Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Кремниевые планарные транзисторы

..pdf
Скачиваний:
20
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
17.57 Mб
Скачать

КРЕМНИЕВЫЕ

ПЛАНАРНЫЕ

ТРАНЗИСТОРЫ

Под редакцией профессора Я . А. Федотова

Москва «Советское радио» 1973

6Ф0.32

К79 У Д К 621.382

А в т о р ы В. Г. К О Л Е С Н И К О В , В. И. Н И К И Ш И Н , В. Ф. С Ы Н О Р О В ,

Б. К. ПЕТРОВ, Г. В. СОНОВ, В. С. ГОРОХОВ

Ге-с публичная

научно -

4 ?

Редакция литературы по электронной технике

 

 

Кремниевые

планарные

транзисторы.

Под

ред.

К 79

Я. А. Федотова, М., «Сов. радио», 1973.

 

 

 

 

 

 

336 с. с ил.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На

обороте

тит. л. авт.: В. Г. Колесников,

В. И. Никишин,

 

В. Ф. Сыноров и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

И з л о ж е н ы основы

планарной технологии и законы р а с п р е д е л е н и я

примесей

 

х . в транзисторах . Подчеркнуты особенности изготовления кремниевых

планар -

 

ных

ВЧ

и СВЧ транзисторов. П р о в е д е н

анализ физических процессов,

обу­

 

словливающих изменения параметров в

зависимости от

р е ж и м а

работы .

Опи­

 

саны особенности п е р е х о д н ы х процессов и методы повышения пробивных на­

 

пряжений . Рассмотрены специальные типы п л е н а р н ы х транзисторов .

Книга

 

предназначена дл я

специалистов, з а н и м а ю щ и х с я конструированием,

производ ­

 

ством и применением кремниевых планарных транзисторов; она т а к ж е

м о ж е т

 

быть полезна аспирантам и студентам старших курсов вузов .

 

 

 

 

 

3312-073

 

 

 

 

 

 

 

 

К

046(01)-73

4 8 " 7

3

 

 

 

6

Ф 0 ' 3 2

© Издательство «Советское радио», 1973 г.

Предисловие

Полупроводниковый триод (транзистор) является одним из са* мых распространенных элементов электронных схем. Огромный спрос на транзисторы и повышение требований к параметрам этих приборов потребовали значительного совершенствования всех тех­ нологических процессов их массового производства. В результате сочетания локальной диффузии с эффективной окисной маскиров­ кой, а также использования процесса фотолитографии была раз­ работана планарная технология изготовления транзисторов, кото­ рая на сегодняшний день является наиболее универсальной и по­

зволяет конструировать

приборы с разными параметрами на осно­

ве германия, кремния,

арсенида

галлия и других

полупроводни­

ковых материалов. Наибольшее

распространение

планарная

тех­

нология получила при изготовлении кремниевых транзисторов,

где

с ее помощью можно получить

практически

любой

прибор — от

простого диода до кремниевых

интегральных

схем,

содержащих

в одном кристалле десятки транзисторов, диодов и пассивных эле­ ментов.

Значительные преимущества кремниевых планарных транзисто­ ров с точки зрения промышленного изготовления и использования привели к их массовому производству и применению в современной электронике. Однако особенности этих приборов практически очень слабо отражены в современной научной и учебной литературе. Основные вопросы технологии и исследования свойств планарных транзисторов начали обсуждаться в периодической печати только в последние годы. Основные положения теории дрейфовых транзис­ торов изложены в монографии И. П. Степаненко «Основы теории транзисторов и транзисторных схем» (гл. 4, § 12) («Энергия, 1967 г.) и в монографии Н. С. Спиридонова и В. И. Вертоградова «Дрей­ фовые транзисторы» («Советское радио», 1964 г.). К моменту напи­ сания этих монографий планарная технология еще не стала массо­ вой и, естественно, какие-либо сведения о планарных кремниевых транзисторах там отсутствуют. Преимущества планарной технологии кратко отмечены в монографии Я. А. Федотова «Основы физики полупроводниковых приборов» («Советское радио», 1969 г.). В мо­ нографии Е. 3. Мазеля «Мощные транзисторы» («Энергия», 1969 г.) рассмотрены лишь некоторые особенности мощных планарных тран­ зисторов.

