Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

2 12	Гл. 2. Биполярные транзисторы
	Базовый элемент И2 Л (см. рис. 2.27 в) представляет собой ком-

бинацию горизонтального р-п-р-транзистора (так называемого инжектора) VT1 и вертикального п-р-п- (усилительного) транзистора VT2, который обычно делается многоколлекторным для реализации необходимых логических функций с помощью «проводного ИЛИ». Усилительный транзистор имеет «скрытый» эмиттер, сильно легированный коллектор и базу, профиль легирования которой (для создания тянущего электрического поля) создают ионной имплантацией (см. рис. 2.22 и его обсуждение в тексте). При подаче на эмиттерный переход р-п-р-транзистора прямого смещения инжектируемые из р+ -области дырки попа-

дают в р-область, которая	одновременно является коллектором
транзистора VT1 и базой транзистора VT2. Эти дырки создают
в базе п-р-п-транзистора	заряд, вызывающий открывание этого
транзистора, если только	вывод базы транзистора не соединен

с общим проводом через выход какого-либо другого		логиче-
ского элемента. Поскольку р-п-р-транзистор	включен	по схе-

ме с ОБ и имеет высокое выходное сопротивление, его можно рассматривать как генератор тока, что позволяет изобразить эквивалентную схему логического элемента в виде, показанном на рис. 2.27 6. Если вход такого элемента замкнуть на общий провод (например, через открытый транзистор другого логического элемента), то транзистор VT2 закроется и на его выходах (к которым подключаются входы других логических элементов) установится состояние логической 1. При разомкнутом входе ток, втекающий в базу п-р-п-транзистора из инжектора, поддерживает транзистор в открытом состоянии и потенциал его коллекторов близок к нулю (состояние логического 0).

Возможности функциональной интеграции элементов в микросхемах И2 Л иллюстрирует пример построения ячейки статического запоминающего устройства, показанный на рис. 2.28. Такие запоминающие устройства широко используются в ЭВМ. Для подачи смещения на все усилительные транзисторы в ячейке используется один общий инжектор — область рз, которая создана диффузией в эпитаксиальный слой n-типа. Диффузионная область pi одновременно служит коллектором горизонтального транзистора VT3 и базой вертикального транзистора VT2, а область р2 — коллектором VT4 и базой VT1. Эмиттерами транзисторов VT1 и VT2 является скрытая п'н-область, расположенная под эпитаксиальным слоем; контакт к этому слою образует горизонтальная полоска, обозначенная которая подклю-

чается к адресной шине АШ. Перекрестные связи между коллекторами и базами транзисторов VT1 и VT2 осуществляют дье

+
2.8. Элементы интегральных схем на биполярных транзисторах	213

'Горизонтальные заштрихованные перемычки. Вторые коллекто-

транзисторов,		расположенные в центрах областей р\ и рг
помеченные п + ,		являются выходами ячейки и подключают-
с я к	разрядным шинам РШ. Плотность упаковки элементов в
запоминающем устройстве на самом деле еще выше, поскольку
«дин	инжектор (область рз) используется одновременно для по-

ддачи смещения в две соседние ячейки памяти (вторая из них,

^геометрически расположенная левее			инжектора, на		рис. 2.28 не
	«оказана).
:	г				ИНЖ.
	j
•	^
			I VT3		VTl
					К
					К
	Л V
	ллг \
			РШ		РШ
	Г,:.		Г у н		VT2
			АШ
	^ С "
	$ «: . 2.28. Топология (а) и	электрическая	схема (б)	ячейки	запоминающего
	устройства	на основе И2 Л-вентилей		[157]

"Дальнейшее п о в ы ш е н и е плотности упаковки и быстродействия

микросхем И2Л с в я з а н о с д в у м я				изменениями в их конструкции			[157]:
1), использованием	п о д л о ж к и		р-типа		г	качестве и н ж е к т о р а	(такие
структуры, н а з ы в а е м ы е		S F L (substrate			fed	logic), позволяют у в е л и ч и т ь
Плотность у п а к о в к и	в 2	- 3 раза	за	счет уменьшения числа м е ж э л е м е н т -
ных с о е д и н е н и й на	поверхности			кристалла) и 2) применением			диодов
Шоттки в к а ч е с т в е	р а з в я з ы в а ю щ и х и шунтирующих элементов .						Р а з в я з -
ка выходов логического		э л е м е н т а		с помощью диодов Ш о т т к и п о з в о л я е т

исключить необходимость с о з д а н и я многоколлекторных транзисторов,

а уменьшение напряжения логического перепада до 150-350 мВ позволяет в 2-3 раза уменьшить динамическую мощность рассеяния (см. п. 4.2) и соответственно увеличить быстродействие. Использование фиксирующих диодов Шоттки (см. рис. 2.20) позволяет избежать насыщения усилительных транзисторов и тем самым еще более повышает быстродействие микросхем.

