книги / Математические модели элементов интегральной электроники

Диоды Д'о, Д'к и генераторы тока a'j/'к, a'jv/'э, а'п/'к моделируют активную область под площадкой эмит­ тера, а диод Д"к и генератор .а"п1"к—пассивную область вне этой площадки. -Параметры модели могут быть определены экспериментально или получены на основа­

поверхностные сопротивления активной и пассивной ооластей базы р 'б , р"с и коллектора р 7к, р " к [Ом/квадрат].

Достоинствами модели являются учет эффектов двумерности транзисторной структуры и возможность опре­ деления параметров по топологии и удельным харак­ теристикам р—л-переходов и диффузионных областей. Модель используется для описания транзисторов самой различной конфигурации.

Недостатком модели с точки зрения использования в автоматизированных программах анализа ИС являет­ ся сложность эквивалентной схемы рис. 3.33. Она содер­ жит на три внутренних узла больше, чем в моделях Эберса — Молла и IBIS, что неизбежно приводит к уве­ личению затрат машинного времени при обращении к блоку МОДЕЛЬ КОМПОНЕНТА в программах ана­ лиза ИС.

3.3. Разновидности биполярных элементов интегральных схем

Торцевой (горизонтальный) р—л—р-транзистор. Ис­ пользование дополняющих р—п—р-транзисторов в иите-

паразитным транзистором, образованным эмиттером, ба­ зой, подложкой; вертикальным паразитным р—л—р-тран­ зистором, образованным коллектором, базой, подлож­ кой.

При работе торцевого транзистора в активной обла­ сти паразитный транзистор эмиттер — база — подложка также работает в активной области.

Эквивалентная схема торцевого транзистора приве­ дена на рис. 3.3-5. Система уравнения, соответствующая эквивалентной схеме, имеет вид

dt

где aiz, a2i — инверсный и нормальный коэффициенты передачи по току для торцевого транзистора эмиттер — база — коллектор; ai3, аз1—для паразитного вертикаль­ ного транзистора эмиттер — база — подложка; агз> a# — для паразитного вертикального транзистора коллектор — база — подложка; 1 \— ток, инжектируемый р—л-пере-

За исключением некоторой разницы в матрице коэф­ фициентов передачи ац, модель торцевого транзистора описывается той же системой параметров, что и модель обычного интегрального транзистора, рассмотренная в § 3.2. Методы электрических измерений параметров модели рассмотрены в § 3.4.

При проектировании ИС, содержащих горизонталь­ ные р—л—р-транзисторы, возникает необходимость, исходя из. заданных физико-топологических параметров прибора, оценить значения параметров электрической модели, описываемой выражениями (3.110). Очевидно, что наибольший интерес представляют параметры актив­ ного транзистора, образованного эмиттером, базой и

коллектором (a2i, aiz, /0о, /ко, Мэфг, ^к ф т), описывающие усилительные свойства и ВАХ р—/г-переходов.

Для структуры горизонтального транзистора (рис.'3.5) параметры электрической модели могут быть с приемлемой точностью определены из соотношений, полученных в [80].

Многоэмиттерный транзистор (МЭТ). МЭТ инте­ гральной схемы изготавливается в процессе того же

технологического цикла, что и обычные планарные тран­ зисторы. Главная структурная особенность МЭТ заклю­ чается в наличии нескольких эмиттерных диффузионных областей в одной и той же области базы (рис. 3.36). Специфической особенностью МЭТ, отличающей его от системы полностью изолированных друг от друга обыч­ ных транзисторов, является наличие паразитного тран­ зистора эмиттер — база — эмиттер. Действие паразитно­ го межэмиттерного транзистора существенно для струк­ тур, у которых расстояние между эмиттерами соизмери­ мо с расстоянием от эмиттера до коллектора. Коэффи­ циенты передачи тока между соседними эмиттерами должны быть минимальными для уменьшения взаимно­ го паразитного влияния.

Математическая модель МЭТ является обобщением ранее рассмотренной модели обычного транзистора на систему из нескольких эмиттерных переходов, образо­ ванных на общей базе [29, 81—85].

