СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №4/2015

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 47 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2015 I С , мА V СЕ , В –I С , мА V СЕ , В I DS , мА V GS , В 0,3 Первый транзистор Второй транзистор 0,2 0,1 0 0,5 0,6 0,7 0,8 300 К 4 К 0,9 азота – 6,3 мВ. Поэтому технологиче- ский разброс значения порогового напряжения приведёт к значительно- му разбросу токов стока, и применение режима слабой инверсии в низкотем- пературных аналоговых ИС не реко- мендуется. Необходимо учитывать, что со сни- жением температуры уменьшает- ся область напряжения исток–сток, в которой МДП-транзистор облада- ет высоким выходным сопротивле- нием. Это, с одной стороны, обуслов- лено ростом порогового напряжения при низких температурах, а с другой стороны – малым напряжением пробоя промежутка сток–исток транзисторов с коротким каналом. Тепловой шум КМОП-транзисторов уменьшается с температурой, однако фликкер-шум при криогенных темпе- ратурах может и уменьшаться, и воз- растать, в зависимости от особенно- стей конкретного технологического маршрута. 2. Усиление БТ значительно уменьша- ется при температуре жидкого азота, что иллюстрируют результаты измерений ВАХ в схеме с общим эмиттером (ОЭ) (см. рис. 4 и 5) для транзисторов базово- го матричного кристалла АБМК-1.3 [29]. Для увеличения коэффициента усиле- ния БТ в схеме с общим эмиттером ( β ) в некоторых работах [11, 12] выполнена оптимизация транзисторной структу- ры, а именно, эмиттерная область сфор- мирована из поликристаллического кремния и использованы слаболегиро- ванные базовая и коллекторная обла- сти, что позволило существенно повы- сить усиление БТ при температуре жид- кого азота (см. рис. 6). К сожалению, такие БТ обладают невысоким быстродействием, плохой радиационной стойкостью, малым напряжением Эрли (низким выход- ным малосигнальным сопротивлени- ем) и чрезвычайно высоким напряже- нием коллектор-эмиттер при насыще- нии (V CES ). Например, V CES = 3,5 В при I B = 0,5 мкА и Т = 300 K. При низких тем- пературах (Т = 78 K) V CES уменьшается до 0,5 В, но такие БТ нельзя применять вширокомдиапазоне температури, сле- довательно, в космической электронике. По мнению некоторых специали- стов, наилучшим решением для синте- за аналоговых низкотемпературных ИС является использование SiGe HBT. При уменьшении температуры в SiGe HBT повышается β , напряжение Эрли, гра- ничная частота (f T ), но уменьшается β в режиме малых токов [5, 18, 19]. Кро- ме того, возможно одновременное фор- мирование на одном кристалле крем- ний-германиевых биполярных и МДП- транзисторов, что является большим преимуществом при создании анало- го-цифровых микросхем. На рисунках 7–10 приведены про- филь распределения примеси в SiGe HBT, сформированном по техмаршру- ту IBM SiGe 5AM [19], основные статиче- ские и частотные параметры в диапазо- не температур, которые подтверждают Рис. 3. Типовое различие передаточных характеристик двух рядом расположенных МОП-транзисторов при разных температурах [20] Рис. 5. Зависимость тока коллектора (I C ) горизонтального p-n-p-транзистора от напряжения коллектор–эмиттер (V CE ) при токе базы I B = –8 мкА и разных температурах 10 4 β 10 3 2 4 6 8 350 250 200 160 125 100 1000/Т, 1 К 77,7 Т, К 10 21 10 20 10 19 10 18 10 17 10 16 0 200 400 600 x j , нм N, см –3 Аs Аs Ge poly I C , А 10 –4 10 –3 393 К 300 К 223 К 162 К 93 К 43 К 4,3 К 0 10 50 40 30 20 f T , ГГц Рис. 6. Зависимость коэффициента передачи тока β от температуры для модернизированного БТ [11, 12] Рис. 7. Типовой профиль распределения примеси (зависимость концентрации N от глубины залегания x J ) в SiGe HBT Рис. 8. Зависимость граничной частоты (f T ) от тока коллектора (I C ) при разной температуре для SiGe HBT Рис. 4. Зависимость коллекторного тока (I C ) вертикального n-p-n-транзистора от напряжения коллектор–эмиттер (V CE ) при токе базы I B = 8 мкА и разных температурах © СТА-ПРЕСС