Главная  Интегральный монолит 

[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] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [ 77 ] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84]


Рис. 11-2. Микрофотография двух согласованных транзисторов п-р-п типа для работы при малых токах.

ДОЛЖНЫ преодолеть обедненный слой между базой и эмиттером. Поверхностная рекомбинация может иметь место в тех участках эмиттерно-базового перехода, которые выходят иа поверхность полупроводника. Поверхностную составляющую рекомбинации можно свести до минимума путем пассивирования поверхности полупроводника. .Для этой цели на поверхность осаждается слой нитрида кремния, который препятствует проникновению ионов к поверхности полупроводника (см. гл. 1, § 1-4). Поверхностную рекомбинацию можно также уменьшить, если алюминиевую металлизацию эмиттера сделать несколько больше площади эмиттера, так чтобы она покрывала диэлектрический слой над эмиттерно-базовым переходом. Этот металлический слой алюминия служит электростатическим экраном, который поддерживает потенциал поверхности полупроводника в достаточно узких пределах, поэтому у поверхности не будет дополнительного расширения или уменьшения области пространственного заряда.

На рис. 11-2 приведена микрофотография двух согласованных транзисторов п-р-п типа, которые предназначены для работы при малых уровнях токов. На фотографии видно, что эмиттеры транзисторов имеют круглую форму, с тем чтобы минимизировать инжекцию носителей в боковых направлениях, и

алюминиевый эмиттерный контакт перекрывает слой двуокиси над эмиттерно-базовым переходом.

Все виды рекомбинации, кроме поверхностной, обратно пропорциональны времени жизни неосновных носителей в объеме полупроводникового материала. Следовательно, если требуется получить хорошие характеристики транзисторов при малых уровнях токов, необходимо , применять высококачественный исходный полупроводниковый материал, не имеющий дефектов, с большим временем жизни неосновных носителей, порядка 1 мкс и более.

Таким образом, для получения больших значений коэффициента усиления р необходимо:

1. Применять полупроводнико-вьп/ материал с большим временем жизни неосновных носителей.

2. Снижать поверхностную рекомбинацию путем дополнительного пассивирования поверхности полупроводника.

3. Уменьшать инжекцию носителей в боковых направлениях путем минимизации отношения площади боковых стенок к общей площади эмиттера.

Последнее из перечисленных требований вынуждает при проектировании принимать компромиссные решения. Дело в том, что емкость эмиттерного перехода прямо пропорциональна его площади. Поэтому повышение площади эмиттера с целью уменьшения инжекции в боковых направлениях приводит к дальнейшему уменьшению и без того небольшой частоты /т.

На рис. 11-3 приведена зависимость коэффициента усиления р диффузионного транзистора п-р-п типа, предназначенного для работы прп малых токах. Для сравнения на этом же рисунке показана аналогичная зависимость для транзистора р-п-р типа. Из рисунка видно, что, хотя усиление р р-п-р транзистора значительно ниже, чем транзистора п-р-п типа, скорость уменьшения р с убыванием тока через



7DBB


Рис. 11-3. Зависимость коэффициента усиления по току диффузионного транзистора от тока коллектора.

Транзистор р-п~р типа не хуже. Это объясняется тем, что падение коэффициента усиления р с уменьшением тока определяется в основном паразитной рекомбинацией носителей, например поверхностной, а не объемной рекомбинацией в активной базовой области.

При очень малых уровнях тока высокочастотные характеристики биполярных транзисторов определяются в основном емкостями переходов эмиттера - база и база - коллектор, а не временем пролета носителей в базовой области. Поэтому при использовании в схемах малой мощности частотные характеристики р-п-р транзисторов оказываются лишь немного хуже по сравнению с п-р-п транзисторами. Это обстоятельство позволяет при разработке схем малой мощности применять транзисторы р-п-р типа без особых ограничений.

11-2. резисторы в схемах малой мощности

Для обеспечения требуемого усиления по напряжению в схемах, работающих при малых коллекторных токах, приходится применять в качестве нагрузки резисторы, обладающие большим сопротивлением. Например, коэффициент усиления по напряжению простого каскада с общим эмиттером с резистивной нагрузкой записывается в следующем виде:

Чтобы получить от такого каскада коэффициент усиления, равный 40 при токе коллектора 1 мкА, необходимо иметь сопротивление резистора нагрузки не менее 1 МОм. Если использовать обычные резисторы, изготовляемые на этапе базовой диффузии и имеющие сопротивление слоя порядка 200 Ом на квадрат, то только для одного резистора с таким сопротивлением потребуется площадь на монолиткой пластинке около 2 мм, что, безусловно, недопустимо. В некоторых случаях необходимость в резисторах больших номиналов может быть удовлетворена путем применения активной нагрузки, как это было описано в гл. 5. Этот метод приго-•ден для схем операционных усилителей, в которых большой коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи имеет первостепенное значение. Однако активная нагрузка не всегда пригодна для других классов схем, где зависимость динамического сопротивления от частоты "И уровня смещения может быть ограничивающим фактором.

