Главная  Журналы 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 [ 25 ] 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47

ток /g определяется базовым током ключевого л+-р-л-транзис-тора и эмиттерным током паразитного р-л-р-транзистора.

Для уменьшения эмиттерного тока паразитного р-л-р-транзистора используется ряд конструкторских решений. Например, в л"-р-л-транзисторе с однородной коллекторной л-областью не-

Б h


Рис. 4.2.15. Структура интегрального п-р-п-транзнстора, включенного по схеме с общим эмиттером (а), его двухтранзисторная модель (б) и упрощенная

эквивалентная схема (в)

обходимо выбирать толщину этой области больше диффузионной длины дырок iLpK- В этом случае снижается градиент концентрации дырок в л-области, определяющий значение дырочного тока (сравните выражения для токов в транзисторе и диоде с длинной базой). Эмлттерный р-л-переход р-л-р-транзистора работает как диод, так как при Wk>,Lpk транзисторный эффект проявляется очень слабо. Существенное снижение входного тока паразитного р-л-р-транзистора достигается также применением скрытого Л+-СЛОЯ, так :как л+-л-переход выполняет роль «отражающего» перехода для дырок, инжектированных в область коллектора. Если в паразитной р-п-р-структуре слабо проявляется транзисторный эффект, то влияние перехода коллектор-подложка на работу ключевого л+-р-л-транзистора можно отобраз1ить в виде цепочки, состоящей из закрытого диода и конденсатора с барьерной емкостью перехода .коллектор-подложка Сюг (рис. 4.2.15,6). При работе ключевого л+-р-л-транзистора в нормальном режиме оба перехода паразитного р-л-р-транзистора заперты. Емкость Скд влияет на длительность переходных процессов в транзисторном ключе.

Режим переключения. Быстродействие биполярного транзистора при работе в ключевом режиме определяется длительностями таких процессов, как заряд и разряд барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного р-л-переходов, перенос неосновных носителей через область активной базы, накопление и рассасывание неосновных носителей в полупроводниковых областях конструкции транзистора.

В схеме ключа, изображенной па рис. 4.2.12, выделены емкости переходов Сэ, Ск, емкость нагрузки Сн-Сн-ЬСют, через которые протекают зарядные токи Ic{t), /ск(0> с» (О, и идеализирован»

ная транзисторная структура, в области которой накапливаются (или рассасываются) заряды неосновных носителей под действием тока /б (О- В процессе переключения транзисторного ключа последовательно изменяются режимы работы транзистора (рис. 4.2.13): режим отсечки (или начальная граница активного режима) (/), активный режим ( ), режим насыщения ( /). (Включение: 1->П->111; выключение: /- -/).

На рис. 4.2.16 изображена диаграмма распределения концентраций неосновных носителей в областях транзисторной структуры. Заряд неосновных носителей в активной области базы транзисто-

ffSa г

Поолетм-е/уштай

эдс

Рис. 4.2.16. Диаграммы распределения l/ibdi) концентраций неравновесных неоснов- i ных носителей в областях биполярного 5

транзистора: я -активная область транзистора; б - пассивная область базы {I), торцевая (2) и боковая (3) периферийные области коллектора

Рис. 4.2.17. Временные диаграммы рабо- „

ты транзисторного ключа: я - входное напряжение: б - входной ток; в - напряжение эмиттерного пе-рехода; г - коллекторный ток; 2 - вы- - ходное напряжение; е-полный заряд s !и неосновных носителей в областях тран- зисторной структуры

ра Qoar соответствует границе перехода транзистора из режима

в режим / при /б (0=/б г = /кнас/5ст, а AQoa. Qua и Окбп СО-

ответствуют зарядам, накопленным в активных и периферийных областях базы и коллектора при работе транзистора в режиме /, когда /б (0>/бг- При высокой эффективности эмиттерного перехода малый заряд неосновных носителей в области эмиттера обычно не учитывается при анализе быстродействия нормально включенного транзистора.




Из временных диаграмм работы транзисторного -ключа (рис. 4.2.17) видно, что в момрнт времени =0 на вход транзистора подается скачок тока 1вх1~и\х/Яб, который в интервале времени t*sn практически полностью расходуется на заряд емкостей Сэ и Ск, так как ток инжекции эмиттера очень мал до тех пор, пока напряжение не достигнет порогового t7nop~ + (0,5 ... 0,6.) В.

