Интегральные диоды

Диоды нашли широкое применение в ИС. В логических ИС они используются как функциональные преобразователи, электрические развязки и для вывода транзисторов из насыщения. В аналоговых ИС используются две разновидности диодов: диоды с p-n-переходом и диоды с барьером Шоттки.

Диоды с p-n-переходом. Чтобы упростить технологию изготовления и снизить себестоимость ИС, диоды формируют на основе переходов транзисторной структуры. Применяется пять вариантов использования p-n-переходов:

а)- БК-Э; б)- БЭ-К; в)- Б-ЭК; г)- Б-Э; д)- Б-К

Параметры интегральных диодов приведены в таблице.

Параметр	Вариант конструкции
	БК-Э	БЭ-К	Б-ЭК	Б-Э	Б-К
Uпр, В	7-8	40-50	7-8	7-8	40-50
Iобр, нА	0,5-1	15-30	20-40	0,5-1	15-30
Cд, пФ	0,5	0,7	1,2	0,5	0,7
С0, пФ	3	3	3	1,2	3
tв, нс	10	50	100	50	75

Как видно из таблицы, варианты различаются по электрическим параметрам. Наибольшее пробивное напряжение U_пр имеют диоды, в которых используется коллекторный переход. С другой стороны обратный ток I_обр меньше у тех вариантов, в которых используется эмиттерный переход. Время восстановления обратного тока t_в минимально у вариантов БК-Э, т.к. у него заряд накапливается только в базе. Оптимальными для МС являются варианты БК-Э и Б-Э, причем чаще используется первый вариант. Пробивного напряжения 7-8 В достаточно для использования в низковольтных МС. В ИМС могут применяться также специально сформированные в едином технологическом процессе диодные структуры на основе биполярных транзисторов (изображены на рисунке).

П оучается структура Б-К. В этой конструкции отсутствует эмиттер, а диод сформирован на основе коллекторного перехода. Это позволяет уменьшить размеры базовой p-области и, соответственно, емкость p-n-перехода.

Самые быстродействующие диоды с p-n-переходами получаются на основе торцевых транзисторов (C_д≈0,005пФ, t_в≈1нс при токе 3 мА). На основе таких диодов изготавливают матричные БИС ПЗУ.

С табилитроны. Интегральные стабилитроны могут формироваться на базе структуры интегральных транзисторов в различных вариантах в зависимости от напряжения стабилизации и температурного коэффициента. Обратное включение диода Б–Э используется для получения напряжения 5-10 В с температурным коэффициентом +2-5 мВ/^оС. Диод работает в режиме лавинного пробоя. Обратное включение диода БЭ-К применяется для получения напряжения 3-5 В с температурной чувствительностью –2-3 мВ/^оС. Здесь используется эффект «прокола» базы. Один или несколько последовательно включенных в прямом направлении диодов БК-Э могут использоваться как стабисторы с напряжением ≈0,7 В на каждый переход и температурной чувствительностью –2 мВ/^оС. На основе биполярного транзистора могут также создаваться температурно-компенсированные стабилитроны на основе базового и эмиттерного слоев.

Диоды Шоттки. Применение диодов с p-n-переходом в быстродействующих БИС оказывается недостаточно эффективным из-за большого времени переключения и занимаемой площади, поэтому во многих практических случаях применяют диоды с барьерами Шоттки. Выпрямляющий эффект Шоттки возникает в месте контакта металла с полупроводником при определенных условиях. Диоды Шоттки получаются путем нанесения металла непосредственно на кремний, легированный донорной примесью. При равномерно легированных эпитаксиальных слоях степень легирования должна быть достаточно низкой, иначе барьер окажется проницаемым для туннелирующих электронов. На практике концентрация легирующей примеси менее 10¹⁷ см^-3. Высоту барьера можно изменить, применяя различные металлы и проводя под диодом мелкую n⁺-имплантацию, понижающую высоту барьера. Чаще всего для разводки используется алюминий, который также пригоден для создания диодов Шоттки с высотой барьера 0,8 В, однако воспроизводимость таких диодов очень низкая. Лучшие результаты дает применение сплава платины и никеля, который образует силицидный слой при взаимодействии с кремнием. Меняя соотношение металла, можно получить высоту барьера от 0,64 эВ (при 100% никеля) до 0,84 эВ (при 100% платины). Диоды с гораздо меньшими высотами барьеров получают при использовании сплава титана и вольфрама. Другой трудностью при производстве диодов Шоттки является возможность возникновения электрических полей на краях контакта металл-полупроводник, что приводит к пробою диода. Для предотвращения этого применяют следующие меры:

В конструкции а) используется охранное кольцо по периметру контакта. В конструкции б) по периметру используется диэлектрическая прокладка толщиной около 0,1 мкм из окиси кремния. В конструкции в) применяется n⁺-ионная имплантация.

Другой технологической трудностью является необходимость воспроизводимого и контролируемого состояния физических свойств поверхности полупроводника и границы раздела металл-полупроводник. Для этого приходится вводить дополнительную операцию ионно-плазменной очистки поверхности кремния в вакууме перед напылением пленки металла.