Пленочные конденсаторы и катушки индуктивности

Цель работы: рассчитать геометрические размеры тонкопленочного конденсатора

Основные теоретические сведения

Конденсаторы. Структура и конфигурация типичного пле­ночного конденсатора показаны на рис. 16. Удельная емкость конденсатора определяется по формуле , где толщина диэ­лектрической пленки d существенно зависит от технологии: для тонких пленок d = 0,1-0,2 мкм, для толстых d = 10-20 мкм. Поэтому при прочих рав­ных условиях удельная емкость толстопленочных конденсато­ров меньше, чем тонкопленоч­ных. Однако различие в толщи­не диэлектрика может компен­сироваться благодаря различию диэлектрических проницаемостей материалов.

У тонкопленочных конденса­торов удельная емкость не про­порциональна диэлектрической проницаемости используемого материала, так как учитывает­ся еще его пробивная напря­женность. Материал с высоким значением ε может иметь малую пробивную напряженность. Тогда при заданном пробивном напряжении толщину диэлект­рического слоя необходимо увеличивать, и выигрыш в удель­ной емкости оказывается меньше ожидаемого.

При выборе диэлектрика для высокочастотных конденсато­ров (как тонко-, так и толстопленочных) приходится дополни­тельно учитывать потери энергии в диэлектрике. Что касается омических потерь в обкладках пленочных конденсаторов, то они гораздо меньше, чем у полупроводниковых конденсаторов, потому что в качестве обкладок используются металлические слои с высокой проводимостью.

Рис.16. Конструкции пленочных конденсаторов с обкладками прямоугольной формы (а), в виде пересекающихся проводников (б) и гребенки(в).

Конструкция (рис. 16, а), в которой контур верхней обкладки вписывается в контур нижней обкладки, предназначена для реализации конденсаторов повышенной емкости (сотни-тысячи пикофарад). Ее особенностью является то, что несовмещение контуров обкладок не сказывается на воспроизведении емкости (для устранения погрешности из-за площади вывода верхней обкладки предусмотрены компенсаторы 5), а распространение диэлектрика за контуры обеих обкладок гарантирует надежную изоляцию обкладок при их предельном несовмещении.

Для конденсаторов небольшой емкости (десятки пикофарад) целесообразна конструкция (рис. 16, б) в виде пересекающихся проводников одинаковой ширины, разделенных слоем диэлектри­ка. Емкость конденсатора данной конструкции нечувствительна к смещению обкладок из-за неточности их совмещения.

Для реализации высокочастотных конденсаторов (емкость < 1 пФ) применяют гребенчатую конструкцию (рис. 16, в), в которой обкладки имеют форму гребенчатых проводников, а диэлектрик является составным типа «подложка — воздух» или «подложка — диэлекрическое покрытие».

В табл. 4 приведены типичные параметры пленочных кон­денсаторов. Для сравнения воспроизведены также параметры близких им по структуре МДП-конденсаторов. Из таблицы можно сделать следующие общие выводы:

• удельные емкости пленочных конденсаторов (при надлежа­щем выборе диэлектрика) в несколько раз и даже на поря­док превышают удельную емкость МДП-конденсаторов и тем более диффузионных конденсаторов;

• максимальные емкости пленочных конденсаторов могут быть на несколько порядков больше, чем емкости полупроводни­ковых конденсаторов, главным образом благодаря большей площади (поскольку площадь подложек гибридных ИС зна­чительно превышает площадь кристаллов полупроводнико­вых ИС);

• толстопленочные конденсаторы незначительно уступают тонкопленочным по большинству параметров, за исключе­нием, может быть, температурного коэффициента;

• для высокочастотных тонкопленочных конденсаторов опти­мальным диэлектриком является моноокись кремния; близ­кими к ней параметрами обладает также моноокись герма­ния.

Таблица 4. Типичные параметры пленочных конденсаторов

Тип конденсатора				Δ, %	TKE, %/°C	Q (10 МГц)
Тонкопле- ночныи	SiO	60	1500	± 15	0,2	200
		1500	4*104	± 15	0 03	40
	Та205	4000	105	± 15	0,02	30
Толстопленочный		—	104	± 20	± 0,05... ± 0,15	_
МДП		350	200	± 20	0,02	10

Катушки индуктивности. Как уже отмечалось, возможность осуществлять катушки индуктивности методами микроэлект­роники является одним из достоинств пленочной технологии. Такие катушки представляют собой плоские спирали, обычно прямоугольной конфигурации (Рис.17). Для уменьшения со­противления в качестве материала используется золото. Ширина ме­таллической полоски составляет 30-50 мкм, просвет между витками 50—100 мкм. При таких геометри­ческих размерах удельная индук­тивность лежит в диапазоне 10-20 нГн/мм², т.е. на площади 25 мм² можно получить индуктивность 250-500 нГн.

Добротность катушек индуктив­ности на высокой частоте определя­ется выражением

где r_в — сопротивление высокочастотных потерь. Например, на частоте 100 МГц добротность может иметь значение Q_B = 50. В отличие от добротности конденсатора добротность катушки возрастает с увеличением частоты. Поэтому пленоч­ные катушки могут успешно работать в диапазоне сверхвысо­ких частот (СВЧ), при частотах 3-5 ГГц. При этом число вит­ков составляет 3-5. В связи с разработкой микроминиатюрных проволочных ка­тушек применение пленочных катушек, особенно на частотах менее 50-100 МГц, ограничивается, и предпочтение, как и в случае конденсаторов, отдается навесным компонентам.

Рис.17. Пленочная катушка индуктивности