Пороговому напряжению t/nop соответствует незначительное изменение выходного напряжения ключа А/вых/вых=/к/?н/вык~ = 0,01... 0,03 (см. рис. 4.2.17,5). Интервал зд называется задержкой включения и определяется по формуле

э ср

пор)

(4.2.50)

где Сэ ср, Ск ср - средние емкости эмиттерного и коллекторного переходов. Средняя емкость - это такая емкость, которая при изменении напряжения на переходе от одного фиксированного уровня Ui до другого U2 накапливает такой же заряд, как и фактическая емкость перехода, зависящая от напряжения:

q=CiU,-U,) = fc{U)dU.

Задержка включения зд уменьшается при уменьшении емкостей переходов и увеличении входного тока /вх ь

В процессе формирования фронта включения """ф транзистор работает в режиме . В этом случае происходит интенсивное изменение тока коллектора /к() и выходного напряжения Uubixit), а входное напряжение практически не изменяется. Входной ток расходуется на перезаряд емкости Ск и рекомбинацию неосновных носителей, инжектированных в базу транзистора: 1вх1~!с (0 + -f/jji (t). Емкость Сн разряжается коллекторным током открывающегося транзистора. Формирование фронта заканчивается на границе между активным режимом и режимом насыщения, когда

(0=-БГ, q6{i)=qor, /к(0 =-Кнас = 5ст/Бг, ПричеМ / бг!<

</вх1. Длительность фронта включения пропорциональна постоянной времени т=тпб+(Ск5ст+Сн)/?н. Емкость коллекторного перехода оказывает на длительность фронта включения значительно большее влияние, чем емкость нагрузки Сн. Это обусловлено тем, что Сп разряжается током коллектора, а С,; перезаряжается значительно меньшим входным током.

Так как /вх1>/бг то при >-зд-f транзистор переходит в режим насыщения. Происходит дальнейшее накопление заряда неосновных носителей в областях базы и коллектора (AQoa, qua и (5кбп на рис. 4.2.16). Длительность процесса накопления цак зависит от степени насыщения транзистора /Снас==/вх i br и особенностей конструкции коллекторной области. В дрейфовых планарных транзисторах обычно Скбп>Ска+АСба, так как объемы периферийных областей коллектора и пассивной базы значительно боль-

ше объемов базы и коллектора в активной зоне транзистора (см. рис. 4.2.3). При "зд+Ф+W наступает установившийся режим насыщения.

В момент t=x входное напряжение изменяется от t/вк до и°зх- При этом входной ток изменяет свое направление. Из базы транзистора вытекает ток -/вхг- В интервале времени ~зд==рас этот ток обусловлен в основном процессами рассасывания зарядов неосновных носителей в периферийных областях базы и коллектора. На эмиттерном переходе действует послеинжекционная ЭДС. Ток -/вх2 определяется величиной этой ЭДС, входным на-иряжением U°bx и сопротивлением резистора Кб. До тех пор пока транзистор не выйдет из режима насыщения (АСба + Ска + Скбп> >0), коллекторный ток /к(О практически равен току /кнас- Процесс рассасывания заканчивается при АСба+Ска+Ск5 п~0, Qaa -

Длительность процесса рассасывания определяет задержку выключения транзисторного ключа /зд, которая зависит от величины заряда неосновных носителей, накопленного при работе транзистора в режиме насыщения. В быстродействующих транзисторах с целью уменьшения "зд применяется легирование полупроводниковых областей золотом. Примесные атомы золота создают рекомбинационные центры, снижающие время жизни неосновных носителей трк (в коллекторе) и Тпб (в базе) и, следовательно, диффузионные длины Ьрк и L„6- Так как в быстродействующих транзисторах 6=0,5... 1,0 мкм, то снижение L„6 незначительно влияет на усилительные свойства транзистора. В то же время в активной и периферийной областях коллектора и в пассивной области базы накапливаются небольшие заряды, повышается скорость рекомбинации неравновесных носителей заряда при малых временах жизни и соответственно снижается "зд=pac•

Длительность фронта выключения ключа -ф соответствует активному режиму работы транзистора. В этом случае завершается процесс рассасывания неосновных носителей в активной базе транзистора, перезаряд емкости Ск и заряд емкости Сн- Входной ток/вх2~-Б2 U)+IcK {t). Коллекторный ток /к(0 уменьшается в связи с уменьшением тока /2 (t)- При этом напряжение на коллекторе увеличивается от .°вых до t/вых. Заряд емкости Сн через резистор Ru может затягивать длительность фронта выключения транзистора при Сн>СкВст, так как она пропорциональна эквивалентной постоянной времени т==Тпб+(Ск5ст+Сн)?н.

