книги из ГПНТБ / Кремниевые планарные транзисторы

наличие такого перекрытия увеличивает емкость коллектора и сни­ жает предельную частоту усиления транзистора /V.

Технологически метод расширенного базового контакта очень легко осуществим, так как он не требует введения каких-либо новых операций. Для реализации этого метода достаточно лишь изменить конфигурацию соответствующего фотошаблона, используемого при создании металлизированных контактных областей транзистора.

Эффективность метода зависит от многих факторов, основными из которых являются: параметры (толщина и заряд) окисной пленки, тип металла, применяемого для расширенного базового контакта, удельное сопротивление области коллектора транзистора и другие. В типовых условиях при алюминиевой металлизации, удельном со­ противлении кремния порядка нескольких Ом-см и содержащей фос- форно-силикатное стекло окисной пленке толщиной менее 1 мкм, эффективность расширенного базового контакта сравнима с эффек­ тивностью охранного кольца.

Сравнительно недавно Као и Уолли [153] был предложен еще один эффективный метод повышения пробивных напряжений пле­ нарных структур. Метод предполагает создание по периферии планарной структуры кольцевых делителей напряжения (для определен­ ности мы будем называть его методом делительных колец). Схема ра­ боты делительного кольца, взятая из [153], изображена на рис. 8.26.

При некотором обратном напряжении смещения, близком к на­ пряжению пробоя центральной части структуры, граница объемного заряда смыкается с внутренним контуром делительного кольца. Дальнейшее увеличение обратного напряжения к пробою не приво­ дит, так как р-п переход, образованный делительным кольцом, дает

230

лишь при удвоении напряжения, поданного в момент включения кольца. Снабдив р-п переход несколькими делительными кольца­ ми, можно получить структуру с пробоем в плоской части основ­ ного р-п перехода, т. е. транзистор с достаточным числом делитель­ ных колец может иметь такое же пробивное напряжение, как и аналогичный меза-транзистор.

Экспериментальное изучение структур с делительным кольцом подтверждает описанный выше механизм увеличения пробивных на­ пряжений. На рис. 8.27 показана зависимость напряжения пробоя планарных структур с одним делительным кольцом от глубины диф­ фузии основного р-п перехода и от расстояния до кольца.

При малых глубинах диффузии пробивное напряжение цен­ тральной части структуры меньше напряжения смыкания с коль­ цом и ход графика Uav = (7п р (хк0) совпадает с ходом аналогичной кривой для обычной планарной структуры (см. рис. 8.7). Напряже­ нию смыкания соответствует глубина, при которой наблюдается резкий рост пробивного напряжения. Затем наблюдается дальней­ шее снижение пробивного

перехода.

231

Рис. 8.28. Конструкция пленарного транзистора с делительным кольцом.

n

туры. Из рис. 8.27 видно, что, выбрав оптимальное соотношение между глубиной залегания р-п перехода хп0 и расстоянием по маске Ау, можно почти удвоить напряжение пробоя.

Конструкция транзистора с делительным кольцом (рис. 8.28) выгодно отличается от рассмотренных выше конструкций малым влиянием кольца на параметры прибора. В самом деле, присутствие делительного кольца может лишь увеличить емкость коллекторного р-п перехода. Однако поскольку смыкание р-п перехода с кольцом происходит при значительных смещениях, когда емкость коллекто­ ра становится малой, то влияние кольца незначительно. Измерение емкости р-п перехода коллектора при увеличивающемся смещении не обнаруживает заметного скачка: кривая СК = СК ((7к б ) остается монотонной вплоть до напряжений пробоя структуры.

Технологическая схема изготовления транзистора с делитель­ ными кольцами не отличается от типовой, так как кольцевые области создаются одновременно с базовой областью транзистора. Однако определенную трудность представляет обеспечение полной безде­ фектности областей структуры, в которых при обратном смещении возникает объемный заряд. Поэтому с точки зрения повышения выхода годных структур нужно стремиться использовать минималь­ ное число колец (обычно от одного до трех).

Рассмотрим теперь метод противоканальных колец. Как уже отмечалось в § 8.2, на поверхности базы п-р-п и коллектора р-п-р планарного транзистора весьма вероятно возникновение инверсион­

Рис. 8.29. Конструкция

.планарного р-п-р транзи­ стора с противоканальным кольцом:

/ — противоканалыюе коль­ цо; 2 канал.

232

I — противоканальное коль­ цо; 2 — эквипотенциальный электрод .