Предлагаемая книга представляет собой систематическое изло­ жение технологических особенностей и теории современных крем­ ниевых планарных транзисторов и базируется на использовании последних литературных источников (вплоть до середины 1971 г.), а также основополагающих работ по теории и практике дрейфовых

3

\

транзисторов и Планерной технологии. Значительная часть ма­ териала, содержащая теоретические и экспериментальные иссле­ дования авторов, является оригинальной и публикуется впервые.

Следует отметить, что авторы книги не ставили своей целью осве­ тить все вопросы, связанные с кремниевыми планарными транзис­ торами. Так, например, не рассмотрены такие важные вопросы, как шумы транзисторов, влияние радиации на их параметры, данные

по испытаниям

на надежность и т. д. Они

представляют самостоя­

тельный интерес

и могут быть предметом для написания ряда моно­

графий. '

 

 

 

 

 

 

 

Авторы выражают глубокую - признательность

научному

ре­

дактору д-ру техн. наук профессору Я- А. Федотову

и

рецензенту

д-ру техн. наук

профессору

И. П. Степаненко за

внимательное

ознакомление с

рукописью

и

сделанные

замечения,

которые

по­

могли авторам устранить ряд недочетов в рукописи.

 

 

 

Авторы благодарны также

члену-корреспонденту

АН СССР

К. А. Валиеву за ряд ценных советов и замечаний.

 

 

 

сновные

обозначения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А0

— постоянная Ричардсона, равная 2 6 0 А - с м ~ 2 - г р а д - г

 

 

ai

для

кремния

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— коэффициент

ионизации

для

электронов

 

 

 

 

а-ь — эффективный

 

коэффициент

ионизации,

усред­

 

 

 

ненный для электронов и дырок

 

 

 

 

 

 

 

 

В — дифференциальный

коэффициент

усиления

по

 

 

В0

току в схеме с общим

эмиттером

 

 

 

 

 

 

 

 

— низкочастотный дифференциальный

коэффициент

 

 

 

усиления

по

току

в

схеме

с

общим

эмиттером

 

Вст — интегральный

(статический)

коэффициент

уси­

 

 

 

ления по току в схеме

с общим эмиттером

 

 

 

Ъ — отношение

толщины

слоя

кремния,

переходя­

 

 

 

щего в окисел, к полной толщине

 

термически

 

 

Ьі

выращенного

 

слоя

 

кремния,

равное

0,44

 

 

 

 

— коэффициент

ионизации

дырок

 

 

 

 

 

 

> С э , С К а > Скп

— барьерная

емкость

коллекторного

и

и

эмиттер-

 

 

 

ного

р-п

 

 

перехода,

 

активной

 

пассивной

 

 

 

части коллектора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ск о — полная

выходная

емкость

между

выводами

кол­

 

 

 

лектор—база

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С к д и ф — д и ф ф у з и о н н а я

емкость

 

коллектора

в

режиме

 

 

 

насыщения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сэ о — полная

входная емкость

между выводами

эмит­

 

 

 

тер—база

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сэдиф — диффузионная

емкость

эмиттера

 

 

 

 

 

 

 

 

с — отношение подвижностей электронов

 

и

дырок

 

 

D — коэффициент

диффузии

примесей

 

 

 

 

 

 

 

Dn>

Dp — коэффициенты

диффузии

 

электронов

и

дырок

 

 

 

соответственно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Е — напряженность электрического поля

 

 

 

 

<?кэ> $кб>

^ э б

— э. д. с. коллекторной

батареи

для

двух

схем

 

 

 

включения и э. д. с. эмиттерной

батареи

 

 

$ а . $<г. <?г — энергия

 

акцепторного,

донорного,

 

рекомбина-

 

 

 

ционного

уровня

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<£с> $»>

— энергия

 

дна

 

зоны

проводимости

и

потолка

ва­

 

 

 

лентной

 

зоны

и

середины

запрещенной

 

зоны

 

 

4&g — ширина

запрещенной

зоны

кремния

при

любой

 

 

 

температуре

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'Sa о — ширина

 

запрещенной

зоны

кремния,

 

равная

 

 

f

1,21

эВ

при

 

Т =

0

К

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— частота

переменного

 

сигнала

 

 

 

 

 

 

 

/ ß . fy> /к — граничная

частота

коэффициента

переноса,

ко­

 

 

fT

эффициента

 

инжекции и коллекторной

цепи

 

 

— предельная

 

частота

усиления

по

току

в

схеме

 

