Мощные высокочастотные транзисторы (стр. 3 )

1.2. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЕЙ ТРАНЗИСТОРНОЙ СТРУКТУРЫ

Для обеспечения необходимых требований к пара­метрам мощных ВЧ транзисторов приходится в первую очередь соответствующим образом выбирать электро­физические характеристики, а также размеры и форму коллекторной, базовой и эмиттерной областей транзи­сторной структуры.

Под электрофизическими характеристиками различ­ных областей полупроводникового кристалла, в котором создана биполярная транзисторная структура, понима­ют тип проводимости, удельное сопротивление, подвиж-ность и время жизни неосновных носителей заряда. Эти свойства определяются концентрацией и законом рас­пределения примесей, легирующих полупроводник, а также степенью совершенства полупроводникового кристалла (т. е. отсутствием или наличием дефектов кристаллической структуры и их характером).

Современные биполярные мощные ВЧ транзисторы — это в основном приборы с n-p-n структурой. Одна иа причин этого заключается в том, что оптимальное соот­ношение между концентрациями примесей, легирую­щих эмиттерную, базовую и коллекторную области и необходимые свойства исходного полупроводникового материала, могут быть проще заданы для исходного ма­териала с проводимостью типа п и для структур n-p-n, В структурах n-p-n легче обеспечить более высокие час­тотные свойства, так как неосновные носители в базе — - электроны — будут обладать более высокими значения­ми коэффициента диффузии и подвижностью, чем дыр­ки, являющиеся неосновными носителями в базе структур p-n-p.

Мощные ВЧ n-p-n транзисторы изготовляют мето­дом односторонней диффузии. В пластину исходного полупроводникового материала типа п, образующего впоследствии в транзисторной структуре тело коллекто­ра, через одну из поверхностей вводят с помощью вы­сокотемпературной диффузии акцепторные примеси, образующие у поверхности слой дырочного типа прово­димости. Граница между этим слоем и исходным ма­териалом представляет собой коллекторный р-п пере­ход. Затем через ту же поверхность осуществляется диффузия примесей типа п, компенсирующих в какой-то части структуры дырочную область и образующих эмиттерный слой п. Граница между этим слоем п и созданным до этого слоем р представляет собой эмит­терный р-п переход. В результате создается транзистор­ная n-p-n структура. Примеси типов пир вводятся не через всю поверхность пластины, а локально. В принци­пе для введения примесей можно использовать ионное легирование с последующим диффузионным перерас­пределением. Изменение концентрации легирующих примесей по направле­нию вглубь от поверх­ности полупроводнико­вой пластины после введения примесей ти­пов р и п имеет вид, показанный на рис. 1.3. Область типа п, расположенная у поверхности пластины, — это эмиттерная область. Лежащая под ней область типа р — базовая, а расположенная под ней область типа п, в которой в основном сохраняется исходная концентра­ция примесей, — это коллекторная область.

Рис. 1.3. Распределение примесей в транзисторной структуре, полученной ме­тодом односторонней диф­фузии

Структуры практически всех мощных ВЧ транзисто­ров — это планарные структуры, в которых границы коллекторного и эмиттерного переходов выходят на од­ну и ту же предварительно подготовленную плоскую поверхность полупроводниковой пластины. На рис. 1.4 изображено поперечное сечение планарной транзистор­ной структуры, позволяющее представить себе взаим­ное расположение ее различных областей. Защитные(маскирующие) слои 4 — 6 — это, как правило, пленки двуокиси кремния, полученные при термическом окис­лении. Невыпрямляющие контакты 7 — 9 создаются обычно напылением какого-либо металла, металличес­кого сплава или последовательных слоев различных ме­таллов или сплавов.

Рис. 1.4. Поперечное сечение планарной транзисторной структуры: 1 — исходная полупроводниковая пластина типа п (коллектор); 2 — область, в которую проводится диффузия примесей типа р (У — активная базовая об­ласть, 2" — пассивная, служащая для соединения с базовым невыпрямляющим контактом); 3 — область, в которую проводится диффузия примесей типа п (эмиттер); 4 — защитный слой, маскирующий часть исходной пластины от диффузии примесей типа р; 5 — защитный слой, маскирующий часть области типа р от диффузии доноров; б — защитный слой, покрывающий ту часть эмиттера, которая не граничит с невыпрямляющим эмиттерным контактом; 7 — невыпрямляющий эмиттерный контакт; 8 — невыпрямляющий базовый контакт; 9 — невыпрямляющий коллекторный контакт

