БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

Полезная модель относится к полупроводниковой микроэлектронике и наноэлектронике и может быть использована при создании интегральных схем с элементами нанометровых размеров.
Известен биполярный транзистор, содержащий полупроводниковую подложку, в которой сформированы высоколегированные области коллектора, эмиттера одного типа проводимости, высоколегированные пассивные базовые области противоположного типа проводимости и активная база, причем активная база имеет проводимость, близкую к собственной проводимости полупроводника, а ее ширина и толщина одинаковы. (Патент РФ №2166220, МПК H01L 29/72, опубл. 27.04.2001)
Недостатками известного устройства являются:
- повышенная мощность потребления вследствие использования полупроводниковой подложки, что приводит к потреблению дополнительной мощности паразитным p-n-p транзистором, сформированным подложкой-коллектором и базой транзистора.
- наличие большой внутренней поверхности база-эмиттерного перехода, что снижает быстродействие и повышает мощность потребления.
Техническая задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, состоит в создании биполярного транзистора нанометрового размера, обладающего пониженной мощностью потребления и высоким быстродействием.
Поставленная техническая задача, решается тем, что биполярный транзистор, содержащий подложку, области коллектора, эмиттера и базы, согласно предложенной полезной модели, выполнен наноразмерным со ступенчатым профилем, область коллектора сформирована на подложке в виде нанослоя высотой не менее 15 нм, область базы сформирована на части нанослоя коллектора в виде нанослоя высотой не менее 3 нм, область эмиттера сформирована на участке области базы в виде нанослоя высотой не менее 10 нм.
Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявленной совокупности существенных признаков, состоит в том, что создан новый тонкослойный биполярный транзистор нанометровых размеров с вертикально ориентированными слоями, в котором рабочими переходами «база-эмиттер» и «база-коллектор» являются поверхностные переходы, обладающие низкой мощностью потребления и наименьшими поверхностями переходов, что обеспечивает снижение потребляемой мощности и повышение быстродействия из-за снижения паразитных емкостей переходов.
Также, в случае если заявляемый биполярный транзистор сформирован на диэлектрической подложке, мощность потребления снизится еще за счет устранения паразитного транзистора, состоящего из подложки, коллекторной и базовой областей транзистора.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется рисунками, где
на фиг.1 приведена принципиальная обобщенная схема заявляемого биполярного транзистора, где:
1 - подложка (диэлектрическая или второго типа проводимости),
2 - диэлектрическая изоляция между транзисторами,
3 - область коллектора первого типа проводимости (ПI),
4 - контакт коллектора,
5 - диэлектрическая изоляция между контактом коллектора и базы,
6 - контакт базы,
7 - диэлектрическая изоляция между контактом базы и областью эмиттера,
8 - контакт эмиттера,
9 - область эмиттера первого типа проводимости (ПI),
10 - область базы второго типа проводимости (ПII),
11 - диэлектрическая изоляция между транзисторами,
12 - поверхностный переход «база-эмиттер»,
13 - поверхностный переход «база-коллектор»
14 - 15 - необязательные области повышенной концентрации первого типа проводимости, содержащиеся в области 3, используемые в случае необходимости снижения напряжения логического нуля для повышения запаса помехоустойчивости по положительной помехе;
на фиг.2 приведена схема, поясняющая работу заявляемого биполярного транзистора,
на фиг.3 приведена передаточная характеристика наноструктуры биполярного транзистора (1), при изменении входного напряжения (2), которая демонстрирует выполнение наноструктурой, включенной по схеме (фиг.2) реализацию функции инверсии, что говорит о ее работоспособности.
На фиг.4 представлены графики токов в областях эмиттера 9 (график 3), коллектора 3 (график 2) и базы 10 (график 3) наноструктуры биполярного транзистора.
in
0
in
i
на фиг.5 приведены результаты работы наноструктуры биполярного транзистора, включенного по схеме (фиг.2) в двух режимах: когда на вход подается напряжение логического нуля (u=u) и когда на вход подается напряжение логической единицы (u=u) для следующих параметров:
5 а) - плотность электронов;
5 б) - плотность дырок;
in
0
in
1
на фиг.6 приведены результаты работы наноструктуры биполярного транзистора, включенного по схеме (фиг.2) в двух режимах: когда на вход подается напряжение логического нуля (u=u) и когда на вход подается напряжение логической единицы (u=u) для следующих параметров:
6 а) абсолютное значение общего тока в наноструктуре биполярного транзистора;
6 б) - пространственный заряд;
6 в) - электростатический потенциал.
Биполярный транзистор (фиг.1) содержит подложку 1 (диэлектрическая или второго типа проводимости), диэлектрическую изоляцию между транзисторами 2 и 11, область 3 коллектора первого типа проводимости (ПI), контакт 4 коллектора, диэлектрическую изоляцию 5 между контактом коллектора и базы, контакт 6 базы, диэлектрическую изоляцию 7 между контактом базы и областью эмиттера, контакт 8 эмиттера, область 9 эмиттера первого типа проводимости (ПI), область 10 базы второго типа проводимости, поверхностный переход 12 «база-эмиттер», поверхностный переход 13 «база-коллектор».
В случае необходимости снижения напряжения логического нуля для повышения запаса помехоустойчивости по положительной помехе область 3 может включать области 14 и 15 повышенной концентрации первого типа проводимости.
Биполярный транзистор выполнен наноразмерным со ступенчатым профилем.
