Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

Подождите немного. Документ загружается.

212

Гл. 2. Биполярные транзисторы

Базовый элемент И

Л (см. рис. 2.27 в) представляет собой ком-

бинацию горизонтального р-п-р-транзистора (так называемого

инжектора) VT1 и вертикального п-р-п- (усилительного) тран-

зистора VT2, который обычно делается многоколлекторным для

реализации необходимых логических функций с помощью «про-

водного ИЛИ». Усилительный транзистор имеет «скрытый» эмит-

тер, сильно легированный коллектор и базу, профиль легиро-

вания которой (для создания тянущего электрического поля)

создают ионной имплантацией (см. рис. 2.22 и его обсуждение

в тексте). При подаче на эмиттерный переход р-п-р-транзистора

прямого смещения инжектируемые из р

-области дырки попа-

дают в р-область, которая одновременно является коллектором

транзистора VT1 и базой транзистора VT2. Эти дырки создают

в базе п-р-п-транзистора заряд, вызывающий открывание этого

транзистора, если только вывод базы транзистора не соединен

с общим проводом через выход какого-либо другого логиче-

ского элемента. Поскольку р-п-р-транзистор включен по схе-

ме с ОБ и имеет высокое выходное сопротивление, его можно

рассматривать как генератор тока, что позволяет изобразить

эквивалентную схему логического элемента в виде, показанном

на рис. 2.27 6. Если вход такого элемента замкнуть на общий

провод (например, через открытый транзистор другого логиче-

ского элемента), то транзистор VT2 закроется и на его выходах

(к которым подключаются входы других логических элементов)

установится состояние логической 1. При разомкнутом входе

ток, втекающий в базу п-р-п-транзистора из инжектора, под-

держивает транзистор в открытом состоянии и потенциал его

коллекторов близок к нулю (состояние логического 0).

Возможности функциональной интеграции элементов в мик-

росхемах И

Л иллюстрирует пример построения ячейки ста-

тического запоминающего устройства, показанный на рис. 2.28.

Такие запоминающие устройства широко используются в ЭВМ.

Для подачи смещения на все усилительные транзисторы в ячейке

используется один общий инжектор — область рз, которая со-

здана диффузией в эпитаксиальный слой n-типа. Диффузионная

область pi одновременно служит коллектором горизонтального

транзистора VT3 и базой вертикального транзистора VT2, а

область р2 — коллектором VT4 и базой VT1. Эмиттерами тран-

зисторов VT1 и VT2 является скрытая п'

-область, расположен-

ная под эпитаксиальным слоем; контакт к этому слою образует

горизонтальная полоска, обозначенная которая подклю-

чается к адресной шине АШ. Перекрестные связи между кол-

лекторами и базами транзисторов VT1 и VT2 осуществляют дье

2.8. Элементы интегральных схем на биполярных транзисторах 213

'Горизонтальные заштрихованные перемычки. Вторые коллекто-

транзисторов, расположенные в центрах областей р\ и рг

помеченные п

, являются выходами ячейки и подключают-

сяк разрядным шинам РШ. Плотность упаковки элементов в

запоминающем устройстве на самом деле еще выше, поскольку

«дин инжектор (область рз) используется одновременно для по-

ддачи смещения в две соседние ячейки памяти (вторая из них,

^геометрически расположенная левее инжектора, на рис. 2.28 не

«оказана).

: г

• ^

лг \

Г,:.

^ С

$«:. 2.28. Топология (а) и электрическая схема (б) ячейки запоминающего

устройства на основе И

Л-вентилей [157]

" Дальнейшее повышение плотности упаковки и быстродействия

микросхем И

Л связано с двумя изменениями в их конструкции [157]:

1), использованием подложки р-типа г качестве инжектора (такие

структуры, называемые SFL (substrate fed logic), позволяют увеличить

Плотность упаковки в 2-3 раза за счет уменьшения числа межэлемент-

ных соединений на поверхности кристалла) и 2) применением диодов

Шоттки в качестве развязывающих и шунтирующих элементов. Развяз-

ка выходов логического элемента с помощью диодов Шоттки позволяет

исключить необходимость создания многоколлекторных транзисторов,

а уменьшение напряжения логического перепада до 150-350 мВ поз-

воляет в 2-3 раза уменьшить динамическую мощность рассеяния (см.