 

 

с общим

эмиттером

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/макс — предельная

 

частота

усиления по мощности

или

 

 

h

предельная

 

частота

 

генерации

 

 

 

 

 

 

 

 

— постоянная

 

 

Планка

=

 

6 , 6 2 - Ю - 3 4

Д ж - с ,

 

так­

hu,

hi%,

 

же

размер

 

квадратной

 

коллекторной

области

ЛХ2 — параметры

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^эб о — обратный

ток

перехода

эмиттер—база

 

 

 

 

^кб о — обратный

ток

перехода

 

коллектор—база

 

 

 

Л« о — т о к

коллектора при

отсоединенной

базе

 

 

 

 

/ , , „ — коллекторный

ток

насыщения

 

 

 

 

 

 

/ л

э ,

/ ; 1 К

— постоянный

 

электронный

ток

коллектора,

эмит­

 

 

 

тера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

' р э

— ПОСТОЯННЫЙ дырочный ток эмиттера

 

 

 

 

 

fr

p-n

— постоянный

ток

рекомбинации

в

эмиттерном

 

 

 

 

р-п

переходе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ff> s — составляющая

постоянного

базового

тока,

обу­

 

 

 

 

словленная

рекомбинацией на поверхности

пас­

^пкт> ^пэт>

 

Ірэт

 

сивной

базы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

амплитуды

переменных

составляющих соответ­

 

 

 

 

ственно электронного тока коллектора, эмиттера

 

 

fб т~

и дырочного

тока

эмиттера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

амплитуда

переменного

полного

базового

 

тока

 

 

 

 

критический

ток коллектора,

 

при котором

 

пре­

 

 

 

 

дельная

частота

fT

убывает до 0,7 от максималь­

 

 

 

 

ного

значения

fT

 

м а к

с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

мнимая

единица =

у/~ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Іп

 

плотность электронного

тока

 

 

 

 

 

 

 

 

 

In э

 

плотность

электронного

тока

 

эмиттера

 

 

/Kpi = №nAW

I Ѵк \ß'n": критическая

плотность

коллекторного

тока при

 

 

 

 

малых

коллекторных

н а п р я ж е н и я х ,

соответст­

 

 

 

 

вующая

нулевому

смещению

 

на

коллекторном

2eeo\UK\

 

р-п

переходе

(UKp_n

 

=

0)

 

 

 

 

 

 

 

— критическая

плотность

коллекторного

тока при

/кр4 4/vda NdK-

 

 

qlnO

 

больших

коллекторных

напряжениях UK, соот­

 

 

 

 

 

 

 

 

ветствующая

нулевой

напряженности

электри­

 

 

 

 

ческого

поля

в

 

плоскости

металлургического

 

 

 

 

коллекторного р-п перехода хк 0

 

 

 

зави­

 

 

К — константа,

входящая

в

параболическую

 

 

 

 

симость

скорости

окисления

 

кремния

 

 

 

 

 

Кр — коэффициент усиления по мощности

 

 

 

 

 

 

Кц

— температурный

коэффициент

 

эмиттерного

 

нап­

 

 

k

 

ряжения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— постоянная

Больцмана

= 1,38-102^

Д ж / г р а д =

ks = NSi0JNsl

 

-

8,62-10-5 эВ/град

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

коэффициент

сегрегации

примеси

 

 

 

 

 

 

 

La

-

характеристическая

длина в

распределении

ак­

 

 

 

 

цепторов в базе

п-р-п

транзистора

 

 

 

 

 

 

Ld

-

характеристическая

длина в

распределении до­

 

 

 

 

норов вблизи эмиттерного р-п перехода

п-р-п

 

 

 

 

транзистора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

индуктивность эмиттерного вывода

 

 

 

 

<2?э p-n> 5/к p-n

 

ширина эмиттерного и коллекторного р-п пе­

 

 

 

 

рехода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

толщина технологического высокоомного кол­

 

 

 

 

лекторного слоя «-типа

 

 

 

 

 

 

 

 

Іпп-Хк\икр

 

n

 

толщина

квазинейтрального высокоомного

 

кол­

 

 

 

 

лекторного слоя п-типа

 

 

 

 

 

 

 

 

ln = xn xK\Ufi

p

( i = 0 -

 

толщина квазинейтрального высокоомного кол­

 

 

 

 

лекторного слоя п-типа

при нулевом

смещении

 

 