Рассмотрим требования, предъявляемые к концен­трации и характеру распределения легирующих приме­сей в полученной методом односторонней диффузии планарной структуре мощного ВЧ транзистора. Из спо­соба создания легированных областей п и р в структу­ре видно, что область типа р может быть воспроизво­димо получена, если концентрация акцепторов в ней во много раз превосходит концентрацию доноров в исход­ном материале, а область типа п должна иметь концен­трацию доноров, во много раз превосходящую концен­трацию акцепторов в области типа р (в противном случае создание этих областей путем диффузии или даже более точного метода — ионного легирования — было бы практически невозможно). Содержание приме­сей в этих областях определяет их функциональную роль. Исходная область типа n, легированная наиболее слабо, выполняет роль коллектора, так как ее высокое удельное сопротивление позволит получить требуемые сравнительно высокие значения пробивного напряжения коллектора. Более низкое удельное сопротивление об­ласти типа р обеспечит такое положение, когда при по­даче на коллекторный р-п переход запирающего напря­жения пространственный заряд будет расширяться в основном в сторону коллектора и лишь незначительно в сторону базы. Такая ситуация даже при очень тон­ких базовых слоях, необходимых для получения высо­ких граничных частот, предохранит транзистор от яв­ления прокола, при котором пространственный заряд коллекторного р-п перехода проходит через всю базо­вую область и достигает эмиттерного перехода, после чего транзистор перестает быть работоспособным. По­степенное уменьшение суммарной концентрации леги­рующей примеси практически во всей базовой области по направлению к слаболегированной коллекторной об­ласти создает в базе дополнительное электрическое поле, ускоряющее движение неосновных носителей к этой слабо легированной области. Такое положение способствует улучшению частотных свойств приборов.

Расположенную у поверхности область типа п, по­лученную путем диффузии доноров, целесообразно вы­брать в качестве эмиттера, так как высокая концентра­ция доноров в эмиттере (по сравнению с концентрацией акцепторов в базе) необходима для получения высокого коэффициента инжекции электронов в базу. Высокий коэффициент инжекции позволит получить достаточно высокий статический коэффициент передачи тока.

Если предположить, что эмиттерная и базовая при­меси (см. рис. 1. 3) распределены в транзисторной структуре по экспоненциальному закону (на самом де­ле такое предположение неверно, но истинный закон распределения этих примесей не слишком сильно отли­чается от экспоненциального), то связь коэффициента инжекции эмиттера у с электрофизическими характе­ристиками этих областей будет иметь вид Г2]

  (1.4)

Коэффициент инжекции эмиттера представляет собой отношение тока, инжектируемого из эмиттера в базу 1п(хэ) к общему току, протекающему через эмиттерный переход [1р(х3)+1п(хэ)]. Величина Dn(x3 тах) — коэф­фициент диффузии электронов в базе в точке с макси­мальным суммарным содержанием легирующих приме­сей; тр — время жизни дырок в эмиттере у эмиттерного перехода, a La, La — характеристические длины в рас­пределении доноров и акцепторов, определяемые из условий:

Nd (хэ) =Wdoexp ( — x3/Ld) ,

Na (хэ) =ЛГа0ехр ( — x5/Lu) ,  ( 1 .5)

где хэ — глубина эмиттерного перехода; Ndo и Nao — концентрации доноров и акцепторов на поверхности структуры.

Если распределения эмиттерной и базовой легирую­щих примесей экспоненциальны, то длины Ld и La по­стоянны для всей структуры. Если же эти распределе­ния можно считать экспоненциальными только вблизи от перехода эмиттера, то выражения (1.5) несколько изменяются и Ld и Ьа будут характеризовать распреде­ление примесей только вблизи перехода. Очевидно, что La>Ld и что для того, чтобы коэффициент инжекции у был как можно ближе к единице, необходимо, чтобы Ld и La были по возможности малы. Из (1.5) видно, что чем меньше величины Ld и La, тем круче распреде­ления эмиттерной и базовой примесей.

Чтобы эти распределения были более крутыми, не­обходимо уменьшать глубины эмиттерного и коллектор­ного переходов и увеличивать поверхностную концент­рацию эмиттерной и базовой легирующих примесей.

Поверхностная концентрация эмиттерной легирую­щей примеси должна быть по возможности ближе к предельно достижимой концентрации в кремнии. Для фосфора она составляет (0,5-1) *1021 ат/см2. При та­кой поверхностной концентрации вначале проникнове­ние в кремний идет с очень высоким коэффициентом диффузии, а затем он резко уменьшается (в 10 — 30 раз). В результате концентрация примеси вначале уменьшается вглубь от поверхности очень медленно, а затем спадает особенно резко.

Концентрация базовой легирующей примеси (как правило, это бор), как следует из выражений (1.4) и (1.5), должна быть по возможности более высокой. Однако на практике этот вывод не подтверждается. Выражение (1.4), по-видимому, является не совсем верным. Так, для отношения 1р(хэ)/1п(Хэ) были полу­чены выражения, в которых эта величина была пропор­циональна: