10. Инжекционные структуры

Высокое быстродействие при малой потребляемой мощности при одновременном увеличении надежности и степени интеграции реализовано в ИС с инжекционным питанием (ИП).

Первые ИС с ИП были изобретены в 1971 году на основе биполярных транзисторных структур. В основу ИП положены два принципа.

1.Новая организация цепи питания транзистора, позволяющая непосредственно вводить (инжектировать) подвижные носители заряда в область базы транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Инжекция избыточных носителей заряда приводит к нарушению электронейтральности базовой области и смещению сначала эмиттерного, а затем и коллекторного переходов усилительного транзистора в прямом направлении, что позволяет отказаться от традиционного способа питания цепи базы и коллектора транзистора через резисторы, которые ограничивают ток, потребляемый от источника питания, рассеивая дополнительную мощность и снижая надежность устройства в целом.

2.Второй принцип положенный в основу структуры с ИП, - функциональная интеграция рабочих областей биполярных транзисторов дополняющего типа проводимости. При этом существенно повышается плотность компоновки элементов на кристалле, благодаря сокращению количества изолированных областей, вскрываемых отверстий под контакты и количества металлизированных внутрисхемных соединений.

Непосредственное введение избыточных носителей в базовую область транзисторной структуры может осуществляться двумя известными способами: при первом способе используется эффект генерации носителей заряда в объеме полупроводника при воздействии на него излучения, например, видимого света. В качестве источника питания может быть использован не только световой поток, но и излучение любого другого рода, обеспечивающие необходимую интенсивность генерации пар носителей зарядов, например, источник радиоактивного излучения. В первом случае мы имеем дело с оптоэлектронной областью применения ИС с ИП.

Реализация второй возможности инжекции избыточных носителей заряда связана с дополнительной областью – инжектором, расположенной вблизи области базы транзисторной структуры.

Т аким образом, цепь питания может быть реализована в виде генератора тока, выполненного на фотодиоде или транзисторе. На рис.21 показаны простейшие эквивалентная и принципиальная схемы инжекционного транзистора.

Рис.21. Схемы инжекционной структуры; а) эквивалентная схема; б) принципиальная схема

Рассмотрим второй способ реализации ИП. Инжекция неравновесных носителей через специальный инжекторный переход, смещаемый в прямом направлении, позволяет резко снизить питающее напряжение до величины, соответствующей прямому напряжению на переходе (0,6 – 0,7 В для кремниевых переходов и 0,3 – 0,4 В для германиевых).

Таким образом, ИП ИС позволяет:

разрабатывать ИС и РЭА, работающие при низких уровнях потребляемой энергии;

полностью исключить резисторы из электрической схемы;

применять многоколлекторные транзисторные структуры;

повысить степень интеграции ИС и ее надежность;

создавать с применением стандартной биполярной технологии в одном кристалле цифровые и аналоговые ИС.

В качестве примера рассмотрим простейшую структуру планарного транзистора с инжектирующим р-n – переходом, смещенным в прямом направлении током от внешнего источника питания (рис. 22).

Рис.22.Структура транзистора с инжекционным питанием

Она состоит из обычного планарного транзистора VT1, полученного методом двойной диффузии на подложке из n-кремния, и инжектирующей р1-области, удаленной на расстоянии X от базовой р2-области. р1 – область технологически создана одновременно с диффузией базы транзистора VT1, работающего в инверсном режиме. Конструктивно инжекционный транзистор может иметь несколько коллекторов, которые реализуются как обычным p-n – переходом, так и переходом Шотки.

Рассмотрим физические процессы, протекающие в такой структуре.

При протекании прямого тока In через инжектирующий переход p1n1 из дырочной области в электронную происходит инжекция дырок, а из электронной области в дырочную – инжекция электронов. Для простоты в дальнейшем будем рассматривать только инжекцию дырок, что отражено стрелками на рис.22. Дырки, инжектированные из р₁ – области в n₁ – область, создают некоторый объемный заряд, электрическое поле которого распространяется в объем полупроводника и приводит в движение основные носители заряда – электроны, поступающие из заземленного эмиттера. Другими словами, избыточный заряд ∆ρq частично компенсируется инжекцией Δn электронов из эпитаксиальной пленки эмиттера. Время установления процесса компенсации объединенного заряда определяется временем релаксации и составляет для кремния (ε = 11,7), удельное сопротивление которого ρ = 10 Ом см, менее 10 с, что практически можно считать мгновенным. Результирующий заряд

Q = q (∆p - ∆n), (8)

вызывает смещение в прямом направлении сначала p2n1 – перехода, а потом p2n2 – перехода, которые соответственно являются эмиттерным и коллекторными переходами транзистора VT1.

Если рассматривать транзистор с ИП не с точки зрения анализа физических процессов, протекающих в нем, а как законченную конструктивно – топологическую единицу, то последняя представляет собой четырехслойную структуру p1 – n1 – p2 – n2 – типа, в которой можно выделить два транзистора VT1 и VT2. Транзистор VT1 npn – типа с вертикальным расположением рабочих зон образован частью эмиттерной n1 – области, расположенной в ней базовой p2 – областью и коллекторной n2 – областью. Транзистор VT2 pnp – типа с латеральным расположением рабочих зон образован инжекторной p1 – областью, базовой n1 – областью и коллекторной p2 – областью. Как видно, n1 и p2 области выполняют одновременно функции соответственно эмиттера и базы, базы и коллектора.

Рассмотренная модель инжекционного транзистора позволяет ввести количественные оценки, которые характеризуют качество изготовляемых инжекционных структур. Из рис. 22 следует: α 1N , α 1J – нормальный и инверсный коэффициенты передачи тока усилительного транзистора VT1, α 2N, α2J – нормальный и инверсный коэффициенты передачи тока инжектирующего транзистора VT2. В случае многоколлекторных структур взаимодействие между коллекторами также оценивается нормальным и инверсным коэффициентами передачи тока α Кij α Кji соответственно.

В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе нашли широкое отражение вопросы схемотехники ИС на основе ИП, достаточно полно представлены рекомендации по практическому применению различных конструкций инжекционного транзистора, исследованы их статические и динамические характеристики в режиме большого сигнала, разработаны различные по степени сложности модели инжекционного транзистора и предложены методики их применения для машинного анализа цифровых и аналоговых устройств.