*8

-

на коллекторном р-п переходе

 

 

 

 

 

 

 

ширина

эмиттерной

полоски

 

переходе

 

 

 

 

УИ —

коэффициент

умножения

в р-п

 

 

 

 

масса электрона в вакууме

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m„ —

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

эффективная масса плотности состояний в зоне

 

 

 

 

проводимости,

равная

1,08 т0

 

для Si

 

 

в ва­

 

 

 

 

эффективная

масса

плотности

состояний

 

 

 

 

лентной

зоне, равная

0,59 т0

 

для Si

 

 

 

6

r3p_n

гэ = гэ

nin,

m,,

— эффективная

масса электрона, дырки

 

 

 

N — количество

эмиттеров или концентрация

атомов

Na,

Na

примеси

 

 

 

 

 

 

— концентрация

акцепторов и

доноров

 

 

 

Ns

— поверхностная концентрация

примеси

 

 

Nc< Nv

— эффективная

плотность состояний в зоне про­

 

Nt

водимости и в валентной зоне

 

 

 

— концентрация

рекомбинационных центров

 

ni,

п

— концентрация

электронов в собственном полу­

 

па

проводнике и в зоне проводимости

 

 

 

— концентрация

отрицательно

заряженных

ак­

 

 

цепторов

 

 

 

 

 

 

 

 

— концентрация

электронов

на донорных

уровнях

Ркмакс — максимальная

мощность

рассеяния

 

 

Р в х , Рвых — входная и выходная мощности

 

 

Ркрас — мощность, рассеиваемая в коллекторе

 

 

Рпотр — мощность,

потребляемая

от

коллекторного

ис­

 

 

точника

 

 

 

 

 

 

&— периметр эмиттера

р— концентрация дырок в валентной зоне

 

Q S i o 2

заряд

в

пленке

окисла S i 0 2

 

 

 

 

 

 

 

 

q

— заряд

электрона =

1 , 6 - Ю - 1 8

Кл

 

 

 

 

 

/?б — внешнее

сопротивление

в

цепи^базы

 

 

 

 

 

RK

— сопротивление

растекания

высокоомного

кол­

 

 

Ra

лекторного

 

слоя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— сопротивление

нагрузки

 

в

коллекторной

цепи

 

Рчт

п _ к

тепловое

сопротивление

 

на

участке

переход—

 

 

Ra

корпус

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— радиус

эмиттера

 

 

 

 

 

 

 

 

i

t

г

б

— омическое

 

распределенное

сопротивление

базы

 

п — омические

сопротивления

соответственно

ак­

гб

а' гб

=

kT/qIg

 

тивной

и пассивной

баз

 

 

 

 

 

 

 

 

— дифференциальное

сопротивление эмиттера

 

 

 

гко

— радиус закругления коллекторного р-п

 

перехода

 

 

Гэ ст — стабилизирующее сопротивление в цепи эмиттера

р-га + ' э от — полное

малосигнальное сопротивление

эмиттера

 

S3 ,

SK

— площадь

 

эмиттерного

и

коллекторного

р-п

 

 

 

 

перехода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sn,

Sp

 

— сечения захвата электрона и

дырки рекомбина-

 

 

 

 

ционным

центром

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s — скорость

поверхностной

рекомбинации

 

 

 

 

 

Т — абсолютная

 

температура

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тк

— температура

корпуса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тр_п

 

— температура

р-п

перехода

 

 

 

 

 

Ты

и

Т1(і

— температуры, при

которых

ионизировано

80%

 

 

 

 

акцепторов

или доноров

соответственно

 

 

 

 

Гг — температура

наступления

собственной

прово­

 

 

 

 

димости

в

высокоомном

 

коллекторном

слое

 

 

t3 — время задержки

 

фронта

 

 

 

 

 

 

 

<ф — время установления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— время

рассасывания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tG — время спада

 

носителей

через

базу

 

 

 

 

 

^пр — время

пролета

 

 

 

 

 

^эб — напряжения

между

выводами

эмиттер—база

UjtQ, Um

 

— напряжение

между

выводами

коллектор—база

 

 

 

 

или коллектор—эмиттер

 

соответственно

 

 

7

"

р-п'

и

к р-п

напряжения

на

эмиттерном

и

коллекторном

" s

 

р-п переходе соответственно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uк сп -

падение напряжения на высокоомном коллектор-

 

 

 

 