п. 4.2) и соответственно увеличить быстродействие. Использование

фиксирующих диодов Шоттки (см. рис. 2.20) позволяет избежать насы-

щения усилительных транзисторов и тем самым еще более повышает

быстродействие микросхем.

Логические элементы И

Л нашли широкое применение при

создании цифровых ИС на биполярных транзисторах. В качестве

примера можно привести выпускаемые отечественной промыш-

ленностью микромощные статические запоминающие устройства

серии К541 и микропроцессорные комплекты серий К583, К584.

ИНЖ.

РШ

I VT3

VTl

Гун VT2

РШ

АШ

214

Гл. 2. Биполярные транзисторы

Элементы И

Л обладают достаточно высоким быстродействием;

в современных элементах задержка распространения может до-

стигать 320 пс/вентиль [141], а произведение времени задержки

на среднюю мощность потребления (которое иногда называют

энергией переключения) *) — 0,02 пДж [156].

В случае, когда требуется особенно высокое быстродей-

ствие, используются логические ИС эмиттерно-связанной логики

(ЭСЛ), базовая ячейка которых представляет собой управля-

емый переключатель тока [136]. Работа транзисторов в этих

микросхемах в режиме, исключающем насыщение, и небольшой

логический перепад напряжений (около 0,6 В) позволяют строить

из таких ячеек наиболее быстродействующие ИС на биполярных

транзисторах. Так, в 1999 г. задержка распространения сигнала

в микросхемах ЭСЛ, в которых использовались гетеропереход-

ные (НВТ) транзисторы Si/Sij-^Ge^ с размерами эмиттера 2х

х0,2 мкм, достигла 6,7 пс [158]. К сожалению, являясь наиболее

быстродействующими среди биполярных логических ИС, микро-

схемы ЭСЛ характеризуются и наиболее высокой потребляемой

мощностью, В настоящее время производство микросхем ЭСЛ

практически свернуто, поскольку более высокие параметры уда-

ется получить на кремниевых ИС, изготовленных по BiCMOS-

технологии (см. с. 283), и на арсенид-галлиевых полевых тран-

зисторах с барьером Шоттки (см. п. 4.3).

') Величина этого произведения может служить оценкой энергии, необхо-

димой для выполнения одной логической операции, и широко используется для

сравнения различных типов микросхем. Например, типичное значение этого

произведения для стандартных микросхем ТТЛ серии SN74 (К155) составляет

100 пДж, для маломощных микросхем ТТЛШ серии SN74ALS (К1533) —

8 пДж, микросхем ЭСЛ серии МС10000 (К500) — 50 пДж. Поэтому сразу

становятся понятными преимущества микросхем И

Л, для которых значение

энергии переключения не превышает 1 пДж [131]-

Глава 3

ТИРИСТОРЫ И ДРУГИЕ

МНОГОСЛОЙНЫЕ СТРУКТУРЫ

3.1. Тиристоры

* Тиристор представляет собой более сложный по сравнению

С'биполярным транзистором прибор, основой которого является

четырехслойная р-п-р-п-структура. Из-за сильного взаимодей-

ствия входящих в эту структуру р-п-р- и п-р-п-транзисторов,

Тиристоры приобретают новое свойство: они обладают биста-

бильными вольт-амперными характеристиками и могут переклю-

чаться из одного состояния в другое. В закрытом состоянии

тиристор выдерживает подачу на него достаточно высокого на-

пряжения (от 100 В до 10 кВ), практически не пропуская при

этом ток, а перейдя в открытое состояние, может пропускать

токи от единиц до тысяч ампер при низком падении напряжения

(1-2 В).

На особенности усилительных свойств четырехслойной р-п-р-п-

структуры первым обратил внимание Шокли [110], обсуждая при-

чины необычно высокого коэффициента усиления по току точечных

транзисторов. В 1955 году Молл с соавт. (Bell Laboratories) зало-

жили основы теории и создали первые четырехслойные структуры

с бистабильными характеристиками 159]. Исследования этих авторов

позволили увидеть большие перспективы применения тиристоров в си-

ловой электронике. Являясь твердотельными аналогами газоразрядного

прибора тиратрона и отличаясь от последнего существенно более низ-

ким падением напряжения в открытом состоянии, тиристоры быстро

вытеснили тиратроны из сильноточной электроники. Тиристоры оказа-

лись идеальными приборами для коммутации больших токов, созда-

ния управляемых выпрямителей и преобразователей тока. Они широко

216

Гл. 3. Тиристоры и другие многослойные структуры

используются в гибких системах передачи электроэнергии как ком-

пенсаторы реактивной мощности; в качестве инверторов (преобразо-

вателей постоянного тока в переменный) в высоковольтных линиях

электропередачи постоянного тока; в системах электропривода (желез-

нодорожный транспорт и др,); в металлургии; для формирования им-

пульсов высокого напряжения в физике высоких энергий. Выпускаемые

в настоящее время тиристоры имеют диаметр до 100-150 мм (то есть

один прибор может занимать целую пластину кремния!). В общем, ти-

ристоры — это самые крупные и мощные полупроводниковые приборы,

По возможности управления характеристиками описываемых

четырехслойных структур их обычно подразделяют на тиристо-

ры (управляемые структуры, имеющие третий вывод — управ-

ляющий электрод)

) и динисторы (неуправляемые структуры

с двумя выводами). Последние приборы не очень распространены

и используются в схемах релаксационных генераторов и форми-

рователей импульсов.

Типичный профиль

легирования стандартного

диффузионно-сплавного

тиристора показан на

рис. 3.1. Эту структуру

получают следующим об-

разом. Сначала с помо-

щью диффузии акцеп-

торной примеси (В, А1)

на противоположных сто-

ронах пластины из слабо

легированного n-Si тол-

щиной 0,3-1 мм (область

7i 1

на рисунке) создают

области р\ и р2; толщи-

анод

катод

0 W

Рис. 3.1. Структура и типичный профиль ле-

гирования тиристора

на пластины и ее уровень легирования выбираются исходя

из требуемого максимального рабочего напряжения тиристора

(об этом мы будем говорить ниже). После этого на одной из

только что созданных поверхностей р-типа путем вплавления

сплава Au+Sb создают катодную область n-типа (область п2

на рисунке). В итоге получается четырехслойная структура с

тремя р-п-переходами. Область, обозначенную на рисунке р 1,

называют анодом тиристора, а область п2 — его катодом.

Управляющий электрод тиристора подключается к области р2.

') В отечественной литературе такие трех электродные приборы также на-

зывают тринисторами или кремниевыми управляемыми вентилями.

3.1. Тиристоры

217

# 3.1.1. Вольт-амперные характеристики тиристора. Вольт-

Ймперная характеристика динистора (и, соответственно, тири-

стора при нулевом токе через управляющий электрод) показана

рис. 3.2.

Рис. 3.2. Вольт-амперная характеристика

тиристора при нулевом токе через управ-

ляющий электрод

* При подаче на тиристор

^обратного напряжения (ми-

jiyc к аноду) переходы pl-

fnl и р2-п2 смещаются в

(••'обратном направлении, а

} Переход п\-р2 — в прямом.

При этом большая часть

приложенного напряжения

%адает на области простран-

ственного заряда перехода

I-nl, которая располага-

ется в основном в слабо

ц^гированной (nl) области

|;$труктуры. Поэтому наибо-

лее важными параметрами,

Скоторые определяют максимальное обратное напряжение на

- тиристоре, оказываются уровень легирования и толщина обла-

сти п 1.

Максимальное обратное напряжение на тиристоре огра-

ничивается двумя величинами: напряжением возникновения

лавинного пробоя перехода р\-п\ и напряжением возникно-

вения прокола структуры (когда область пространственного

. Заряда перехода pl-nl достигает границы слоя р2), Как

v-.иы показали в п. 2.3, напряжение пробоя толстого р-п-

}перехода изменяется примерно обратно пропорционально

Концентрации примеси в базе (формула (1.67)), а напряжение

прокола — прямо пропорционально ей (К-рок и 2ivqN

/£).

Поэтому для каждого значения толщины базы W тиристора

существует некий оптимальный уровень легирования, при

*отором достигается максимальное напряжение пробоя

р-п-перехода (см. рис. 3.3). Этот уровень легирования можно

оценить, считая, что лавинный пробой и прокол структуры

возникают при одном и том же обратном смещении.

