|
| |
|
Главная Журналы рации неосновных носителей к толщине базы и к толщине тонкого коллектора Wh, которые значительно меньше соответствующих диффузионных длин. Следовательно, токи насыщения переходов транзисторной структуры больше, чем у обычного диода, а прямое напряжение несколько меньше. Структуры / и III работают в соответственно прямом и инверсном транзисторном режиме ири короткозамкнутом выходе. Дрейфовый транзистор имеет несимметричную структуру, поэтому транзисторный эффект наиболее сильно проявляется в структуре /. ВАХ этой структуры соответствует ВАХ транзистора, включенного по схеме с общей базой при /кб = 0- Практически все носители тока, инжектированные л+-областью, в результате диффузии и дрейфа переносятся через базу и перехватываются внутренним статическим электрическим полем коллекторного.перехода, поэтому в таком диоде ток в основном протекает, по цепи коллектор - база - эмиттер транзисторной структуры. Большое влияние на ВАХ рассматриваемого диода оказывает сопротивление тела коллектора Гтк. При малом Гтк (сильиолегированная коллекторная область или коллектор со скрытым л+-слоем) прямое напряжение в структуре рис. 4.3.1,а минимальное. Положительным свойством данной структуры является также отсутствие активного воздействия подложки на характеристики диода, так как инжектирующий переход паразитного р-л-р-транзистора замкнут. Обратное пробивное напряжение диодов со структурами /, и /У определяется напряжением лавинного пробоя эмиттерного перехода t/эБ проб, которое находится в пределах 5 ... 7 В, а в диоде со структурой У/- напряжением лавинного пробоя коллекторного перехода t/ig проб, которое зависит в основном от степени легирования области коллектора и находится в пределах 20 ... ... 50 В. Напряжение пробоя диодов / и У зависит от толщины и степени легирования области базы. При узкой и слаболегированной базе возможно смыкание области объемного заряда коллекторного перехода с областью объемного заряда эмиттерного перехода. Если эмиттерный переход замкнут {V=0) (рис. 4.3.1, /), то L/-g npo6 = f/cMK- При разомкнутом эмиттерном переходе (рис. 4.3.1,У) /к:б дроб=/смк+/эБ проб- Интенсивный рост обратного тока диода начинается в том случае, когда плавающее напряжение эмиттер -база t/эБ nji достигает напряжения пробоя эмиттерного перехода t/эБ дроб- Если смыкание коллекторного и эмиттерного переходов отсутствует, то пробивное напряжение рассматриваемых диодов определяется напряжением лавинного пробоя коллекторного перехода. Обратный ток диода зависит от степени легирования областей структуры, на основе которой сформирован диод, и площади р-л-перехода. В конструкциях быстродействующих ИС, легированных золото.м, обратные токи переходов в основном определяются генерацией - рекомбинацией носителей тока в областях объемных зарядов. Минимальными обратными токами характеризуются диоды со структурами / и IV, сформированные на основе эмиттерного перехода, который имеет минимальную площадь, минимальную ширину обедненного слоя перехода и минимальные концентрации неосновных носителей в приграничных областях. Максимальный обратный ток характерен для диодов со структурой , в которой используется параллельное соединение эмиттерного и коллекторного переходов. Емкость диода зависит от емкостей переходов структуры и способа соединения областей. Подложка по переменному току заземлена, так как она всегда соединяется с источником, .имеющим самый низкий потенциал. Следовательно, одна из обкладок конденсатора, образованного областями перехода коллектор - подложка, также заземлена. Таким образом, емкостная цепь, присущая каждому диоду, является трехполюсником, состоящим из проходной емкости диода Сд и паразитной емкости Сдц. Наибольшую проходную емкость имеет диод со структурой , в которой* два перехода соединены параллельно, а наименьшей паразитной, емкостью характеризуется диод со структурой IV. Время восстановления диодов ИС определяется величиной заряда неосновных носителей, накопленных в областях транзисторной структуры. Примерная картина распределения концентрации неосновных носителей показана на рис. 4.3.1,в. Из качественног» сравнения этих рисунков с учетом того, что область коллектора имеет наибольший объем, следует ожидать наименьшего быстродействия у диода со структурой . При одновременном прямом смещении эмиттерного и коллекторного переходов неосновные носители накапливаются в областях базы и коллектора транзисторной структуры. Наибольшим быстродействием характеризуется диод со структурой /, так как неосновные носители накапливаются только в активной области базы, имеющей довольно малый объем. Для диода / время восстановления составляет 5... 