область, окружающую р-п переход. Во время диффузии эмиттера одновременно сильно легируется область противоканального коль­ ца, отсекающего n-канал (рис. 8.29). Для компенсации заряда окисной пленки противоканальное кольцо часто соединяют с эквипотен­ циальным металлическим электродом, расположенным над коллек­ торным р-п переходом для улучшения стабильности характеристик р-п-р транзистора (рис. 8.30). Таковы основные методы, применяе­ мые для увеличения пробивных напряжений планарных транзи­ сторов.

Заметим, что пробивное напряжение планарного транзистора можно повысить и другими путями. Например, в областях, где будет располагаться периферия коллекторного р-п перехода, можно ло­ кально осадить высокоомную эпитаксиальную пленку; можно соз­ дать транзистор на подложке с переменным удельным сопротивле­ нием, резко увеличивающимся в приповерхностном слое; можно снизить положительный заряд окисла, применяя термообработку в электрических полях, и т. д. Однако при современном уровне тех­ нологии наиболее эффективны рассмотренные нами первые три основных приема повышения напряжения пробоя.

Примером конструкции высоковольтного планарного транзи­ стора может служить изображенная на рис. 8.31 структура, сочетаю­ щая в себе методы охранного кольца и расширенного базового кон­ такта. Периферия коллекторного перехода этой структуры снабже­ на охранным кольцом, уменьшающим влияние искривления на про­ бой, а обедняющий электрод, соединенный с базой, повышает напря­ жение пробоя за счет компенсации нежелательных поверхностных эффектов.

Такая структура используется в высоковольтных транзисторах КТ604—КТ605. Глубина залегания плоской части коллекторного р-п перехода лгк0 « 4 мкм, глубина охранного кольца * к 0 = 10 мкм, а рп = 15 Ом-см.

Al SiOz

233

Применение этих двух методов повышения пробивного напряже­ ния позволило увеличить почти в 3 раза величину (7 к б 0 = 350—380 В по сравнению со значением (7к б 0 = 120—140 В для аналогичных структур без охранного кольца и расширенной металлизации.

Очевидно, подобным же образом можно сочетать и другие мето­ ды повышения пробивного напряжения, выбирая наиболее выгод­ ные условия действия каждого из них, что дает возможность получить максимум пробивного напряжения при минимальном ухудшении частотно-переключательных характеристик транзистора.

Дополнение к гл. 8

Расчет t7Kg с проводим следующим образом. Из [52] можно записать два уравнения для определения границ коллекторного р-п перехода хк (с квази­ нейтральной базой) и хк (с квазинейтральным коллекторном слоем) в зависи­ мости от обратного смещения UKp_n на нем:

к коллекторному р-п переходу, с объемным зарядом в нем. Поскольку со­

234

Подставляя (Д.З, б) в (Д.1) и (Д.2) и проводя интегрирование, находим

—(x''-х).

ѵэ эо

Величину лГ^— x£ = x£-f Wgo — (х"к— хд()) находим из (Д . 4):

Очевидно, что первый член в левой части (Д.7) значительно меньше второго, так как

La

Глава девятая

О С О Б Е Н Н О С Т И СВЧ ТРАНЗИСТОРОВ

9.1. Основные направления в конструировании СВЧ транзисторов

Среди современных кремниевых планарных транзисторов важ­ ное место занимают приборы, предназначенные для работы в диа­ пазоне частот от нескольких сотен мегагерц до нескольких гигагерц при больших уровнях мощности. Существует также целый класс маломощных транзисторов сантиметрового диапазона для исполь­ зования в схемах, где требуются высокое усиление и малые шумы. Если при разработке малошумящих СВЧ транзисторов главной задачей является получение максимального значения предельной частоты fr и малой величины распределенного базового сопротив­ ления Г б , то при разработке мощных СВЧ транзисторов первостепен­ ную важность приобретает вопрос обеспечения равномерного токораспределения и отвода тепла.

Область применения мощных СВЧ транзисторов в специаль­ ной радиоаппаратуре весьма широка: они используются в предоконечных и выходных каскадах усилителей мощности передающих устройств, предназначенных для различных средств связи, в сис­ темах телевизионного приема на общую антенну, в авиационной аппаратуре, в космической телеметрии, в фазированных антенных решетках и для многих других специальных целей. Малосигналь­ ные транзисторы дециметрового диапазона с малым коэффициентом шума с успехом используются вместо преобразователей с барьером Шоттки и туннельных диодов, а также вместо сложных варакторных параметрических усилителей. Кроме того, они часто приме­ няются для широкополосного и узкополосного усиления.

