38.Многослойные полупроводниковые структуры

Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года

Определение гетероструктур-искусственная структура, изготовленная из двух или более различных полупроводниковых веществ (материалов), в которой важная роль принадлежит переходному слою, т. е. границе раздела двух веществ (материалов)

Описание. В состав полупроводниковых гетероструктур входят элементы II-VI групп (Zn, Cd, Hg, Al, Ga, In, Si, Ge, P, As, Sb, S, Se, Te), соединения A^IIIB^V и их твердые растворы, а также соединения A^IIB^VI. Из соединений типа A^IIIB^V наиболее часто используются арсенид и нитрид галлия GaAs и GaN, из твердых растворов - Al_xGa_1-xAs. Использование твердых растворов позволяет создавать гетероструктуры с непрерывным, а не скачкообразным изменением состава и непрерывным изменением ширины запрещенной зоны.

Для изготовления гетероструктур важно согласование (близость по величине) параметров кристаллической решетки двух контактирующих соединений (веществ). Если два слоя соединений с сильно различающимися постоянными решетки выращиваются один на другом, то при увеличении их толщины на границе раздела появляются большие деформации, и возникают дислокации несоответствия. В связи с этим для изготовления гетероструктур часто используют твердые растворы системы AlAs - GaAs, так как арсениды алюминия и галлия имеют почти одинаковые параметры решетки. В этом случае монокристаллы GaAs являются идеальной подложкой для роста гетероструктур. Другой естественной подложкой является фосфид индия InP, который применяется в комбинации с твердыми растворами GaAs - InAs, AlAs - AlSb и др.

Прорыв в создании тонкослойных гетероструктур произошел с появлением технологии роста тонких слоев методами молекулярно-лучевой эпитаксии, газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений и жидкофазной эпитаксии. Появилась возможность выращивать гетероструктуры с очень резкими границами раздела, расположенными настолько близко друг к другу, что в этом промежутке определяющую роль играют размерные квантовые эффекты. Структуры подобного типа называют квантовыми ямами, реже - квантовыми стенками. В квантовых ямах средний узкозонный слой имеет толщину несколько десятков нанометров, что приводит к расщеплению электронных уровней вследствие эффекта размерного квантования. Гетероструктуры, в особенности двойные, включая квантовые ямы, позволяют управлять такими фундаментальными параметрами полупроводниковых кристаллов как ширина запрещенной зоны, эффективная масса и подвижность носителей заряда, электронный энергетический спектр.

39.Инжекционный вентиль. Принцип работы.

Базовый логический элемент (ЛЭ) в литературе называемый вентилем. Элементы интегрально-инжекционной логики выгодно отличаются простотой технологии и конструкции, так как состоят из биполярных транзисторов и не требуют особой изоляции. Следовательно, имеют высокую плотность упаковки – более 1000 вентилей на кристалл, и функциональную плотность 500-600 кристаллов на мм² .

Изобретение в 1972 г. элементов интегральной инжекционной логики (И2Л) явилось результатом работ по совершенствованию БИС на биполярных транзисторах. Для построения микросхем И2Л используется базовая структура, показанная на рис. 18,а. Области p1-n1-p2 образуют горизонтальный транзисторp-n-p-типа, а области n2-p2-n1 – вертикальный транзистор n-p-n-типа.

Горизонтальный транзистор VT1 выполняет функции инжектора дырок изэмиттерной области p1 в область n1, служащую одновременно базой этоготранзистора и эмиттером вертикального транзистора VT2. Инжектированные в область n1 дырки собираются расположенными вокруг эмиттерной области p1 областями p2, являющимися одновременно коллекторами горизонтального и базами вертикальных транзисторов. Вертикальные транзисторы имеют по несколько коллекторов, образуемых областями n2. Подложка n1+, являясь конструктивной основой ИМС, объединяет эмиттеры всех вертикальных транзисторов. При этом отпадает необходимость в изоляции отдельных элементов друг от друга, что приводит к существенному уменьшению площади, занимаемой элементом, и повышению коэффициента интеграции.

