Podręcznik

We współczesnej mikroelektronice królują układy CMOS, więc zajmiemy się tranzystorami bipolarnymi w tych układach. W układzie scalonym CMOS tranzystory bipolarne występują zwykle tylko jako elementy pasożytnicze, ale niektóre z nich mogą być wykorzystane jako aktywne elementy w układzie. 

W strukturze układu CMOS można wyróżnić struktury bipolarne n-p-n i p-n-p pokazane na rysunku 2-8.

Rysunek 2‑8. Struktury bipolarne występujące w układach CMOS

Widzimy tu lateralny tranzystor n-p-n równoległy do tranzystora nMOS, lateralny tranzystor p-n-p równoległy do tranzystora pMOS, tranzystor p-n-p utworzony przez obszary źródła/drenu tranzystora pMOS oraz obszary wyspy i podłoża i wreszcie strukturę n-p-n znajdującą się między obszarem źródła/drenu tranzystora nMOS i wyspy typu n. W normalnych warunkach pracy układów CMOS wszystkie te struktury tranzystorowe mają złącza p-n spolaryzowane zaporowo, są więc nieaktywne.

Zwrócimy uwagę najpierw na strukturę n-p-n znajdującą się między obszarem źródła/drenu tranzystora nMOS i wyspą typu n. Struktura ta, zaznaczona na rysunku 2-8 jako bezużyteczna, może w pewnych sytuacjach poważnie zakłócić działanie układu (niezależnie od tego, czy jest to układ cyfrowy, czy analogowy). Zauważmy, że wraz z obszarem źródła/drenu tranzystora pMOS tworzy ona układ czterech obszarów: n(źródło/dren nMOS)-p(podłoże)-n(wyspa)-p(źródło/dren pMOS). Taka struktura czterowarstwowa jest znana pod nazwą tyrystora. Struktura tyrystorowa z wszystkimi trzema złączami p-n spolaryzowanymi zaporowo znajduje się w stanie, który nazywamy stanem blokowania i nie przewodzi prądu. Ma ona jednak tę własność, że jeśli jedno ze skrajnych złącz p-n (lub oba) przejdzie w stan przewodzenia, to może nastąpić przejście całej struktury w stan przewodzenia (mechanizmu fizycznego powodującego to zjawisko nie będziemy tu omawiać). Obszary skrajne (źródło/dren tranzystora nMOS i źródło/dren tranzystora pMOS) zostają wówczas praktycznie zwarte, i układ przestaje działać prawidłowo. Aby powrócił do normalnego stanu, trzeba wyłączyć i ponownie włączyć napięcie zasilania. To zjawisko nosi nazwę „zatrzaskiwania się” układów CMOS (ang. „latch-up”). Może ono wystąpić w przypadku, gdy jedno ze skrajnych złącz struktury tyrystorowej zostanie spolaryzowane dostatecznie silnie w kierunku przewodzenia. W prawidłowo skonstruowanych układach CMOS w stanie ustalonym taka sytuacja nigdy nie zachodzi, ale może się zdarzyć w stanie przejściowym, głównie wtedy, gdy przez podłoże lub wyspę przepływają znaczące prądy, i wobec tego obszary te nie są ekwipotencjalne (patrz poprzedni punkt – sprzężenia przez podłoże). Dlatego ważne jest dołączanie do wyspy, a także do podłoża, kontaktów ustalających potencjały tych obszarów (była o tym mowa w poprzednim punkcie). 

Z punktu widzenia zastosowań w układach analogowych interesująca – bo może być użyteczna – jest struktura zwana podłożowym tranzystorem p-n-p, jaka istnieje pomiędzy obszarami źródła/drenu tranzystora pMOS oraz obszarami wyspy i podłoża. Ten układ obszarów p-n-p bywa wykorzystywany jako aktywny tranzystor bipolarny. Emiterem jest obszar implantacji typu p w wyspie, bazą obszar wyspy, a kolektorem – podłoże. Aby był to użyteczny tranzystor bipolarny, trzeba tym obszarom nadać odpowiednie kształty i wymiary. Przykład budowy takiego tranzystora - widok z góry i odpowiadający mu przekrój pokazuje rysunek 2-9.

Rysunek 2‑9. Bipolarny tranzystor podłożowy p-n-p: widok z góry i przekrój. Przekrój w uproszczeniu: nie pokazano obszarów grubego tlenku oraz kontaktów i metalizacji

Użyteczność tej struktury jest ograniczona przez fakt, że kolektor tego tranzystora jest zarazem podłożem układu scalonego, a podłoże – jak już wiemy (część I, punkt 4.2.1) – musi być połączone z „minusem” zasilania. A więc omawianego tranzystora nie można użyć w dowolnym miejscu w schemacie układu, lecz tylko tam, gdzie potrzebny jest tranzystor bipolarny p-n-p mający kolektor połączony z „minusem” zasilania. Zobaczymy dalej, że takie sytuacje w układach analogowych zdarzają się.