ИНТЕГРАЛЬНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР Советский патент 1995 года по МПК H01L29/72 

Изобретение относится к конструкции полупроводниковых приборов, а именно, к конструкции биполярных транзисторов и может быть использовано при проектировании аналоговых и аналого-цифровых базовых матричных кристаллов (БМК).

Целью изобретения является обеспечение программируемости параметров для аналоговых схем.

Сущность настоящего изобретения поясняют чертежи, на которых изображен заявляемый ИБТ; фиг. 1 топология n-p-n-транзистора и фиг.2 разрез этого транзистора.

В дальнейшем описании ИБТ проводится только для n-p-n-транзистора, для p-n-p-транзистора все выводы аналогичные.

На полупроводниковой подложке р-типа проводимости 1 со скрытым n⁺-слоем 2 при помощи разделительных областей р⁺-типа пpоводимости 3 сформирован изолированный карман эпитаксиального слоя n-типа проводимости 4, являющийся коллектором, с подконтактными коллекторными областями 5 n⁺-типа проводимости, эмиттерными областями 7 n⁺-типа проводимостиб базовый областью 6 р-типа проводимости, поверхность эпитаксильного слоя покрыта маскирующим покрытием 8 с контактными окнами 9 и омическими контактами 10.

По каждому из четырех радиальных направления (n 4) расположено по одной эмиттерной области (m 1) симметрично относительно пятой центрально расположенной эмиттерной области.

Между контактами к эмиттерным областям по 4 радиальным направлениям расположено по одному контакту к базовой области. По периферии коллекторной области симметрично расположены 4 контакта к коллекторной области, удаленные друг от друга на расстояние, большее удвоенной ширины коммутирующей шины, и удаленные от базовой области на расстояние, большее ширины коммутирующей шины.

Интегральный биполярный транзистор работает известным образом, однако имеет следующие особенности функционирования.

Во-первых, формирование в базовой области р-типа проводимости нескольких эмиттерных областей n⁺-типа проводимости позволяет, соединяя их соответствующим образом, осуществляют масштабирование тока в токовых зеркалах, смещать область работоспособности транзистора в область больших или малых токов. Формирование эмиттера из нескольких соединенных между собой областей позволяет существенно увеличить отношение периметра эмиттера к его площади и т. о. уменьшив эффект оттеснения тока при его больших значениях, значительно улучшить частотные свойства, увеличить граничную частоту усиления.

Во-вторых, расположение эмиттерных областей по радиальным направлениям, между которыми расположены контакты к базовой области, позволяет уменьшить сопротивление базовой области для эмиттерных областей n⁺-типа, особенно для центрально расположенной области, по сравнению со структурами ИБТ с меньшим количеством базовых контактов.

Известно, что одной из составляющих шума является дробовой шум, вызываемый объемным сопротивлением базы. Среднеквадратическое значение шумового напряжения U_ш. обусловленного этой причиной, равно
U 4KT·Δf·R_B
(1) где К постоянная Больцмана;
Т абсолютная температура;
R_в объемное сопротивление базовой области;
Δ f полоса частот.

Таким образом, при уменьшении сопротивления базы уменьшаются шумы транзистора.

В-третьих, расположение эмиттерных областей по радиальным направлениям симметрично относительно центральной эмиттерной области обуславливает одинаковые электрические параметры: коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером, напряжение на прямосмещенном эмиттерном переходе для соответствующих эмиттеров. При этом, не изменяя ориентации расположения заявляемого интегрального биполярного транзистора, а только используя соответствующие эмиттеры в различных интегральных биполярных транзисторах, можно максимально согласовать электрические характеристики.

В-четвертых, симметричное расположение по периферии коллекторной области контактов к ней на расстоянии друг от друга, большем удвоенной ширины коммутирующей шины, и удаленных от контактов к базовой области на расстояние, большее ширины коммутирующей шины, позволяет одновременно формировать металлизированную разводку к двум соседним подконтактным коллекторным областям, а также к одной эмиттерной и базовой области. При этом возможны различные последовательности расположения выводов: коллектор эмиттер база, коллектор база эмиттер. Так как данные последовательности расположения выводов реализуются с 4 сторон заявляемого интегрального биполярного транзистора, то заявляемое решение наиболее универсально из всех известных для осуществления разводки в БМК.

Таким образом, выполнение эмиттера из m˙n+1 дискретной области, наличие не менее n контактов к области базы и коллектора позволяют только при помощи различных внешних межсоединений осуществлять программирование следующих электрических параметров модели биполярного транзистора Эберса-Молла: сопротивление коллекторной области R_о; сопротивление базовой области R_в; сопротивление эмиттерной области R_Е; емкости эмиттерного перехода С_Е; обратного тока насыщения эмиттерного перехода I_ES, т.е. практически всех статических и динамических электрических параметров транзистора.

Программирование указанных электрических параметров модели Эберса-Молла усложняет трассировку межсоединений, однако может быть полезным, если на одном БМК нужно сформировать различные аналогичные устройства:
логарифмирующие и антилогарифмирующие схемы, погрешность которых уменьшается при малых R_D, R_E;
ключевые схемы с малым остаточным напряжением во включенном состоянии, определяемом R_E, R_C;
малошумящие схемы, шумы которых определяются R_B;
токовые зеркала, масштабирование тока в которых осуществляется путем масштабирования I_ES;
высокочастотные и низкочастотные схемы.

Увеличенная полоса пропускания достигается в высокочастотных схемах благодаря большой граничной частоте усиления f_т и малым емкостям. Однако такие высокочастотные транзисторы очень склонны к самовозбуждению, которое можно устранить либо введением специальных цепей коррекции, либо переходом на низкочастотную элементную базу с более низким f_т. Таким образом масштабирование f_т и дает возможность одновременно создавать высокочастотные и низкочастотные схемы без дополнительных корректирующих цепей.

Изобретение поясняется следующим примером конкретной реализации.

На полупроводниковой подложке КДБ 19 р-типа проводимости толщиной 380 мкм, диаметром 76 мм, удельным сопротивлением 10 Ом˙см и ориентацией (100) был выращен эпитаксиальный слой n⁺-типа проводимости толщиной 5,0 мкм и удельным сопротивлением 1 Ом˙см, путем легирования сурьмой сформирован скрытый слой n⁺-типа проводимости толщиной 5,0 мкм и поверхностным сопротивлением 25 Ом/□. В эпитаксиальном слое разделительной диффузией с R_S 400 Ом/□ сформированы изолирующие области р-типа проводимости, смыкающиеся с подложкой и образующие изолированную область n-типа проводимости, являющуюся коллектором. В ней сформирована базовая область р-типа проводимости и область р⁺-типа проводимости толщиной ≈ 1,2 мкм и ≈ 0,6 мкм, и поверхностным сопротивлением 700 Ом/□ и 200 Ом/□ соответственно, и сформирована эмиттерная и подконтактные области n⁺-типа проводимости глубиной ≈ 0,7 мкм и ≈ 4,2 мкм, и поверхностным сопротивлением 28 Ом/□ и 25 Ом/□ соответственно.

Было сформировано два ИБТ. ИБТ в соответствии с настоящим решением имел пять эмиттерных областей и четырех контакта к базовой и коллекторной областям, аналогично представленной на фиг. 1. Размер дискретной области эмиттера составлял 8х8 мкм, ширина коммутирующей шины 5 мкм, расстояние между коллекторными контактами 30 мкм, а от коллекторного контакта до базового 16 мкм.

ИБТ в соответствии с прототипом имел одну эмиттерную область размером 8х8 мкм, два контакта к базовой области размером 4х10 мкм на расстоянии 8 мкм от контакта к эмиттерной области, две подконтактные коллекторные области, окна к которым находились на расстоянии 16 мкм от окон к базовой области.

Для транзисторов измерялись следующие параметры:
модуль коэффициента передачи тока |h_21е| на высокой частоте при токе эмиттера I_E 10 ма и напряжении U_св 5,0 В (в настоящем решении все эмиттеры соединены), на частоте 100 МГц;
сопротивление базовой области по отклонению зависимости тока коллектора от экспоненты на специально изготовленном пульте в режиме U_св= 0; I_E 1,0 мА для прототипа оба базовых контакта были закорочены для настоящего решения все базовые контакты были закорочены;
зависимость коэффициента усиления тока h_21е от тока эмиттера I_Е.

Результаты измерения для 10 приборов (зависимости усреднены) приведены в табл.1, 2.

Приведенные в таблице результаты показывают, что настоящее решение и прототипа обладают практически одинаковыми значениями h и R_В, а следовательно частотными и шумовыми свойствами.

Но в отличие от прототипа настоящее решение за счет соединения различного количества эмиттеров позволяет сдвигать максимум коэффициента усиления h_21е в требуемую область рабочих токов эмиттера и масштабировать известным образом токи в токовых зеркала. Это обеспечивает расширение функциональных возможностей нстоящего решения по сравнению с прототипом.

Использование: проектирование аналоговых и аналого-цифровых базовых матричных кристаллов на основе биполярных транзисторов, обеспечивающих программируемость параметров для аналоговых схем. Сущность изобретения: по каждому из радиальных направлений расположены по одной эмиттерной области симметрично относительно центрально расположенной области. Между контактами к эмиттерным областям расположены по одному контакту к базовой области. По периферии коллекторной области симметрично расположены контакты к коллекторной области на определенном расстоянии друг от друга и от базовой области. 1 з.п.-флы, 2 ил., 2 табл.

1. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР, содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости с изолированными областями второго типа проводимости, в которой сформированы области базы, коллектора и эмиттера с омическими контактами, коммутирующие шины, отличающийся тем, что, с целью обеспечения программируемости параметров для аналоговых схем, эмиттер выполнен в виде (m · n + 1) дискретных областей, где m 1,2,3,n 1,2,3, одна из которых расположена в центре, а остальные по n-радиальным направлениям симметрично относительно центра эмиттера, к каждой из которых сформированы омические контакты, и между ними по радиальным направлениям расположено не менее n омических контактов к области базы, а по периферии коллекторной области симметрично относительно контактов к эмиттерным областям расположено не менее n омических контактов к коллекторной области. 2. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что, с целью улучшения трассировки внутрисхемных соединений, омические контакты к коллекторной области расположены на расстоянии, большем удвоенной ширины коммутирующей шины и удалены от контактов к базовой области на расстояние, превышающее ширину коммутирующей шины.