Интегральные конденсаторы

Характеристики конденсаторов полупроводниковых ИС невысоки. Эти конденсаторы имеют небольшую емкость (С_max<5нФ) и низкую добротность (Q≤10), поэтому при проектировании электрических схем полупроводниковых МС стремятся конденсаторы исключить.

В ИС применяются следующие конструкции конденсаторов:

1. Конденсаторы на основе p-n-переходов (диффузионные конденсаторы). Для их формирования пригоден любой p-n-переход.

К онденсатор С₁ - это конденсатор типа коллектор-подложка, С₂ – Б-К, С₃ – Э-Б, С₄ – переход p-области изолирующей диффузии и n⁺-области скрытого слоя. Варианты С₁ и С₄ не могут быть реализованы в МС с диэлектрической изоляцией.

Использование конкретного перехода определяется необходимым значением емкости, допустимой разностью потенциалов на переходе и полярностью потенциалов узлов МС, т.к. переход всегда должен находиться в запертом состоянии. При импульсном воздействии амплитуда импульса не должна превышать напряжения смещения перехода. При гармоническом воздействии амплитуда переменного сигнала должна быть значительно меньше напряжения смещения перехода, иначе будет наблюдаться модуляция емкости конденсатора.

Коллекторный переход используется наиболее часто для формирования диффузионных конденсаторов. Такой конденсатор имеет удельную емкость примерно 300 пФ/мм² при рабочем напряжении 20-30 В. Конденсатор на основе эмиттерного перехода характеризуется максимальной удельной емкостью (примерно 1000-1500 пФ/мм²), однако он имеет небольшое пробивное напряжение (7-8 В). При низких рабочих напряжениях (<5В) применяется параллельное соединение конденсаторов, сформированных на основе эмиттерного и коллекторного переходов, приведенный на рисунке.

Конденсатор на основе перехода коллектор-подложка может применяться только в том случае, если по условию работы нижняя обкладка диффузионного конденсатора (p-подложка) должна быть заземлена по переменному току. Такой конденсатор характеризуется минимальной удельной емкостью (примерно 200 пФ/мм²), но при этом имеет максимально возможное пробивное напряжение (>100 В). При применении скрытого n⁺-слоя максимальную удельную емкость можно повысить примерно в 1,5 раза.

Температурная нестабильность емкости диффузионного конденсатора определяется в основном нестабильностью диэлектрической проницаемости полупроводника и контактной разности потенциалов.

2. МДП-конденсаторы. Эти конденсаторы находят широкое применение в ИС Они неполярны, имеют достаточно высокое напряжение пробоя и технологию изготовления, совместимую с технологией изготовления других элементов полупроводниковых ИС.

Н ижней обкладкой такого конденсатора служит эмиттерный n⁺-слой, верхней – пленка алюминия. Диэлектриком служат тонкие слои двуокиси кремния или нитрида кремния Si₃N₄. Последний более предпочтителен, т.к. имеет большую удельную емкость, но первая более доступна и не требует дополнительных технологических операций. Толщина диэлектрика составляет 0,05-0,12 мкм. Тонкие пленки имеют повышенную дефектность, что резко снижает выход годных конденсаторов.

Сильно легированный n⁺-слой обеспечивает невысокое сопротивление потерь (3-5 Ом) и независимость емкости конденсатора от постоянного напряжения смещения. Разброс емкости МДП-конденсаторов в процессе производства определяется в основном точностью формирования окисной пленки, а температурная нестабильность емкости определяется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости пленки и не зависит от ее коэффициента линейного расширения.

3. Тонкопленочные МДМ-конденсаторы. Такой тип конденсаторов применяется в совмещенных ИС и представляет собой два металлических слоя, разделенных слоем диэлектрика. В качестве обкладок обычно используется алюминий или тантал, а в качестве диэлектрика – окись алюминия или тантала соответственно. Диэлектрическая проницаемость окиси тантала на порядок выше, чем у окиси алюминия, но она имеет плохие свойства в области высоких частот. МДМ-конденсатор работает при любой полярности. Недостатком данного типа конденсаторов является удлиненный технологический маршрут изготовления и необратимый отказ в случае пробоя диэлектрика.

Тип конденсатора	Удельная емкость С0, пФ/мм2	Максимальная емкость Сmax, пФ	Допуск, %	ТКЕ *10-5, оС-1	Uпр, В	Доброт-ность
Диффузионные конденсаторы на переходах:
Б-К	150(350)	300	±15-20	-1	30-70	50-100
Э-Б	600(1000)	1200	±20	-1	7-8	1-20
К-П	100(250)	—	±15-20	—	70-100	—
МДП-конденсаторы:
с SiO2	400-600	500	±20	0,015	30-50	25-80
с Si3N4	800-1600	120	±20	0,01	30	80-100
Тонкопленочные конденсаторы:
с Al2O3	500-800	650	±20	±3	20-40	10-100
с Ta2O5	3000-5500	4500	±20	±2-5	20	10-100