На рис. 11-4 приведены примерные зависимости площади подложки, которая требуется .для изготовления резисторов с заданной величиной сопротивления при различных сопротивлениях слоя /?сл. Резисторы в данном случае изготовлены в форме полосок шириной 0,009 мм, расположенных на расстоянии 0,018 мм одна от другой.


1 CD IkRh

Ни-- - С>тА:н - -

(11-4)

Рис. 11-4. Приблизительная площадь подложки для резистора сопротивлением при различных значениях Ren.



Как видно из рисунка, для изготовления резисторов, имеющих сопротивление порядка 1 МОм, иа пластинке практически приемлемых размеров необходимо иметь сопротивление слоя не менее 5 гЮм/квадрат. В монолитных схемах малой мощности в большинстве случаев в качестве высокоомных резисторов применяются резисторы с ограниченным поперечным сечением и объемные резисторы, которые были описаны в гл. 3. Резисторы этих типов имеют достаточно высокое сопротивление слоя, порядка 10 кОм/квадрат и более, но при этом они обладают очень большим положительным температурным коэффициентом, более 4-10~ 1/°С, и имеют большие технологические отклонения от номинальной величины сопротивления. Для резисторов с ограниченным поперечным сечением, которые изготовляются на этапе диффузии базы, максимально допустимое напряжение на резисторе ограничивается несколькими вольтами для сохранения линейности и во избежание пробоя. Однако, так как монолитные схемы малой мощности, как правило, работают при малых токах и напряжениях, ограничение по величине пробивного напряжения не является столь существенным.

Если требуется изготовить резисторы с достаточно точным номиналом сопротивления при сопротивлении слоя порядка 5 кОм/квадрат и более, то для этой цели можно использовать более сложные процессы, например ионное легирование или осаждение тонких пленок. Резисторы, изготовляемые методом ионного легирования, которые кратко были рассмотрены в гл. 3, могут иметь сопротивление слоя вплоть до > 10 кОм/квадрат при температурном коэффициенте около 0,5-10- 1/°С. Среди тонкопленочных резисторов наиболее широко в монолитных схе мах малой мощности используются хромокремниевые тонкие пленки. Типовое значение сопротивления

слоя таких резисторов лежит в пределах от 5 до 20 кОм/квадрат, а температурный коэффициент - от 0,4-10-3 до -1-Ш-з 1ГС.

11-3. ПРИМЕР ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОНОЛИТНОЙ СХЕМЫ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

При использовании монолитных схем малой мощности схема должна потреблять ток не более нескольких микроампер от источника питания, имеющего напряжение от 1 до 3 В. Более низкий уровень потребляемого тока ограничивается одним или обоими следующими факторами:

1. Ухудшением параметров р и /т при более малых токах.

2. Токами утечки р-п переходов. Влияние очень малых токов на

параметры транзисторов было рассмотрено б § 11-1. Вторым ограничением являются токи утечки переходов, которые очень быстро увеличиваются с температурой. Для обеспечения работоспособности транзистора прн малых токах необходимо, чтобы ток коллектора поддерживался по крайней мере на уровне, на порядок превышающем токи утечки, т. е.

/мин 10/к6.У)

где /кб.у - ток утечки между базой и коллектором при разомкнутой цепи базы.

Для высококачественных- транзисторов п-р-п типа малых или средних размеров (см. рис. 11-2) максимальное значение тока утечки /кб.у не превышает 1-10- А при температуре 125°С, что обеспечивает нижний предел тока коллектора /к.мип приблизительно 10 нА.

Нижний предел рабочего напряжения обычно определяется падением напряжения на переходе база- эмиттер f/бэ.

Таким образом, в схемах малой мощности на биполярных транзисторах напряжение коллекторного источника питания Еу должно быть больше f/бэ, чтобы схема могла функционировать в качестве усили-



[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] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [ 77 ] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84]

0.0008