Полупроводниковые конденсаторы

Ионно-легированные резисторы.

За последнее время все большее распространение получают ионно-легированные резисторы,которые в отличие от диффузионных резисторов получаются не диффузией, а локальной ионной имплантацией при­меси.

Структура ионно-легированного резистора такая же, как у диффузионного (рисунок 4.17д), но глубина имплантирован­ного р-слоя значительно меньше глубины базового слоя и составляет всего 0,2-0,3 мкм. Кроме того, ионная имплантация позво­ляет обеспечить сколь-угод­но малую концентрацию примеси в слое. Оба фак­тора способствуют получе­нию весьма высоких удель­ных сопротивлений слоя - до 10-20кОм/’. При этом номиналы сопротивлении могут состав­лять сотни килоом, ТКС меньше, чем у диффузионных резисторов, и лежит в пределах 3-5%/⁰С, а разброс сопротивлений не превышает ± (5-10)%.

Поскольку толщина имплантированного слоя мала, к нему труд­но осуществить омические контакты. Поэтому по краям резистивного слоя на этапе базовой диффузии формируют узкие диффузи­онные р-слои, с которыми осуществляется омический контакт обыч­ным способом.

4.7.3 Эквивалентная схема.

Характерной особенностью любого интегрального резистора является наличие у него паразитной ем­костиотносительно подложки или изолирующего кармана. В прос­тейшем диффузионном резисторе такой паразитной емкостью является барь­ерная емкость перехода между рабочим р-слоем и эпитаксиальным n-слоем кармана.

Строго говоря, совокупность резистора и паразитной емкости представляет собой распределенную RС-линию. Однако для приближенных расчетов удобнее пользоваться эквивалентными схемами с сосредоточенными постоянными: П-образной или Т-образной (рисунок 4.17е). На этой схеме R - сопротивление резистора, С_П - усредненная емкость перехода. RC- цепочка снижает частотные свойства и увеличивает переходные процессы в схеме.

Рассмотренные эквивалентные схемы действительны и для дру­гих вариантов резисторов: когда рабочими являются змиттерный или коллекторный слой, а также при диэлектрической изоляции элементов. Однако количественные результаты оказываются раз­ными. Например, при использовании диэлектрической изоляции по­стоянная времени может быть в несколько раз меньше.

В биполярных полупроводниковых ИМС роль конденсаторов иг­рают обратно смещенные р-n переходы. У таких конденсаторов хотя бы один из слоев является диффузионным, поэтому их называют диффузионными конденсаторами.

4.8.1 Диффузионный конденсатор.

Типичная структура диффузионного конденсатора, в котором используется переход коллектор - база, показана на рисунке 4.18а. Емкость такого конденсато­ра в общем случае имеет вид:

С = C₀×S, (4.3)

где С₀- удельная емкость р-n перехода, S-площадь конденсатора. Опти­мальной, конфигурацией является форма близкая к квадрату.

Например, если C₀ = 150 пФ/мм² и С =100 пФ, то S»0,8 мм. Как ви­дим, размеры конденсатора получи­лись сравнимыми с размерами кристалла.

Используя не коллекторный, а эмиттерный р-n переход, можно обеспечить в 5-7 раз большие значения максимальной ем­кости. Это объясняется большей удельной емкостью эмиттерного перехода, поскольку он образован слоями с более высокой концентрацией, а, следовательно, меньшей толщиной р-n перехода. Возможно совместное использование эмиттерного и коллекторного переходов.

Рисунок 4.18

Основные параметры диффузионного конденсатораприведены в таблице 4.2 для обоих вариантов конденсаторов - с использованием коллекторного и эмиттерного переходов. Как видим, основное преимущество при исполь­зовании эмиттерного перехода - большие значения максималь­ной емкости. По пробивному напряжению этот вариант уступает варианту с использованием коллекторного перехода.

Эквивалентная схема конденсатора приведена на рисунке 4.18б.

Таблица 4.2

Тип	С0, пФ/мм^2	d, %	ТКЕ, %/^0С	UПР, В	Q (1 МГц)
конденсатора
Переход БК		±20	-0,1		5-10
Переход БЭ		±20	-0,1		5-10
МОП-структура		±25	0,02

Необходимым условием для нормальной работы конденсатора является обратное смещение р-n перехода. Следовательно, напря­жение на конденсаторе должноиметь строго определенную полярность. Кроме того, емкость зависит от напряжения. Это значит, что конденсатор является нелинейным свольт-фарадной характеристикой, как у варикапа. Однако чаще требуются линейные конденсаторы с постоянной емкостью, которые способны пропускать без искажения переменные сигналы и «блокировать» (т. е. не пропус­кать) постоянные составляющие сигналов, они успешно выполня­ет такую функцию при наличии постоянного смещения Е, превышающего амплитуду переменного сигнала.

С другой стороны, является возможность менять значение емкости, меняя смещение Е. Следовательно, конденсатор можно использо­вать не только в качестве «обычного» конденсатора с постоянной емкостью, но и в качестве конденсатора с электрически управляемой емкостьюили, как говорят, конденсатора переменнойемкости. Однако диапазон электрической регулировки ограничен: меняя смещение Еот 1 до 10 В можно изменить емкость конденсатора всего в 2-2,5 раза.

Из-за высокого сопротивления коллекторного n-слоя добротность таких конденсаторов низкая.

4.8.2 МОП-конденсатор.

Интегральным конденсатором, прин­ципиально отличным от диффузионного, является МОП-конденсатор. Его типич­ная структура показана на рисунке 4.18в. Здесь над эмиттерным n ⁺ - сло­ем с помощью дополнительных технологических процессов выра­щен слой тонкого (0,08-0,12 мкм) окисла. В дальнейшем, при осуществлении металлической разводки, на этот слой напыляется алюминиевая верхняя обкладка конденсатора. Нижней обкладкой служит эмиттерный n ⁺ - слой.

Основные параметры МОП-конденсаторов приведены в таблице 4.2. Добротность выше, так как сопротивление r значительно ниже из-за n⁺-слоя.

Важным преимуществом МОП-конденсаторов по сравнению с диффузионным является то, что они работают при любой полярности на­пряжения, т. е. аналогичны «обычному» конденсатору. Однако МОП-конденсатор, как и диффузионный, тоже нелинейный. Паразитная емкость МОП-конденсаторов учитывается с помощью ужеизвестной эквивалентной схемы (рисунок 4.18г), где под емкостью С_П следует понимать емкость между n-карманом и р-подложкой.

В заключение заметим, что в МОП-транзисторных ИМС, в отли­чие от биполярных, изготовление МОП-конденсаторов не связано с дополнительными технологическими процессами: тонкий окисел для конденсаторов получается на том же этапе, что и тонкий оки­сел под затвором, а низкоомный полупроводниковый слой - на этапе легирования истока и стока. Изолирующие карманы в МОП-технологии, как известно, отсутствуют.

Дата добавления: 2015-05-06