Область коллектора 3 сформирована на подложке 1 в виде нанослоя высотой не менее 15 нм. При формировании нанослоя коллектора менее 15 нм увеличивается сопротивление тела коллектора, что приводит к повышению напряжения логического нуля и в дальнейшем приведет к нарушению работоспособности схемы, построенной на таком транзисторе.
Область базы 10 сформирована на части нанослоя коллектора 3 в виде нанослоя высотой не менее 3 нм.
В случае формирования нанослоя базы менее 3 нм при работе транзистора происходит пробой транзистора.
Область эмиттера 9 сформирована на участке области базы в виде нанослоя высотой не менее 8 нм. При формировании нанослоя эмиттера высотой менее 8 нм уменьшается объем эмиттера, что приведет к увеличению плотности тока эмиттера и как следствие к повышению температуры, что может вывести транзистор из строя.
Коллекторный контакт, контакт базы и эмиттерный контакт представляют собой контактные площадки.
Нанослои могут быть сформированы с использованием любой известной технологией формирования поверхностных полупроводниковых нанослоев, например эпитаксиальным выращиванием.
Предлагаемый биполярный транзистор может использоваться в качестве n-p-n-транзистора или p-n-p-транзистора.
Для n-p-n-транзистора область коллектора 3 сформирована на полупроводниковой подложке 1 в виде нанослоя n-типа, область базы 10 сформирована на части нанослоя коллектора в виде нанослоя p-типа, область эмиттера 9 сформирована на участке области базы в виде нанослоя n-типа.
Для n-p-n-транзистора для устранения влияния паразитного транзистора, образованного p-подложкой, p-подложку можно заменить на изолирующую, например, из технического сапфира.
Для p-n-p-транзистора область коллектора 3 сформирована на изолирующей подложке, например выполненной из технического сапфира, в виде нанослоя p-типа, область базы сформирована на части нанослоя коллектора в виде нанослоя n-типа, область эмиттера сформирована на участке области базы в виде нанослоя p-типа.
2
Работа предлагаемого биполярного транзистора поясняется на примере работы n-p-n-транзистора, включающего область коллектора 3, сформированную на изолирующей подложке (SiO) в виде нанослоя n-типа (Si n-типа) высотой 40 нм, область базы 10 сформирована на части нанослоя коллектора в виде нанослоя p-типа (Si p-типа) высотой 3 нм, область эмиттера 9 сформирована на участке области базы в виде нанослоя n-типа (Si n-типа) высотой 20 нм.
Устройство работает следующим образом.
Для проверки работы наноструктуры биполярного транзистора включаем ее по схеме с общим эмиттером (фиг.2).
На вход (базовый контакт 6) подаем линейно меняющееся входное напряжение от 0 В до 1,1 В.
На выходе (коллекторный контакт 4) получаем передаточную характеристику (фиг.3) с двумя устойчивыми состояниями, которые соответствуют двум режимам работы схемы:
- режим 1 - когда на входе (базовый контакт 6) напряжение логического нуля u0, (низкий уровень напряжения (0 В).
- режим 2 - когда на входе (базовый контакт 6) напряжение логической единицы ul, (высокий уровень напряжения (1 В)).
Рассмотрим работу наноструктуры биполярного транзистора для обоих режимов.
Режим 1.
1
1
1
к
При подаче на вход напряжения логического нуля u0 переход база-эмиттер 12 наноструктуры закрыт, области максимальной концентрация электронов (фиг.5а) и дырок (фиг.5б) не достигают контакта коллектора 4, и в коллекторе 3 текут незначительные токи (фиг.6а, фиг.3), пространственный заряд в области коллектора 3 (фиг.6б) препятствует протеканию большого тока, на выходе (на контакте коллектора 4) напряжение (фиг.6в, фиг.2), соответствующий напряжению логической единицы u, определяемое по формуле: u=Е-I *R
Режим 2.
1
0
кэн
0
кэн
k0
кнас
к
При подаче на вход напряжения логической единицы u переход база-эмиттер 12 наноструктуры открыт, области максимальной концентрация электронов (фиг.5а) и дырок (фиг.5б) достигают контакта коллектора 4, и в коллекторе 3 течет большой ток (фиг.6а, фиг.3), пространственный заряд в области коллектора 3 (фиг.6б) не препятствует протеканию большого тока, на выходе (на контакте коллектора 4) низкий уровень напряжения (фиг.6в, фиг.2), соответствующий напряжению логического нуля u, которое соответствует коллектор-эмиттерному напряжению насыщенного биполярного транзистора u: u=u=u+I*r
кэн
к
u зависит от сопротивления r тела коллектора 3. Чтобы уменьшить напряжение логического нуля (в случае необходимости обеспечения лучшей помехоустойчивости) в области коллектора 3 путь прохождения тока насыщения нужно сделать низкоомным, путем изменения концентраций частей 14 и 15, входящих в область 3.
Анализ работы наноструктуры биполярного транзистора, сформированного нанослоями 3, 10, 9, доказывает ее работоспособность.
Предлагаемый биполярный транзистор обеспечивает высокую информационную плотность (за счет использования наноразмеров) и улучшенное быстродействие (за счет упрощения структуры и уменьшения площади поверхности переходов транзистора и, как следствие, - уменьшения паразитной емкости) при низкой мощности потребления (поверхностные p-n переходы и отсутствие паразитного p-n-p транзистора, потребляющего дополнительную мощность).