торном слое

 

 

 

 

 

р-п

 

 

 

 

 

^аб о -

напряжение

пробоя

эмиттерного

перехода

 

 

 

Unp

- пробивное напряжение плоской части коллек­

 

 

 

 

торного р-п перехода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Укбо •

• напряжение пробоя коллекторного р-п

перехода

 

 

 

Urb О "

• напряжение пробоя в схеме

с общим эмиттером

 

 

 

 

и отсоединенной

базой

 

 

 

 

 

 

 

 

^кб с • • напряжение

смыкания р-п

перехода

 

 

 

 

 

^кэ н '

• напряжение

насыщения на

постоянном

токе

 

Ѵкя

(вч) - • высокочастотное напряжение

насыщения

 

 

 

 

 

напряжение переворота фазы базового тока

ѴДѴ п и

и ДР Р '

• дрейфовые скорости

электронов

и дырок

соот­

 

 

 

 

ветственно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^ДР н •

дрейфовая скорость насыщения электрона или

 

 

 

 

дырки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ѵп

 

и üp •

• средние тепловые

скорости

электронов

и

дырки

о =

о — Хд о

- толщина

технологической

базы

 

 

 

W=x'k xl -

толщина

квазинейтральной

базы

 

 

 

 

 

 

X •

толщина

окисла

S i 0 2

 

 

 

 

 

 

 

* Э О

И

-^К О '

• плоскости металлургических переходов

эмиттера

 

 

 

 

и коллектора

соответственно

 

 

 

 

///

Хэ,

Хэ

• границы эмиттерного р-п перехода с

квазиней­

 

 

тральным эмиттерным слоем и квазинейтральной

 

 

базой соответственно

 

 

хк,

хк

границы коллекторного р-п перехода

с

квази­

 

 

нейтральной базой и с квазинейтральным высо-

 

 

коомным коллекторным слоем

 

 

 

 

- длина эмиттерной полоски

 

 

 

а • интегральный коэффициент передачи тока в схе­

 

 

ме с общей базой и в нормальном

активном

 

 

режиме

 

 

 

 

- интегральный коэффициент передачи тока в схе­

 

 

ме с общей базой в инверсном активном

режиме

а* = а M

- интегральный коэффициент передачи тока в схе­

 

 

ме с общей базой в нормальном активном

режиме

 

 

и при наличии лавинного умножения

в

коллек­

 

 

торе

 

 

1dU p-n

ß

I

температурный

коэффициент

эмиттерного тока

- интегральный

коэффициент

переноса

- дифференциальный коэффициент переноса

- интегральный

коэффициент

инжекции эмиттера

У- дифференциальный коэффициент инжекции эмит­ тера

- энергия активации для коэффициента

диффу­

зии

примеси

или температурной зависимости

коэффициента

ß 0

T

равная

- диэлектрическая

постоянная кремния,

е —

12

 

 

 

 

ная

 

 

 

 

Ео —- диэлектрическая

проницаемость вакуума,

рав­

ная 8,85-10-1 4 Ф/см

 

 

е„ — диэлектрическая

постоянная, Si0 2 , равная

3,85

р | " р Х

 

100%

— коэффициент полезного

действия

усилительного

" B Ï T

'

потр

транзисторного

каскада

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 — температурный

коэффициент

ширины

запрещен­

 

 

 

ной зоны кремния

-— (3,6—4,1) Ю - 4

эВ/град

 

 

Я, — коэффициент теплопроводности

кремния

 

 

Un. Р-р — подвижность электронов

и дырок

соответственно

V =

Вст^бі/'кн

степень

насыщения

транзистора

 

 

= (С'каЧ - Скп)/Ска

— коэффициент разделения коллекторной емкости

р п

или рр

— удельное сопротивление

высокоомного коллек­

 

 

 

торного

слоя в

п-р-п

и р-п-р

транзисторе соот­

 

 

 

ветственно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р — плотность объемного

заряда

 

 

 

о = ост ] ^62 |/Л<н степень

рассасывания

транзистора

 

 

 

іп> т р

— времена

жизни

электронов

и дырок

соответст­

 

 

 

венно

 

 

 

 

 

 

 

 

Ф— потенциал

Фг — температурный потенциал

фкэ и

Фкк — контактная разность потенциалов

соответст­

 

венно в эмиттерном и коллекторном р-п

переходе

со =

2 я / — круговая частота