Конструктивно-технологические варианты исполнения биполярного и полевого транзисторов в одном кристалле. Инжекционно-полевая логика (стр. 2 из 2)
При изготовлении этой структуры одновременно формируют n+-области эмиттера, контакта к коллектору, стока и истока; р+-область затвора может формироваться или при диффузии активной базы р-типа, или, что более эффективно, при создании заглубленной области р+-типа пассивной базы биполярного транзистора. В целях повышения воспроизводимости параметров структуры диффузия может быть заменена ионной имплантацией.
Вертикальный полевой транзистор при площади истока, равной 250 мкм2, имеет предельную частоту усиления 7 ГГц, напряжение отсечки 2 В, напряжение пробоя исток — затвор 10 В. Следует отметить, что область истока с целью осуществления контакта выполняется шире канала и поэтому перекрывает диффузионные области затвора.
Недостатками такой конструкции полевого транзистора, обусловленными перекрытием затвором области истока, является повышенная емкость затвор — исток и малое напряжение пробоя. Перекрытие может быть исключено с помощью техники самосовмещения, но это требует дополнительных технологических операций. Трудность изготовления на одном кристалле биполярного и полевого с вертикальным каналом транзисторов заключается в выборе оптимального значения сопротивления эпитаксиального слоя, определяющего сопротивление канала и коллектора.
ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРИРОВАННЫЕ БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВЫЕ СТРУКТУРЫ. ИНЖЕКЦИОННО-ПОЛЕВАЯ ЛОГИКА
Функционально-интегрированная структура, содержащая биполярный p-n-p-транзистор VT1 и полевой транзистор с управляющим р-п переходом VT2, показана на рис. 6. В ней совмещены коллекторная область биполярного р-n-транзистора с затворной областью и и-канального полевого транзистора, а также базовая область р-n-р-транзистора с истоковой областью полевого транзистора.
Эта структура является основой нового схемотехнического базиса логических элементов, использующего явление инжекции основных носителей заряда и полевой эффект и названного инжекционно-полевой логикой, выполняет функции инвертора и содержит полевой транзистор в качестве переключательного элемента, а в качестве нагрузочного элемента (генератора тока) — биполярный транзистор. Затвор полевого транзистора служит входом (рис. 6 а, б, в), а сток — выходом инвертора.
Рис. 6. Структура (а), топология (б) и эквивалентная электрическая схема (в) инжекционно-полевого инвертора
Инжекционно-полевой элемент работает следующим образом. Подключение базы и эмиттера р-n-р-транзистора соответственно к земле и к плюсовым электродамцепи питания при подаче на последние напряжения, равного напряжению открывания эмиттерного р-п перехода (0,3...0,6 В), обеспечивает протекание тока питания между эмиттером и коллектором р-n-р-транзистора. При этом р-n-р-транзистор включен по схеме с общей базой и является генератором постоянного тока, величина которого практически не зависит от напряжения на его коллекторе. Ток питания представляет собой ток неосновных носителей заряда, перемещающихся в базовой области р-n-р-транзистора, являющейся одновременно истоковой областью полевого транзистора. Неосновные носители заряда собираются (коллектируются) р-n переходом затвор — исток.
Полевой транзистор в ИПЛ-инверторе работает в режиме, не характерном для работы полевых транзисторов в традиционных схемах. При нулевом потенциале на входе инвертора (т. е. при замыкании затвора полевого транзистора на «землю», см. рис. 6), соответствующем напряжению логического нуля, полевой переключательный транзистор закрыт, так как его канал перекрыт обедненным слоем объемного заряда р-п перехода затвор — исток и имеет очень высокое сопротивление (рис. 7). Кроме того, обычно напряжение между затвором и истоком, при котором происходит перекрытие канала слоем объемного заряда, имеет отрицательную полярность и составляет несколько вольт. В случае ИПЛ-элемента это напряжение имеет положительную полярность и составляет несколько долей вольта. В самом деле, если гальваническая связь между входом и «землей» отсутствует, то неосновные носители заряда, коллектированные р-nпереходом затвор — исток, будут накапливаться в затворной области, пока на ней не установится потенциал, примерно равный напряжению источника питания. При этом р-n переход затвор — исток смещается в прямом направлении и сопротивление канала резко уменьшается вследствие уменьшения слоя объемного заряда. Переключательный полевой транзистор открывается. Напряжение 0,3...0,6В соответствует напряжению логической «1».