Помимо эффектов, характерных для обычного тран­ зистора, модель МЭТ учитывает эффекты, обусловлен­

лентная схема МЭТ приведена на рис. 3.37.

транзистора i эмиттер—база—коллектор; C3i — емкость i эмиттерного перехода, являющаяся суммой барьерной и диффузионной составляющих; — коэффициент пе­ редачи по току паразитной транзисторной структуры / эмиттер —база — i эмиттер.

Очевидно, что вследствие рекомбинации неосновных носителей в базе имеют место следующие соотношения:

пп

л е . 3.38. Схема измерения коэффициентов передачи по току пара­ зитных транзисторных структур / эмиттер—база—i эмиттер.

дится снятие показаний приборов в схеме рис. 3.38 и ац определяется по формуле аг-;=/эг//э.ь где /э^-=/э» Остальные параметры в выражениях (3.111)—(3.114) имеют тот же смысл, что и для обычного транзистора (§ 3.2). Методика их измерений не отличается от мето­ дики, используемой для обычного транзистора.

Модель многоколлекторных транзисторных структур, используемых в элементах биполярных логических .схем с инжекционным питанием (ИИЛ) и с перехватом тока (ПТЛ), строится аналогично модели МЭТ. Для этого необходимо в выражениях (3.111)— (3.114) поменять местами индексы Э и К.

Транзистор Шоттки. В биполярных транзисторах, работающих в режиме насыщения, скорость выключе­ ния ограничена временем рассасывания избыточного заряда базы и коллектора. Обычно в схемах для умень­ шения времени рассасывания переход коллектор —база транзистора шунтируется диодом Шоттки, чем предот­ вращается смещение этого перехода в прямом направ­ лении.

Рис. ЗАО. Диффузионная структура транзистора Шоттки с расши­ ренным электродом (а) и с защитным кольцом (6).

Комбинация из интегрального п—р—/г-транзистора, полученного обычными методами планарной технологии и включенного параллельно переходу коллектор — база диода Шоттки с переходом алюминий — кремний, назы­ вается транзистором Шоттки. Базовый контакт транзи­

сителей), высокая температурная стабильность парамет­ ров, возможность получить на общем кристалле совер­ шенно необычные сочетания схемных элементов и совместимость технологии формирования диода Шоттки с обычными процессами изготовления ИС открывают перед транзисторами Шоттки широкие перспективы в области интегральной схемотехники (78, 87].

Ь З

Рис. 3.41. Эквивалентная схема транзистора Шоттки.

Транзистор с инжекторным р—я-переходом. Биполяр­ ный транзистор, имеющий специальный инжекторный р—n-переход, является основным компонентом инжекционной интегральной логики — одного из перспективных направлений создания полупроводниковых БИС [100,

101].

Структура транзистора с инжекторным р -п -перехо­ дом приведена на рис. 3.42.

В этой структуре можно выделить два транзистора — обычный вертикальный п2—pz—ягтранзнстор и горизон­ тальный pi—Hi—/^-транзистор. Поскольку некоторые области п—р -п - и р—п—р-транзисторов совмещены, то инжекционную структуру рис. 3.42 в некоторых слу­ чаях называют «совмещенной».

Если инжекторный переход смещен в прямом направ­ лении, то часть дырок, инжектированных данным пере­ ходом, попадает в область р2. и нарушает элек­ тронейтральность базы вертикального п2—р2—^-тран­ зистора. В результате через эмиттерный переход

этого транзистора начинает протекать ток, смещающий его в прямом направлении. Таким образом, транзистор с инжекторным р—л-переходом, используемый в ключе­ вом режиме с общим эмиттером, без всяких дополни­ тельных элементов выполняет функцию инвертора.

Рис. 3,42. Структура многоколлекторного транзистора с инжектор­ ным р - п -переходом

Рассмотрим модель многоколлекторного транзистора с инжекторным р—/г-переходом. Токи через инжектор­ ный, эмиттерный и «-коллекторный переходы описывают­ ся следующими выражениями:

где /и —ток инжектора; /б —ток базы; 1щ— ток «-го коллектора; ащ, ац — нормальный и инверсный коэффи­ циенты передачи тока между эмиттером и «-коллектором вертикального л—р—л-транзистора; арю aPi — нормаль­