Для повышения быстродействия цифровых полупроводниковых ИС используются конструкции планарных транзисторов с малыми емкостями переходов, минимально возможными объемами полупроводниковых областей, в которых накапливаются заряды неосновных носителей и низкими уровнями легирования этих областей для уменьшения накопленных зарядов. Низкоомные нагрузочные резисторы (i?H~0,5...1 кОм) обеспечивают малую степень насыщения транзисторов, -малые перепады напряжений, повышенные токи, перезаряжающие емкости переходов [см (4.2.50)].



§ 4.3. Конструкции диодов полупроводниковых ИС

Диоды широко применяются в логических ИС в качестве элементов, выполняющих элеменгарные логические функциональные преобразования, элементов смещения (сдвига уровня на величину напряжения открытого р-«-перехода Uup - OJ В), элементов развязки и т. л. Используется в основном две разновидности диодов: диоды с р-«-переходом и диоды с барьером Шотки.

Конкретная конструкция диода определяется требованиями к его вольт-амперной характеристике и электрическим параметрам. Основными электрическими параметрами диода являются: прямое напряжение t/np при заданном прямом токе /др, обратный ток /обр при заданном обратном напряжении t/osp, максимально допустимое обратное напряжение t/обртах, время восстановления дпода при переключении из открытого состояния в закрытое /вое, емкость диода Сд.

Диоды с р - «-переходом. Чтобы упростить технологию изготовления и снизить стоимость ИС диоды формируют на основе переходов транзисторной структуры. Схемные изображения и структу-)ы шести разновидностей диодов показаны на рис. 4.3.1,а,б. Лтриховыми линиями обозначены паразитные р-«-р-транзисто-ры, отражающие активное влияние подложки в структурах, изолированных р-«-переходом. При изоляции диэлектриком подложка оказывает только пассивное влияние на сформированный диод.

Из рис. 4.3.1,6 видно, что диоды полупроводниковых ИС являются трехполюсными приборами (третий полюс - вывод подложки). Трехполюсные структуры наглядно изображены на рис. 4.3.1,е. Там же показано распределение концентрации неосновных носителей в областях структуры, на основе которой сформирован диод, при прямом смещении диода. Рис. 4.3.1,г и д иллюстрируют влияние емкостей р-«-переходов структуры на емкость диода Сд и паразитную емкость диода на подложку Сдп при различных вариантах формирования диодов.

В конструкции диода / используется эмитгерный р-«-переход транзисторной структуры при короткозамкнутом коллекторном переходе (t/j3 =0), в конструкции -параллельное соединение эмиттерного и коллекторного переходов Фэ =0, так как эмиттер соединен с коллектором), в конструкции / диод формируется на основе коллекторного перехода при короткозамкнутом эмит-терном переходе (/эб=0), s конструкции IV роль диода выполняет эмиттерный переход при свободно.м коллекторе (/к=0); в конструкции V, наоборот, роль диода выполняет коллекторный переход при свободном эмиттере (/э=0); в конструкции VI эмиттер отсутствует, а диод сформирован также на основе коллекторного перехода, что позволяет уменьшить размеры базовой р-обла-сти структуры и соответственно емкости переходов.

Сравним конструкции диодов по основным параметрам.

Прямое напряжение t/np определяется напряжением на р-,«-переходе и падением напряжения на сопротивлениях областей

транзисторной структуры (сопротивления базы го и коллектора Гтк), которое сравнимо с напряжением на переходе при токах в единицы - десятки миллиампер. При малых токах t/np определяется напряжением на р-«-переходе. Прямое напряжение t/np при заданном уровне тока зависит от тока насыщения /«:

t/np = ф,ln(/дp , + l).

Ток насыщения обычного диода определяется отношениями концентрации неосновных носителей к соответствующим диффузионным длинам [см. (4.2.18)]. В транзисторной структуре токи насыщения переходов в основном определяются отношением концент-

.А .

с, с.




эу\н

3 « кг

° 1 г 1М

° I 1 If-

Рис. 4.3.1. Диоды полупроводниковых ИС: а - электрические схемы; б -структуры; е - распределения концентраций неосновных носителей при прямом смещении; г - упрощенные структуры с барьерными емкостями р-«-переходов; 5 - электрические схемы с учетом емкостей

р-«-переходов





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 [ 25 ] 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47