Рис. 7. Структура нормально закрытого полевого n-канального транзистора с управляющим р-п переходом: /— область канала; 2— область объемного заряда; 3— диффузионно-легированная кольцевая р- область затвора; 4— ионно-легированная п+- область стока.
Описанный выше режим работы полевого транзистора не оптимален с точки зрения обеспечения привычных характеристик полевых транзисторов, в частности высокого входного сопротивления, реализуемых в традиционных схемах. Однако такой режим работы является единственно возможным для осуществления работы ИПЛ-инверторов в логических схемах непосредственно друг на друга без промежуточных каскадов и при одном только источнике питания.
Включение переключательного полевого транзистора по схеме с общим истоком, а биполярного нагрузочного транзистора по схеме с общей базой позволяет строить логические схемы на ИПЛ-элементах в общей подложке без эпитаксиального слоя и без изоляции отдельных элементов друг от друга. Это заранее предопределяет простоту технологии, повышение выхода годных микросхем и снижение их стоимости.
Топология элемента допускает в случае необходимости выполнение выходов инвертора в виде нескольких независимых стоковых областей, аналогичных многоколлекторному выходу классической инжекционной логики. С целью получения более высокого быстродействия элементов инжекционно-полевой логики, их строки формируют совмещенными с диодами Шотки (рис. 8). В основу конструкции элемента ИПЛ с диодами Шотки положена обычная планарно-эпитаксиальная структура со скрытым n+-слоем. Изолирующие области р+-типа в ней соединены металлизацией с n+-областью стока полевого транзистора.
Кроме описанной выше и приведенной на рис. 6 основной структуры ИПЛ-элемента возможны и другие ее варианты, использующие различные конструкции переключательного и нагрузочного элементов. Общим для всех модификаций будет принцип работы, заключающийся в инжекции неосновных носителей заряда посредством прямосмещенного р-п перехода в истоковую область нормально закрытого полевого транзистора с последующим их коллектированием выпрямляющим переходом затвор — исток полевого транзистора, за счет чего и осуществляется управление проводимостью канала.
На рис. 8 представлена функционально-интегрированная биполярно-полевая структура, формируемая с применением ионной имплантации. В ней биполярный р-n-р-транзистор изготавливается по обычной планарно-эпитаксиальной технологии, а для формирования области стока нормально закрытого ПТУП и создания необходимой низкой концентрации примесей в п-области канала используются две операции ионного легирования.
а)
Рис. 8. Структура (а) и эквивалентная электрическая схема (б) элемента инжекционно-полевой логики с диодами Шотки
Рис. 9. Структура биполярного-полевого элемента микросхемы с применением ионного легирования: /— подложка; 2— скрытый n+-слой; 3— эпитаксиальный n-слой; 4— область перекомпенсирования примеси n-типа имплантацией бора; 5— окисел кремния; 6— фоторезист
Одним из важнейших условий формирования структуры полевого транзистора в ИПЛ-схемах является обеспечение низкой (на уровне 10|3...1015 см~3) концентрации примеси в канале. Поэтому вначале имплантацией примеси р-типа в базовую область р-п-р-транзистора за счет перекомпенсации создается участок с пониженной концентрацией донорной примеси (рис. 9,6), а затем имплантацией примеси n-типа формируется г-область стока полевого транзистора.
Перспективы развития инжекционно-полевой логики на основе нормально закрытого полевого транзистора оцениваются очень высоко, что объясняется возможностью создания на их основе сверхскоростных, сверхбольших интегральных микросхем и их способностью работать в широком диапазоне температур. Предполагается, что интегральные микросхемы на элементах ИПЛ найдут применение при создании аналоговых устройств (операционных усилителей, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, усилителей считывания в цифровых устройствах), логических устройств (БИС-часов и микрокалькуляторов, однокристальных ЭВМ), запоминающих устройств (БИС оперативной памяти, БИС ПЗУ и др.).
Рис. 10. Структура кристалла микросхемы, содержащей ЭСЛ и ИПЛ, изготовляемых в одном технологическом процессе с комбинированной изоляцией.
Некоторые конструктивно-технологические решения направлены на создание на одном кристалле элементов инжекционно-полевой логики и элементов других схемотехнических базисов (рис. 10).
ЛИТЕРАТУРА
1. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001. - 379 с.
2. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. М.: ИНТУИТ.РУ, 2003. - 440 с.
3. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие для ВТУЗов. СПб.: Политехника, 2006. - 885 с.
4. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств. М.: Высш. шк., 2001. - 526 с.
5. Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Радио и связь, 2000. - 416 с.
6. Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ. М.: Высш. шк., 2000. - 160 с.