - эмиттер, область 3 - коллектор, области 6 и 7 - пассивные базы. При подаче коллекторного напряжения (0.5 В на область 3) происходит снижение потенциального барьера в активной базе для электронов, но если на пассивной базе (6 и 7) удерживается нулевой потенциал, то он экранирует поле коллектора и между коллектором и эмиттером ток не протекает. При подаче положительного потенциала на области 6 и 7 в активную базу инжектируются электроны, которые вытягиваются в коллектор, создавая коллекторный ток. Моделирование показывает, что плотность этого тока превышает 10Е4 А/см², что на два порядка выше, чем у прототипа. Инжектированным в базу электронам попасть в базовые контакты препятствует потенциальный барьер и базовый ток на два - три порядка меньше коллекторного, обеспечивая таким образом коэффициент усиления 100 и выше. В результате предлагаемый биполярный транзистор работает как npn-транзистор с высокой плотностью выходного тока и с высоким коэффициентом усиления при низких напряжениях питания. Изменением управляющих напряжений можно превратить структуру в pnp-транзистор, у которого, например, область 6 - эмиттер, область 7 - коллектор, а области 3 и 5 - базовые контакты.

Таким образом, предлагаемая конструкция биполярного транзистора может использоваться в качестве npn- и pnp-транистора и обеспечивает высокую плотность выходного тока при низких напряжениях питания.

Источники информации
1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984, с. 192-194.

2. Onai T. et all, Self-Aligned Complementary Bipolar Technology for Low-Power Dissipation and Ultra-High-Speed LSI's IEEE Transactions on Electron Devices, v. 42, N 3, March 1995, p. 413.

Использование: полупроводниковая микроэлектроника и наноэлектроника, при создании интегральных схем с элементами субмикронных и нанометровых размеров. Сущность изобретения: предлагается в известной конструкции биполярного транзистора, содержащей полупроводниковую подложку, в которой сформированы высоколегированные области коллектора и эмиттера и высоколегированные пассивные базовые области, активную базу выполнить в виде слоя полупроводника, проводимость которого близка к собственной проводимости полупроводника, причем ширину активной базы сделать равной ее толщине. Техническим результатом изобретения является создание биполярного транзистора, который может использоваться в качестве npn- и pnp-транзистора и обеспечивает высокую плотность выходного тока при низких напряжениях питания. 1 ил.

Биполярный транзистор, содержащий полупроводниковую под ложку, в которой сформированы высоколегированные области коллектора, эмиттера одного типа проводимости, высоколегированные пассивные базовые области противоположного типа проводимости и активная база, отличающийся тем, что активная база имеет проводимость, близкую к собственной проводимости полупроводника, а ее ширина и толщина одинаковы.