10 не, а для диода - примерно 100 не (структуры не легированы золотом). Легирование золотом позволяет уменьшить время восстановления диодов более чем на порядок. Подложка оказывает активное воздействие на диод. Коллекторная область транзисторной л+-р-л-структуры является базовой областью паразитного р-л-р-транзистора с коэффициентом усиления базового тока Встр- При прямом смещении диодов, построенных на основе структур , /, V, VI, эмиттерный переход р-л-р-транзистора также смещен в прямом направлении. Ток подложки /п в Встр раз больше тока, вытекающего из л-областм (база р-л-р-транзистора) структуры. Из-за паразитного воздействия р-л-р-транзистора входной ток диода /вх не равен выходному /вых :/вх~ (-ScT р+1)/вых. Величина Бстр в конструкциях, не легированных золотом, составляет 2 ... 10. В диоде / отсутствует активное воздействие подложки, так как эмиттерный переход паразитного р-л-р-транзистора замкнут. Самые быстродействующие диоды с р-л-переходом полученьз при использовании структур типа КНД и КВД (рис. 4.3.2). Диоды 6-113 161 с торцевыми р-п-переходами формируются диффузией атомов примесей на всю толщину кремниевого островка. Они характеризуются малой площадью р-л-переходов. При площади перехода около 25 мкм2 емкость диода равна 0,005 пФ. Это примерно в Г i>!fn/A 100 раз меньше емкости обычных / . /YFJJl планарных диодов. Время рассасы- вания неосновных носителей состав- ляет около 1 НС при переключении с прямого тока 3 мА к обратному напряжению 2 В. На основе таких диодов изготовляются матричные БИС постоянных запоминающих устройств (ПЗУ). Диоды с барьером Шотки. Диоды " с барьером Шотки (ДШ) широко применяются в ИС благодаря высо- У / / у/ / / У < /у /у / у /у У / У У у у   кому быстродействию, сравнительно низкому падению напряжения на переходе в открытом состоянии t/дш пр?« 0,3...0,45 В при токах, соответствующих рабочим токам других элементов микросхемы. Рис. 4.3.2. Дподы с торцевыми Различные стадии образования /»-л-переходами; структуры КНД Потенциального оарьара Шотки при . (о) и КВД (б) сближении металла с полупроводниками п- (И р-типов показаны на рис. 4.3.3. Потенциальный барьер Шотки в идеализированном контакте металл-полупроводник образуется яри выполнении следующих условий: - термодинамическая работа выхода электрона из металла должна быть выше термодинамической работы выхода из по- гупроводника л-типа Фпп и ниже термодинамической работы выхода из полупроводника р-типа Фцр; - в полупроводнике у границы с металлом должен образоваться слой пространственного заряда (ОПЗ), обусловленный ионизированными донорными (полупроводник л-типа) или акцепторными (полупроводник р-типа) примесями. . Рассмотрим более подробно контакт металла с полупроводником л-типа (рис. 4.3.3,а), когда они соприкасаются. В условиях термодинамического равновесия в результате перехода электронов ЙЗ полупроводника в металл (Фпп<Фм) между полупроводником -Я металлом возникает контактная разность потенциалов: фкмп= = (Фм-Фпп)/?. Потенциальный барьер для электронов полупроводника равен фкмп. Из анализа рис. 4.3.3,а видно, что для электронов металла, стремящихся перейти в полупроводник, потенциальный барьер равен фмп=Фмп/9= (Фм-х)/?. где Фмп -работа, необходимая для перевода электрона с уровня Ферми металла на дно зоны проводимости полупроводника; х-энергия электронно-ю сродства (внешняя работа выхода полупроводника). Величина фмп зависит от вида металла, удельного сопротивления и ориентации кристаллографических осей полупроводника, способа нанесения металла и особенностей технологии. Для барьеров металл - кремний л-типа фмп имеем следующие ориентировочные значения: А1 -0,65зВ; Ni --0,8 эВ; Pd -0,8эВ; Аи -0,85зВ; Pt --0,9 36-Приповерхностная область полупроводника обеднена электронами и при использовании слаболегированного кремния (ЛдЮ в ней образуется пространственный заряд. см-з) Сопршетбение  Рис. 4.3.3. Энергетические диаграммы, иллюстрирующие образование барьера Шотки в системах металл - полупроводник, для полупроводника «-типа (о) ж р-типа (б) Рис. 4.3.4. Энергетические диаграммы контакта металл - полупроводник «-тима в состоянии термодинамического равновесия (а), при прямом (б) и обратно» (б) смещении \ В действительных условиях потенциальная диаграмма контак-т та металл - полупроводник отличается от идеализированной мвг дели, так как на поверхности полупроводника всегда существуют заряды, искривляющие энергетическую диаграмму у его поверх ности, и, кроме того, практически всегда поверхность полупроводника покрыта очень тонкой окисной пленкой, образующей диэлектрический зазор. На рис. 4.3.4 представлены энергетические диаграммы контакта металл - полупроводник л-типа при различных смещениях. В состоянии термодинамического равновесия (рис. 4.3.4,а) суммарны ток через контакт равен нулю. Для увеличения тока через ковг такт металл - полупроводник на него необходимо подать прямое напряжение t/дшпр, снижающее высоту .