Логические элементы И2 Л нашли широкое применение при создании цифровых ИС на биполярных транзисторах. В качестве примера можно привести выпускаемые отечественной промышленностью микромощные статические запоминающие устройства серии К541 и микропроцессорные комплекты серий К583, К584.

2 1 4	Гл. 2. Биполярные	транзисторы
Элементы	И2 Л обладают достаточно	высоким быстродействием;

в современных элементах задержка распространения может достигать 320 пс/вентиль [141], а произведение времени задержки на среднюю мощность потребления (которое иногда называют энергией переключения) *) — 0,02 пДж [156].

В случае, когда требуется особенно высокое быстродействие, используются логические ИС эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), базовая ячейка которых представляет собой управляемый переключатель тока [136]. Работа транзисторов в этих микросхемах в режиме, исключающем насыщение, и небольшой логический перепад напряжений (около 0,6 В) позволяют строить из таких ячеек наиболее быстродействующие ИС на биполярных

транзисторах. Так, в	1999 г. задержка распространения сигнала
в микросхемах ЭСЛ,	в которых использовались гетеропереход-

ные (НВТ) транзисторы Si/Sij-^Ge^ с размерами эмиттера 2х х0,2 мкм, достигла 6,7 пс [158]. К сожалению, являясь наиболее быстродействующими среди биполярных логических ИС, микросхемы ЭСЛ характеризуются и наиболее высокой потребляемой мощностью, В настоящее время производство микросхем ЭСЛ практически свернуто, поскольку более высокие параметры удается получить на кремниевых ИС, изготовленных по BiCMOSтехнологии (см. с. 283), и на арсенид-галлиевых полевых транзисторах с барьером Шоттки (см. п. 4.3).

') Величина этого произведения может служить оценкой энергии, необходимой для выполнения одной логической операции, и широко используется для сравнения различных типов микросхем. Например, типичное значение этого произведения для стандартных микросхем ТТЛ серии SN74 (К155) составляет 100 пДж, для маломощных микросхем ТТЛШ серии SN74ALS (К1533) — 8 пДж, микросхем ЭСЛ серии МС10000 (К500) — 50 пДж . Поэтому сразу становятся понятными преимущества микросхем И 2 Л, для которых значение энергии переключения не превышает 1 п Д ж [131]-

Г л а в а 3

ТИРИСТОРЫ И ДРУГИЕ МНОГОСЛОЙНЫЕ СТРУКТУРЫ

*

3.1.Тиристоры

*Тиристор представляет собой более сложный по сравнению С'биполярным транзистором прибор, основой которого является четырехслойная р-п-р-п-структура. Из-за сильного взаимодействия входящих в эту структуру р - п - р - и п-р-п-транзисторов, Тиристоры приобретают новое свойство: они обладают биста- бильными вольт-амперными характеристиками и могут переключаться из одного состояния в другое. В закрытом состоянии тиристор выдерживает подачу на него достаточно высокого напряжения (от 100 В до 10 кВ), практически не пропуская при этом ток, а перейдя в открытое состояние, может пропускать токи от единиц до тысяч ампер при низком падении напряжения

(1-2 В).

г

На особенности усилительных свойств четырехслойной р-п-р-п- структуры первым обратил внимание Шокли [110], обсуждая причины необычно высокого коэффициента усиления по току точечных транзисторов. В 1955 году Молл с соавт. (Bell Laboratories) заложили основы теории и создали первые четырехслойные структуры с б и с т а б и л ь н ы м и характеристиками 159]. Исследования этих авторов позволили у в и д е т ь большие перспективы применения тиристоров в силовой электронике. Являясь твердотельными аналогами газоразрядного прибора тиратрона и отличаясь от последнего существенно более низким падением напряжения в открытом состоянии, т и р и с т о р ы быстро

вытеснили тиратроны из сильноточной э л е к т р о н и к и .			Тиристоры		о к а з а -
лись идеальными приборами для	к о м м у т а ц и и	б о л ь ш и х		токов,	созда -
ния управляемых выпрямителей и	п р е о б р а з о в а	т е л е й	тока .	Они	ш и р о к о