Рисунок 18

Питание инжектора осуществляется от источника напряжения Еип черезтокозадающий резистор RИ, который не входит в эквивалентную схему ЛЭ иявляется общим для всего кристалла БИС. Возможно также питание отвнешнего источника тока или путем облучения поверхности кристалла.Транзистор VT1 типа p-n-p называют токозадающим: он задает ток базыпереключательного транзистора VT2 и токи баз других переключательныхтранзисторов, имеющих общую инжекторную область. В общем случаетокозадающий транзистор VT1 является многоколлекторным, количествокоторых может доходить до нескольких сотен. Если ключевой транзисторпредыдущего элемента (VT0) насыщен, то напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT2 (UБЭ2) снижается примерно до 50 мВ и коллекторный ток IК транзистора VT1 течет через насыщенный транзистор VT0. При этом транзистор VT2 оказывается закрытым и на его коллекторах устанавливаются напряжения высокого уровня. Если ключевой транзистор VT0 заперт, то напряжение на его коллекторе возрастает до уровня, ограниченного напряжением отпирания эмиттерного перехода ключевого транзистора VT2. Этот уровень у транзисторов И2Л составляет 0,6…0,75 В. Ток IК транзистора VT1 потечет в базу транзистора VT2, вводя его в режим насыщения. На коллекторах транзистора VT2, подключенных ко входам аналогичного элемента, образуются напряжения низкого уровня порядка 50 мВ. Таким образом, рассмотренный базовый ЛЭ И2Л реализует операцию НЕ с уровнями напряжений в ПЛ U1=0,6…0,75 В, U0=0,05 В и логическим перепадом UЛ=0,55…0,65 В. Число выходов такого элемента равно числу коллекторов переключательного транзистора. Условное графическое обозначение инвертора с двумя выходами показано на рис. 18,в.

П ри анализе схем на элементах И2Л транзистор VT1 (см. рис. 18,б) обычнозаменяют генератором тока в базовых цепях ключевых транзисторов VT2. Для получения необходимых логических функций применяют объединениеколлекторов ключевых транзисторов. На рис. 19,а показана реализацияфункции ИЛИ-НЕ на двух базовых элементах. Штриховыми линиями показаны ключевые транзисторы предыдущих элементов. Если хотя бы один из сигналов (например, х1) равен 1, то есть заперт транзистор VT0^’, то ключевой транзистор VT1 насыщен и y = 0 независимо от состояния VT2. И только в случае, когда х1= х2 = 0 токи генераторов тока будут протекать через насыщенные транзисторы VT0^’ и VT0’’, ключевые транзисторы VT1 и VT2 будут заперты и на выходе образуется сигнал y = 1.

Параллельное соединение выходов нескольких инверторов позволяетполучить элемент ИЛИ-НЕ в ПЛ либо элемент И-НЕ в ОЛ. При этом непроисходит нарушения нормального электрического режима. Параллельноесоединение баз транзисторов не разрешается с целью исключениянеравномерного распределения токов между несколькими переключательными транзисторами. Элементы И2Л могут работать с очень малыми токами, причем быстродействие элементов растет с увеличением силы потребляемого тока. Эта особенность позволяет получать требуемое быстродействие без разработки каких-либо модификаций элементов И2Л, поскольку нужное быстродействие можно получить с помощью изменения режима работы.

Из-за отсутствия резисторов и наличия общих для обоих транзисторов областей p и n схемы элементов И2Л в 1,5…2 раза технологичнее схем элементов ТТЛ и занимают меньшую площадь на кристалле. Плотность элементов И2Л может в 50 раз превышать плотность элементов ТТЛ. Низкое напряжение питания (порядка 1,5 В), малые логические перепады и малые паразитные емкости (обусловленные малыми размерами элементов) позволили уменьшить энергию переключения до долей пикоджоуля (у стандартного элемента ТТЛ А=100 пДж).Малые уровни сигналов и существенно отличающиеся по значениям выходные сопротивления для состояний логического 0 и 1 делают неперспективным применение элементов И2Л в схемах малой и средней степени интеграции, т.к. при этом очень трудно обеспечить надежную передачу сигналов по внешним линиям связи без использования специальных буферных элементов. Поэтому элементы И2Л ориентированы на реализацию только в БИСили СБИС.