потенциального барьер» для электронов полупроводника (см. рис. 4.3.4,6). При обратном 6* 163 смещении «онтакта металл - полупроводник высота потенциального барьера возрастает (рис. 4.3.3,в). Обратный ток увеличивается с ростом напряжения. Эта зависимость обусловлена эффектом Шотки, который проявляется в снижении высоты потенциального барьера для электронов металла при наличии внешнего тянущего электрического поля. В контакте металл - полупроводник при обратном смещении растет напряженность электрического поля в ОПЗ и диэлектрике и соответственно снижается потенциальный барьер для электронов из металла на величину Дфмп (см. рис. 4.3.4,в), увеличивающуюся с ростом Е. Вольт-амперная характеристика диода Шотки с площадью металлического электрода 5дш описывается уравнением дш = дш [ехр {ирщ11ц Фт) - 1 ], где n-t - коэффициент, определяемый качеством -контакта металла с полупроводником и зависящий от особенностей технологии изготовления диода (пт=« 1,02... 1,1); /8дш=«5дшк7[ехр(-фмп/фт)] ток насыщения диода; Ar - постоянная Ричардсона, составляющая для электронов 100 ...200 А-суг" Ток насыщения, а соответственно и ВАХ диода Шотки существенно зависят от конструкции контакта металл -полупроводник. Простейшая -конструкция (рис. 4.3.5,а) характеризуется большим si О о n-Su  Рис. 4.3.5. Простейшая конструкция диода Шотки током утечки и -низким пробивным напряжением, которые обусловлены высокой концентрацией электрического поля у краев контакта и влиянием положительного заряда окисной пленки на свойства потенциального барьера вблизи границы металл - диэлектрик - полупроводник. Положительный заряд диэлектрика обогащает электронами поверхность полупроводника и тем самым уменьшает ширину запирающего слоя (рис. 4.3.5,6). Существует несколько способов борьбы с отмеченными выше недостатками. Рассмотрим два, наиболее широко применяемые в конструкциях ИС при формировании диодов Шотки на материале п-типа. Первый способ заключается в создании у краев контакта на полупроводнике «-типа кольцевых р-«-переходов, включаемых параллельно контакту и изолирующих от контакта границу диэлектрик-полупроводник. Конструкция такого прибора показана на рис. 4.3.6,а. Металл с р-материалом может образовывать омический контакт (рис. 4.3.6,6) или барьер Шотки (рис. 4.3.6,в) при :низкой концентрации примесей в полупроводнике. Если напряжение пробоя р-«-перехода выше напряжения пробоя контакта с барьером Шотки, то ВАХ прибора полностью определяется ВАХ контакта с барьером Шотки (рис. 4.3.6,г). Резкий загиб вверх ВАХ диода Шотки происходит при напряжении 1/дшпр~0,3 ... ... 0,4 В. Недостатком рассмотренного способа является увеличение емкости прибора за счет большой емкости р-«-перехода.  г и А Контакт г> Вадьерок hV / Шотш 1 p-n-tiepexoc  Рис. 4.3.6. Конструкция (а), эквивалентные схемы (б, в) и вольт-амперная характеристика диода Шотки с р-«-переходом у краев контакта металл -полупроводник (г) Второй способ устранения токов утечки заключается в применении расширенного металлического контакта, частично расположенного на поверхности диэлектрика ЗЮг (рис. 4.3.7,а). В этом Рис. 4.3.7. Конструкция диода Шотки с расширенным металлическим контактом случае электрическое поле, определяемое потенциалом закраины, проникает в полупроводник под диэлектриком. Область объемного заряда в полу-проводнике расширяется, и электрическое поле у границы полупроводник -металл -диэлектрик выравнивается (рис. 4.3.7,6). В качестве примера на рис. 4.3.8 показана конструкция диода Шотки интегральной микросхемы.  Рис. 4.3.8. Структура диода Шоткк \ 1Ч1./ г-1 \п11) 1 - подложка; 2 - скрытый п+-слой; 3 - эпитаксиальный слой; 4 - р-Ь-область, сформированная разделительной диффу-аией; 5 - приконтактиая область я-Ь-типа; « - диэлектрик (ЗЮг); 7 - металлические электроды (анод А и катод К)  Высокое быстродействие диодов с барьером Шотки обусловлено самим механизмом работы диода. В контакте металл -полупроводник практически отсутствует инжекция неосновных носителей и, следовательно, их накопление в области базы диода. Длн- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 [ 26 ] 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 |