216	Гл. 3.	Тиристоры		и другие многослойные				структуры
используются в		гибких с и с т е м а х			передачи	э л е к т р о э н е р г и и как ком-
пенсаторы реактивной			м о щ н о с т и ;		в к а ч е с т в е		и н в е р т о р о в (преобразо-
вателей	постоянного		тока	в п е р е м е н н ы й )		в	в ы с о к о в о л ь т н ы х		линиях
электропередачи		постоянного тока; в с и с т е м а х					электропривода		(желез-
нодорожный транспорт и др,); в					м е т а л л у р г и и ;		для	формирования им-

пульсов высокого напряжения в ф и з и к е в ы с о к и х э н е р г и й . Выпускаемые

в настоящее время тиристоры имеют д и а м е т р	до 100-150 мм (то есть
один прибор может занимать ц е л у ю п л а с т и н у	кремния!) . В общем, ти-
ристоры — это самые крупные и м о щ н ы е п о л у п р о в о д н и к о в ы е		приборы,
По возможности управления характеристиками описываемых
четырехслойных структур их обычно подразделяют на		тиристо-

ры (управляемые структуры, имеющие третий вывод — управляющий электрод)1) и динисторы (неуправляемые структуры с двумя выводами). Последние приборы не очень распространены и используются в схемах релаксационных генераторов и формирователей импульсов.

			катод	Типичный					профиль
	анод			легирования			стандартного
				диффузионно-сплавного
				тиристора			показан				на
				рис. 3.1.		Эту		структуру
				получают следующим об-
	s			разом.		Сначала				с	помо-
				щью	диффузии					акцеп-
	о
				торной		примеси				(В, А1)
				на противоположных							сто-
				ронах пластины					из		слабо
	0	W	х	легированного				n-Si			тол-
				щиной 0,3-1 мм (область
	Рис. 3.1. Структура и типичный профиль ле-
				7i 1	на	рисунке)				создают
	гирования тиристора			области		р\	и р2;			толщи-
	на пластины	и ее уровень легирования			выбираются					исходя

из требуемого максимального рабочего напряжения тиристора (об этом мы будем говорить ниже). После этого на одной из только что созданных поверхностей р-типа путем вплавления

сплава Au+Sb	создают	катодную область n-типа			(область	п2
на рисунке). В итоге получается четырехслойная					структура с
тремя р-п-переходами.		Область,	обозначенную	на рисунке		р 1,
называют анодом тиристора, а			область п2 —	его катодом.
Управляющий	электрод	тиристора подключается к области				р2.

') В отечественной литературе такие трехэлектродные приборы также на-

зывают тринисторами или кремниевыми управляемыми

вентилями.

л	3.1. Тиристоры	217
г

#3.1.1. Вольт-амперные характеристики тиристора. Вольт-

Ймперная характеристика динистора (и, соответственно, тири- с т о р а при нулевом токе через управляющий электрод) показана

рис. 3.2.

*При подаче на тиристор

^обратного		напряжения	(ми-
j i y c	к аноду) переходы		p l -
f n l	и р2-п2 смещаются			в
(••'обратном		направлении,		а

}Переход п\-р2 — в прямом. При этом большая часть

	приложенного		напряжения
	%адает на области простран-
	ственного заряда			перехода
	I - n l ,	которая располага-
	ется в основном в слабо				Рис. 3.2. Вольт-амперная характеристика
	ц^гированной		(nl)	области
	|;$труктуры. Поэтому наибо-				тиристора при нулевом токе через управ-
					ляющий	электрод
	лее важными		параметрами,
	Скоторые	определяют максимальное обратное				напряжение на

- тиристоре, оказываются уровень легирования и толщина области п 1.

Максимальное обратное напряжение на тиристоре ограничивается двумя величинами: напряжением возникновения

лавинного пробоя перехода р\-п\				и напряжением	возникно-
вения	прокола	структуры	(когда	область пространственного
. Заряда	перехода	p l - n l	достигает	границы слоя	р2), Как

v-.иы показали в п. 2.3, напряжение пробоя толстого р - п - }перехода изменяется примерно обратно пропорционально Концентрации примеси в базе (формула (1.67)), а напряжение

прокола — прямо пропорционально ей (К-рок и	2ivqNdW2/£).
Поэтому для каждого значения толщины базы W	тиристора

существует некий оптимальный уровень легирования, при

*отором достигается максимальное напряжение	пробоя
р-п-перехода (см. рис. 3.3). Этот уровень легирования	можно

оценить, считая, что лавинный пробой и прокол структуры возникают при одном и том же обратном смещении.

