Рис. 11.13. Транзистор с боковой ин- |
Рис. 11.14. Транзистор с боковой ин- |
жекцией по интегральной схеме. |
жекцией на сапфире. |
имеющий кристаллическую структуру, близкую к кремнию (на пример, сапфир), осаждают эпитаксиально пленку кремния тол щиной порядка нескольких микрон. Затем проводят диффузию соответствующей примеси на всю толщину эпитаксиального слоя и создают контакты. При этом, если область эмиттера имеет вытя нутую форму, а коллекторные области расположены с двух сторон (рис. 11.14), то большая часть инжектируемых носителей попадает на коллектор и коэффициент усиления ß C T будет достаточно высок (20—50) [2483. Остальные характеристики такие же, как и у тран зистора с эпитаксиальной базой.
Транзисторы с боковой инжекцией обычно не применяются в дискретном исполнении, однако они очень удобны в интеграль ных схемах. В ИС часто возникает необходимость в согласовании цепей с помощью р-п-р транзисторов, от которых не требуется вы соких усилительных характеристик, и в этом случае может быть с успехом применен транзистор с боковой инжекцией.
Технология на диэлектрической подложке удобна тем, что одно временно можно создавать как р-п-р, так и п-р-п транзисторы,
илегко обеспечивается межэлементная изоляция. Благодаря этому
внизковольтных схемах успешно применяются приборы этого типа.
11.5.Бескорпусные транзисторы и транзисторы
впластмассовых корпусах
Ранее мы рассматривали транзисторы, собранные в металлостеклянные или металлокерамические корпуса. В этих вариантах защита транзисторной структуры от внешней среды осуществляется герметизацией кристалла, которая выполняется чаще всего метода ми «холодной сварки». Однако существуют области применения, в которых необходимо изолировать структуры на уровне кристалла. Наиболее важной областью применения таких приборов являются гибридные ИС, представляющие собой систему определенного коли чества активных (транзисторы, диоды) и пассивных (резисторы, емкости, индуктивности) элементов, соединенных на общей под-, ложке с помощью специальной (иногда многослойной) разводки. Транзисторы, защищенные на уровне кристалла, получили название
бескорпусных транзисторов. Защита бескорпусных транзисторов обеспечивает возможность их монтажа в гибридную схему. Гер метизация же их проводится после изготовления всех элементов схемы. В этом случае окончательная защита от влияния внешней среды обеспечивается герметизацией на уровне схемы в целом.
Бескорпусный транзистор должен отвечать двум основным требованиям. Во-первых, транзистор должен иметь удобные выводы, для того чтобы можно было измерить параметры его перед монтажом в гибридную схему, во-вторых, эти параметры должны сохраняться в процессе монтажа в схему.
Создание бескорпусных транзисторов включает, таким образом, создание контактов и дополнительную защиту критичных к внешне му воздействию областей прибора.
Простейший вариант бескорпусного транзистора — обыкновен ный кристалл с планарной структурой, на поверхность которого нанесено защитное покрытие, а контактные площадки снабжены проволочками диаметром порядка нескольких десятков микрон, которые впоследствии привариваются к токоведущим дорожкам гибридной схемы. Однако применение таких транзисторов трудоем ко, а схемы на их основе имеют не очень высокую надежность.
Более приемлемым вариантом является транзистор с шариковы ми выводами, примером которого может служить описанный в [249] транзистор. Выводы такого прибора представляют собой конструк цию, изображенную на рис. 11.15. Контактная площадка из алю миния покрывается напыленным слоем ванадия, затем меди. После этого выращивается гальванический медный шарик диаметром по рядка 20 мкм, который покрывается сверху слоем серебра и облуживается. Кристалл монтируется выводами на металлизированную разводку — схему путем распайки.
Для защиты бескорпусных приборов могут быть использованы нитрид кремния, примесносиликатные стекла или специальные составы, которые защищают поверхность транзисторов от внешних воздействий в процессе измерений и монтажа.
Необходимость использования дополнительных покрытий в бес корпусных транзисторах объясняется следующими причинами. Пленка двуокиси кремния толщиной около 1 мкм непроницаема при температуре до 300° С почти для всех газов, кроме HF. Однако
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
влага |
постоянно |
гидратирует |
поверх |
ность |
пленки |
Si02 , |
|
изменяя |
поверх |
ностный |
заряд |
Qsio„, |
и |
способствует |
миграции |
ионов |
различных |
примесей |
(например, |
натрия) |
|
по |
поверхности |
пленки. Это |
приводит |
к дрейфу пара- |
Рис. 11.15. Сечение |
шарикового |
|
вывода: |
|
/ — слой |
алюминия; |
2— |
слой |
ванадия; |
3 — слой |
меди; |
4 — медный |
шарик; |
5 — слой |
серебра; |
6 — слой |
олова. |
|
|
|
|
|
|
|
|
метров, чувствительных |
к |
состоянию поверхности — / |
к о 0 и |
ВС1. |
Если |
относительная |
влажность |
воздуха не превышает |
50—60% |
при |
температурах до |
30° С, |
то |
транзисторы с одной пленкой при |
небольших напряжениях |
(UKa^. |
10 В) обладают достаточной |
ста |
бильностью параметров. При повышенных температурах и более высокой влажности требуется дополнительная защита пленки пу тем нанесения влагостойких стекол или эмалей.
