1.2 Структура транзистора

По конструктивным особенностям и технологии изготовления транзисторы делят на эпитаксиально-планарные планарные, диффузионные, сплавно-диффузионные, сплавные и др. В настоящее время основным полупроводниковым материалом для транзисторов служит кремний. Выпуск германиевых транзисторов ограничен. Биполярные транзисторы на основе других полупроводниковых материалов, например арсенида галлия, не вышли из стадии лабораторных исследований.

Полупроводниковая структура кремниевого эпитаксиально-планарного транзистора (рис. 1.3), характерна для большинства дискретных транзисторов. Поперечный разрез структуры показан на рис. 1.3 а. На сильнолегированной подложке 1 n+-типа сформирован слаболегированный эпитаксиальный слой 2 n-типа толщиной ω_эп около 10 мкм. Методом диффузии примесей или ионным легированием созданы области базы 3 р-типа и эмиттера 4 n+-типа. Металлические тонкопленочные слои 5, 6 и 7 образуют соответственно электроды эмиттера, базы и коллектора. На поверхности полупроводника расположен тонкий защитный диэлектрический слой диоксида кремния SiO₂.

На рис. 1.3 б дана конфигурация в плане эмиттерной (граница 4) и базовой (граница 3) областей, а также тонкопленочных проводников 5 и 6 (заштрихованы) и обозначены геометрические размеры: b_э, а_э -длина и ширина эмиттера, ДЭБ расстояние от границы эмиттерной области до базового контакта. На рис. 1.3 в приведены распределения концентраций примесей в вертикальном направлении для сечения, проходящего через эмиттерную область: координата х отсчитывается от эмиттерного контакта (рис. 1.3 а). Распределения концентраций доноров N_gэ и акцепторов N_ав получены в результате операций легирования, формирующих эмиттер и базу; N_gк, N_gn-

распределения концентраций доноров в коллекторе (эпитаксиальном слое) и подложке. Металлургические границы эмиттерного х_э и коллекторного х_к переходов (рис. 1.3 а и б) соответствуют точкам, где N_gэ(x_э)=N_gb(x_э) и N_gБ(x_k)=N_gk. Технологическая толщина базы равна W_во =x_к - x_э и для маломощных высокочастотных транзисторов составляет 0,3-1 мкм. Физическая толщина базы W_в (рис. 1.1 а) соответствует расстоянию между границами обедненных слоев, поэтому она меньше технологической толщины базы.

При прямом напряжении на эмиттерном переходе и обратном напряжении на коллекторном электроны движутся из эмиттера в коллектор преимущественно через ту часть базовой области, которая расположена под эмиттером (на рис. 1.3 а эта часть базовой области ограничена вертикальными штрихпунктирными линиями). Данную часть базовой области называют активной, а остальную часть, граничащую с базовым контактом или диэлектрическим слоем, - пассивной. Вблизи краев эмиттера инжектированные из него в базу электроны движутся не только в вертикальном, но и в боковых направлениях, как показано стрелками па рис. 1.1 а. Однако размеры областей транзистора в вертикальном направлении обычно много меньше, чем в горизонтальном. Следовательно, краевые эффекты несущественны, т. е. в активном режиме можно учитывать только движение электронов в активной базовой области. При этом p-n- переходы можно считать плоскими, что соответствует рассмотренной выше одномерной модели (см. рис. 1.1 а). Влияние пассивной базы в первом приближении можно учесть, подключив во внешнюю цепь базы резистор.

В других режимах работы (например, инверсном), когда на коллекторном переходе прямое напряжение, точность одномерной модели резко снижается, так как значительная часть электронов, инжектируемых из коллектора в пассивную базу, движется по сложным траекториям. Для более точного анализа необходимо использовать двумерную модель.

Полупроводниковые структуры эпитаксиально-планарных транзисторов в зависимости от требуемых электрических параметров отличаются как геометрическими размерами областей, так и распределениями концентраций примесей.