На самом деле при расчете условий возникновения лавинного

пробоя необходимо учитывать, что рассматриваемой структуре

присуще внутреннее усиление, поскольку при высоких обратных

напряжениях транзистор, образованный слоями pi, nl и р2, ве-

дет себя совершенно аналогично транзистору с оборванной базой

218

Гл. 3. Тиристоры и другие многослойные структуры

(см. п. 2.3). А именно, его напряжение пробоя равно

VM^prfO-aO

где Кроб — напряжение пробоя р-п-перехода, т ж 4, а ац —

коэффициент усиления транзистора. Поскольку толщина элек-

тронейтральной области базы W' в рассматриваемом транзисторе

довольно велика (при низких обратных напряжениях она срав-

нима или может даже превышать диффузионную длину), то этот

транзистор имеет невысокий коэффициент усиления (ai ~ 0,5),

который в основном определяется эффективностью переноса но-

сителей через базу транзистора в соответствии с формулой (2,8),

Рассмотрим теперь, что

формирует вольт-амперную

характеристику тиристора

при подаче на него прямого

смещения (плюс к аноду).

При такой полярности на-

пряжения переходы р\-п\

и р2-п2 структуры смеще-

ны в прямом направлении,

а переход п

-р2 — в обрат-

ном. При невысоких прило-

женных напряжениях ток,

протекающий через тири-

стор, определяется обрат-

ным током перехода п\-р2.

Найдем условие вклю-

чения тиристорной струк-

туры (напряжение пере-

ключения V^

p на рис. 3.2).

Формально это условие

можно рассматривать как

условие обращения в бес-

конечность производной тока анода тиристора по напряжению на

аноде (потенциал катода будем считать равным нулю). Эквива-

лентную схему тиристора можно представить в виде двух вклю-

ченных навстречу друг другу р-п-р- и п-р-п-транзисторов (см.

рис. 3.4). В этой эквивалентной схеме для п-р-п-транзистора

можно записать:

1к2 = <*NIK + Лс02> (3-1)

где

ток

катода тиристора (который служит эмиттером

со

ф)

см

Рис. 3.3. Зависимость максимального об-

ратного напряжения в кремниевых тири-

сторах при 300 К от уровня легирования и

толщины базы прибора (пунктир). Сплош-

ными линиями показаны ограничения, на-

кладываемые лавинным пробоем толстого

р-rv перехода и проколом структуры [14]

3.1. Тиристоры

219

fi-р-п-транзистора), /

к0

2 — обратный ток коллектора этого

транзистора, адг — его статический коэффициент усиления.

При анализе этого уравнения необходимо учесть, что величина

ан сама зависит от протекающего через транзистор тока (см.

'п. 2.2.3), и поэтому приращение тока коллектора равно

= [ адг

•+•

^K-jj^j dI

+ dI

02-

(3.2)

Входящая в это уравнение величина с*2 = адг +

-^к

{daw/dlx)

.представляет собой коэффициент усиления транзистора, изме-

ренный на малом сигнале (в том смысле, как он был определен

'.В П. 2.5.2).

4 >

'Г'

управл.

у «электрод

V "

катод

упр

управл.

электрод

Сер

анод

Рис. 3.4. Эквивалентная схема тиристора

Выведем теперь выражение для приращения тока базы р-п-

р-транзистора. Исходя из уравнений I

i = ар/д + /

Jsi =

/а ~ /

1 и учитывая, что величина ар тоже зависит от тока,

получаем:

= (

- ар - /д

dotp

dlа

- d/

(3.3)

Здесь I

— ток анода тиристора (эмиттера р-п-р-транзистора),

Ле0| — обратный ток коллектора этого транзистора, а ар —

его статический коэффициент усиления. Выражение в скобках

220 Гл. 3. Тиристоры и другие многослойные структуры

представляет собой разность единицы и коэффициента усиления

а, —ар-\- I

(da

/dI

) р-п-р-транзистора, измеренного на ма-

лом сигнале. Поскольку dl^i — dI

2, то можно записать, что

(1 - Qi)rf/

- dI

01 = a

+ dI

02. (3.4)