На самом деле при расчете условий возникновения лавинного пробоя необходимо учитывать, что рассматриваемой структуре присуще внутреннее усиление, поскольку при высоких обратных напряжениях транзистор, образованный слоями pi, n l и р2, ведет себя совершенно аналогично транзистору с оборванной базой

2 1 8

Гл. 3. Тиристоры и другие многослойные

структуры

(см. п. 2.3). А именно, его напряжение пробоя равно

V M ^ p r f O - a O 1 / " 1 ,

где Кроб — напряжение пробоя р-п-перехода, т ж 4, а ац — коэффициент усиления транзистора. Поскольку толщина электронейтральной области базы W' в рассматриваемом транзисторе довольно велика (при низких обратных напряжениях она сравнима или может даже превышать диффузионную длину), то этот транзистор имеет невысокий коэффициент усиления (ai ~ 0,5), который в основном определяется эффективностью переноса носителей через базу транзистора в соответствии с формулой (2,8),

		Рассмотрим			теперь, что
		формирует вольт-амперную
		характеристику			тиристора
		при подаче на него прямого
		смещения (плюс к аноду).
	со	При	такой полярности на-
		пряжения переходы				р\-п\
	ф)
	£	и р2-п2		структуры		смеще-
		ны в прямом направлении,
		а переход п 1 -р2 — в обрат-
		ном. При невысоких прило-
		женных		напряжениях ток,
		протекающий			через	тири-
		стор,	определяется			обрат-

	Ndf см	ным током перехода					п\-р2.
	Рис. 3.3. Зависимость максимального об-	Найдем			условие	вклю-
		чения	тиристорной			струк-
	ратного напряжения в кремниевых тири-
	сторах при 300 К от уровня легирования и	туры (напряжение пере-
	толщины базы прибора (пунктир). Сплош-	ключения		V^ep на рис. 3.2).
	ными линиями показаны ограничения, на-	Формально			это	условие
	кладываемые лавинным пробоем толстого
	р - r v перехода и проколом структуры [14]	можно	рассматривать				как
		условие		обращения		в	бес-

конечность производной тока анода тиристора по напряжению на аноде (потенциал катода будем считать равным нулю). Эквивалентную схему тиристора можно представить в виде двух вклю-

ченных навстречу друг другу р-п-р-			и п-р-п-транзисторов (см.
рис. 3.4). В этой эквивалентной		схеме для		п-р-п-транзистора
можно	записать:
	1к2 = <*NIK +		Лс02>	(3-1)
г д е j K	_ т о к катода тиристора	(который		служит эмиттером

3.1. Тиристоры

219

fi-р-п-транзистора), /к 0 2 — обратный ток коллектора этого

транзистора, адг — его статический		коэффициент		усиления.
При анализе этого уравнения необходимо			учесть, что	величина
а н сама	зависит от протекающего через		транзистор	тока (см.
'п. 2.2.3),	и поэтому приращение тока	коллектора равно

dIK2 = [ адг •+• ^K-jj^j dIK + dIK02-

(3.2)

11

Входящая в это уравнение величина с*2 = адг + -^к {daw/dlx)

.представляет собой коэффициент усиления транзистора, измеренный на малом сигнале (в том смысле, как он был определен

'.В П. 2.5.2).

4 >

	'Г'	упр
	i
	управл.	управл.
		электрод
	у«электрод
	V "	Сер

катод

о

L62

к

t h:

М				n
анод				анод
a				б
Рис. 3.4. Эквивалентная схема тиристора
Выведем теперь выражение для приращения тока базы						р - п -
р-транзистора. Исходя из уравнений			IKi	= а р / д + /к01	и	Jsi =
a / а ~ /К1 и учитывая, что		величина	а р	тоже зависит	от	тока,
получаем:		dotp
dl6i	= ( 1 - ар			- d/Koi -
		- /дdlа				(3.3)
Здесь I A — ток	анода тиристора (эмиттера р-п-р-транзистора),
Ле0| — обратный ток коллектора этого				транзистора,	а	а р —
его статический	коэффициент усиления. Выражение в скобках

Mp[apIA

220	Гл. 3. Тиристоры и другие многослойные структуры

представляет собой разность единицы и коэффициента усиления

а, —ар-\- IA(daP/dIA) р-п-р-транзистора, измеренного на ма-

лом сигнале. Поскольку dl^i — dIK2, то можно записать, что

(1 -	Qi)rf/A		- dIK01 = a2dIK + dIK02.
Учитывая, что dlк	= dIA		+ dlynp,		окончательно	находим
aiA —		a2dlynp		+ d(IK01 + /ког)		.
				— - f	г
			1 -		(ai + a2)

(3.4)

сч

( O . d j

Поскольку при увеличении напряжения на аноде тиристора обратные токи коллекторов обоих входящих в структуру транзисторов возрастают, то условием бесконечно сильного возрастания вызванного ими тока анода при /упР — 0 является обращение в единицу суммы малосигнальных коэффициентов усиления двух образующих структуру транзисторов:

с*] + Ос2 = 1.