В работе |
[250] доказана пригодность использования в качестве |
влагостойких |
стекол тройных систем РЬО — Si0 2 — В 2 0 3 с до |
бавками окисла цинка, меди и алюминия. Пленка стекла наносилась центрифугированием из суспензии тонкого порошка стекла (диа метр зерна составлял 0,1—0,5 мкм) с последующим оплавлением при температуре 510—-520° С в течение 5 мин. Коэффициент линей ного расширения стекла достаточно близок к аналогичному коэф фициенту для кремния и равен 8 - Ю - 6 град"1 . Толщина пленки стекла достигала 1—1,5 мкм. Для того чтобы исключить взаимодей ствие свинцово-боросиликатного стекла с пленкой фосфорно-сили- катного стекла, образовавшегося на поверхности кристалла в про цессе диффузии эмиттерной примеси, применялся еще промежуточ
ный слой SiO. Пленка моноокиси кремния напылялась на |
поверх |
ность кристалла испарением в вакууме и |
имела толщину 0,3— |
0,35 мкм. |
|
|
Для механического закрепления термокомпрессионных про |
волочных контактов к металлизированным |
контактным |
площад |
кам эмиттера, коллектора и базы на всю поверхность кристалла на носилась капля компаунда, содержащего специальные смолы и на копители. Как видно из вышеизложенного, защита бескорпусных транзисторов требует достаточно большого количества различных технологических операций, а окончательная защита оказывается
многослойной: |
Si0 2 — фосфорно-силикатное |
стекло — SiO — |
стекло — компаунд. |
|
Герметизация полупроводникового прибора может быть осу ществлена также с помощью монолитного пластмассового корпуса. Транзисторы, герметизированные с помощью пластмассы, получили название транзисторов в пластмассовых корпусах. Основным преимуществом пластмассового корпуса перед металлостеклянным
|
|
|
|
|
|
является его низкая стоимость. Так, |
по данным некоторых |
амери |
канских фирм, стоимость прибора |
в |
пластмассовом |
корпусе |
может быть уменьшена на 25—40%. |
Однако |
герметизация |
с по |
мощью пластмасс связана со значительными |
трудностями, |
опре |
деляемыми специальными требованиями к пластмассам. |
|
|
Основными из них являются следующие: |
|
|
|
1. Влагостойкость. Применяемый |
для |
герметизации |
материал |
должен препятствовать попаданию влаги на кристалл и монтажную пластинку. Необходимо также, чтобы пластмасса сообщала гидро-
фобность |
поверхностям, |
по которым может возникнуть утечка. |
2. Теплостойкость. |
Температура |
работающего |
прибора |
в не |
которых |
случаях может |
достигать + |
200° С. Кроме |
того, в |
про- |
г
с =
Рис. 11.16. Этапы изготовления маломощного транзистора в пластмассовом кор пусе.
цессе специальных испытаний на ускоренное старение прибор мо жет быть нагрет до еще более высоких температур. Естественно, что в таких условиях пластмассовый корпус не должен разрушаться прежде, чем транзисторная структура потеряет работоспособность.
3. Отсутствие влияния на параметры и структуру прибора.
Пластмасса не должна ухудшать нормальной работы прибора. Таким ухудшением может быть загрязнение структуры мигрирую щими из пластмассы ионами, например щелочных металлов, либо деформация структуры, приводящая к разрыву контактов s струк туре.
4. Химическая стойкость. После герметизации приборы могут быть подвергнуты очистке или другой химической обработке с целью нанесения покрытия. Пластмассовый корпус должен обладать необ ходимой стойкостью к воздействию применяемых при этом химреактивов (чаще всего органическим растворителям).
5.Электрические свойства. Пластмасса должна иметь высокое объемное и поверхностное сопротивление, высокую электрическую прочность и низкую диэлектрическую проницаемость, и не изме нять этих свойств во влажной среде.
6.Механическая прочность и простота нанесения покрытия.
Пластмассовый корпус должен отвечать требованиям устойчивости
кударным, вибрационным и другим механическим нагрузкам. В то
же время он должен быть в известной степени пластичным, чтобы не допустить появления трещин за счет различия коэффициентов
Рис. 11.17. Мощный транзистор пластмассовом корпусе.