Втабл. 9.1 представлены основные параметры современных зарубежных СВЧ транзисторов (по литературным данным на конец 1971 г.).

В[154] приводятся данные о том, что коэффициент шума тран­

зистора V578 на частоте 4 ГГц составляет 5—6,5 дБ, а на частоте 1 ГГц — всего 2 дБ. Наиболее высокое значение предельной час­ тоты fr, достигнутое в СВЧ транзисторах, составляет в настоящее время 12,6 ГГц [155] при толщине квазинейтральной базы 1200 Â; барьерные емкости коллекторного и эмиттерного переходов равны соответственно 0,08 и 0,045 пФ.

Успехи в области разработки СВЧ транзисторов стали в о з ­ можны в результате широкого и детального исследования электри-

236

*' Дл я использования в схемах с общей базой.

ческих и тепловых процессов, происходящих в структуре высоко­ частотных (в том числе и эпитаксиально-планарных) транзисторов, а также благодаря резкому качественному скачку в технологии, который привел к значительному усовершенствованию таких про­ цессов, как диффузия, эпитаксиальное выращивание, фотолито­ графия и создание омических контактов.

Основные проблемы, которые приходится решать при конструи­ ровании мощных транзисторов СВЧ диапазона, вытекают из тре­ бований, предъявляемых к параметрам этих транзисторов и опре­ деляющихся особенностями их применения в конкретных схемах. Несомненно, наиболее обширной областью применения является использование таких транзисторов в различных высокочастотных усилителях мощности. В связи с этими важнейшими характеристи­ ками, определяющими класс мощных СВЧ транзисторов, являются рабочая частота, максимальная выходная мощность, коэффициент усиления по мощности и коэффициент полезного действия.

Существует еще целый ряд параметров, специфичных для этого класса планарных кремниевых транзисторов, однако все они в той или иной степени определяют четыре вышеназванные характеристи­ ки. Таким образом, основные направления в конструировании СВЧ

237

мощных транзисторов обусловлены необходимостью одновременного сочетания требуемых высокочастотных свойств и энергетических показателей.

Все трудности, которые связаны с получением больших мощ­ ностей на высоких частотах, вытекают из противоречивости тех требований, которые предъявляются к размерам транзисторной структуры. Например, для повышения частотного предела необ­ ходимо уменьшать емкость коллекторного перехода, т. е. факти­ чески его площадь. Однако требование увеличения полезной мощ­ ности неизбежно влечет за собой увеличение размеров транзистор­ ной структуры.

оттеснение его к периферийной части эмиттера. Топология транзис­ тора разрабатывается таким образом, чтобы обеспечить макси­ мальное отношение периметра эмиттера к его площади; тем самым удается значительно увеличить активную область транзисторной структуры и обеспечить достаточно большой рабочий ток без уве­ личения общих размеров всей структуры. Идея создания транзисто­

Первым важным практическим результатом этой идеи явилась разработка гребенчатой (interdigitated) конфигурации транзистор­ ной структуры, в которой эмиттерная область имеет в плане вид «гребенки», а контакты эмиттера и базы располагаются рядом, регулярно чередуясь (см., например, [156]). Гребенчатая (или полосковая) конфигурация является основной для большинства мощ­ ных СВЧ транзисторов; фотография одного из них представлена на рис. 9.1.

Следующим крупным шагом в разработке транзисторных струк­ тур с высоким отношением активной части площади перехода к об­ щей площади было создание многоэмиттерных (overlay) транзисто­ ров [157—159], в которых вместо одного непрерывного эмиттера или набора вытянутых параллельных полосок имеется большое ко­ личество отдельных маленьких эмиттерных областей, объединенных слоем общей металлизации (рис. 9.2). Таким путем удается в преде­ лах той же самой площади коллекторного перехода получить гораз­ до больший периметр эмиттера. Кроме этого, многоэмиттерная конфигурация предполагает наличие в базовой области транзистор­ ной структуры сильнолегированной р+-сетки, являющейся пас­ сивной частью и соединенной с активной высокоомной областью базы. Наличие низкоомной р+-сетки позволяет значительно умень­ шить пассивную составляющую базового сопротивления и переход­ ное контактное сопротивление между кремнием и алюминием, т. е. в конечном счете снизить действительную часть входного им­ педанса прибора. Наконец, .третьим существенным отличием от гребенчатой конфигурации является то, что эмиттерная металлиза­ ция, объединяющая все отдельные эмиттерные элементы, проходит

23§