ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 292
Скачиваний: 8
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> $»> |
%і — 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 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Іп=Хп-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