Учитывая, что dlк = dI

+ dl

ynp

, окончательно находим

ynp

+ d(I

01 + /ког) сч

aiA — —-

г . (O.dj

1 - (ai + a

)

Поскольку при увеличении напряжения на аноде тиристора об-

ратные токи коллекторов обоих входящих в структуру транзи-

сторов возрастают, то условием бесконечно сильного возрастания

вызванного ими тока анода при /уп

— 0 является обращение

в единицу суммы малосигнальных коэффициентов усиления двух

образующих структуру транзисторов:

с*] + Ос

= 1. (3.6)

В проведенном выше расчете мы пренебрегли ударной иони-

зацией носителей — умножением токов электронов и дырок

при прохождении носителями области сильного поля в обратно

смещенном р-п-переходе, Учтем этот эффект. Ток дырок, дви-

жущихся в р-п-р-транзисторе от анода к катоду, умножается в

области сильного поля в М

раз и составляет M

[apI

+ /

oi]>

а ток электронов в п-р-п-транзисторе, движущихся в направ-

лении от катода к аноду, умножается в М

раз и составляет

[а^7к 4- /

ог] Тогда полный ток в структуре равен

/ = М

[а

4- 1*01] + M

4- /

о2]. (3-7)

Как и выше, рассчитаем приращение тока dl, вызванное увели-

чением приложенного к структуре напряжения. Изменение этого

напряжения вызывает не только изменение токов J

oi и /

02, но

и изменение коэффициентов умножения М

и М

dl = М

[а

+ dI

01] + dM

[aplA + 4oi]

4- М

[а

й/к + dI

] 4- dM

[a^/

4- J

02]- (3.8)

') Под величинами /

ai и I

02 выше и здесь мы подразумеваем дырочную и

электронную составляющую обратного тока перехода п\-р2.

3.1. Тиристоры

221

•При нулевом токе управляющего электрода /д = /к = I и тогда,

^группируя слагаемые в (3.8), получаем, что

dI =

+dM

\а

1+1

к0]

}+dM

J+/

к02

]

ll 1

—

Л/ра

- М

а2

г (3.9)

• •

Из этой формулы следует, что с учетом ударной ионизации

Д условием переключения тиристора является условие

)

+ M

= 1, (3.10)

где Уч — напряжение на обратно смещенном переходе nl-p2,

i которое приблизительно равно приложенному к тиристору на-

тпряжению. Входящие в эту формулу коэффициенты усиления aj

;и аг зависят от протекающего через тиристор тока (из-за зави-

симости коэффициента инжекции эмиттера от тока, см. п. 2.2.3)

напряжения V^ (из-за зависимости коэффициентов переноса

Носителей в базах транзисторов от толщин электронейтральных

f областей баз, которые в свою очередь зависят от напряжения

смещения, см. п. 2.2.2). Поэтому формула (3.10) представляет

К „собой уравнение, задающее в неявной форме положение точки

•^^переключения на прямой ветви вольт-амперной характеристики

.тиристора.

Если протекающий через тиристор ток станет выше тока

переключения (/

пер

на рис. 3.2), то в тиристоре включается по-

ложительная обратная связь. Электроны, инжектируемые пере-

водом р2-п2 и достигающие базы nl, еще сильнее открывают

...Переход pl-nl, а инжектируемые этим переходом дырки, попада-

ющие в область р2, сильнее открывают переход р2-п2 и стиму-

"^Шруют дальнейшее нарастание тока электронов. Концентрации

%йжектируемых в области nl и р2 дырок и электронов возрас-

тают настолько, что при некоторой величине тока, называемой

''током включения /

вкл

, напряжение на среднем р-п-переходе

Проходит через нуль (транзисторы входят в режим насыщения).

'Это происходит при обращении в единицу суммы статических

коэффициентов усиления, ар + а^ = 1. При I > 1

ВК

„ все три

р-n-перехода в тиристоре смещены в прямом направлении.

Чтобы устойчиво поддерживать тиристор в открытом состо-

янии, необходимо, чтобы протекающий через него ток был вы-

ше некоторой критической величины, называемой током удер-

жания (/

уд

на рис. 3.2). Этот ток определяется из условия

обращения в бесконечность производной dl^/dV^. Теоретиче-

ский расчет этой величины представляет большие трудности,