(3.6)

В проведенном выше расчете мы пренебрегли ударной ионизацией носителей — умножением токов электронов и дырок при прохождении носителями области сильного поля в обратно смещенном р-п-переходе, Учтем этот эффект. Ток дырок, движущихся в р-п-р-транзисторе от анода к катоду, умножается в области сильного поля в Мр раз и составляет + /Koi]>

а ток электронов в п-р-п-транзисторе, движущихся в						направ-
лении от	катода	к аноду, умножается в Мп	раз	и	составляет
М п [ а ^ 7 к	4- /ког]	Тогда полный ток в структуре		равен
	/ = Мр[аР1А 4- 1*01] + Mn[aNIK		4- /ко2].			(3-7)

Как и выше, рассчитаем приращение тока dl, вызванное увеличением приложенного к структуре напряжения. Изменение этого напряжения вызывает не только изменение токов JKoi и /к02, но и изменение коэффициентов умножения Мр и Мп\

dl = Мр [а 1 dIA + dIK 01] + dMp[aplA

+ 4 o i ]

4- М п [ а 2 й / к + dIKQ2] 4- d M n [ a ^ / K 4- JK02]- (3.8)

') Под величинами /Kai и IK02 выше и здесь мы подразумеваем дырочную и электронную составляющую обратного тока перехода п\-р2.

3.1. Тиристоры

221

•При нулевом токе управляющего электрода /д = / к = I и тогда, ^группируя слагаемые в (3.8), получаем, что

dI	= Мр	dIKm+Mn	dIKQ2+dMp\аР1+1к0]}+dMn[ajV					J+/к02]
ll				1— Л/ра i -	Мпа2			(3.9)
г
• • Из	этой	формулы	следует, что с		учетом ударной			ионизации
Д условием переключения тиристора является						условие
		Mp(V2)ai		+ Mn (V2 )a2 =		1,		(3.10)
где	Уч — напряжение на			обратно смещенном			переходе n l - p 2 ,
i которое приблизительно				равно приложенному			к тиристору на-

' . тпряжению. Входящие в эту формулу коэффициенты усиления a j Ч ;и аг зависят от протекающего через тиристор тока (из-за зависимости коэффициента инжекции эмиттера от тока, см. п. 2.2.3)

напряжения V^ (из-за зависимости коэффициентов переноса Носителей в базах транзисторов от толщин электронейтральных f областей баз, которые в свою очередь зависят от напряжения смещения, см. п. 2.2.2). Поэтому формула (3.10) представляет К „собой уравнение, задающее в неявной форме положение точки

•^^переключения на прямой ветви вольт-амперной характеристики v .тиристора.

Если протекающий через тиристор ток станет выше тока

переключения	(/п е р на	рис. 3.2), то	в тиристоре включается по-
ложительная	обратная	связь. Электроны, инжектируемые пере-
в о д о м р2-п2	и достигающие базы		n l , еще сильнее открывают

...Переход p l - n l , а инжектируемые этим переходом дырки,	попада-
. ющие в область р2, сильнее открывают переход р2-п2	и стиму-

"^Шруют дальнейшее нарастание тока электронов. Концентрации %йжектируемых в области n l и р2 дырок и электронов возрастают настолько, что при некоторой величине тока, называемой

''током включения / в к л , напряжение на среднем			р-п-переходе
Проходит через нуль (транзисторы входят в режим			насыщения).
'Это происходит при обращении в единицу суммы			статических
коэффициентов усиления, ар + а^	= 1. При	I >	1ВК„ все три
р-n-перехода в тиристоре смещены	в прямом	направлении.

Чтобы устойчиво поддерживать тиристор в открытом состоянии, необходимо, чтобы протекающий через него ток был выше некоторой критической величины, называемой током удержания (/у д на рис. 3.2). Этот ток определяется из условия обращения в бесконечность производной dl^/dV^. Теоретический расчет этой величины представляет большие трудности,