Вопросы для защиты:

1. Что представляет собой диффузионный резистор? Нарисуйте резистор, созданный на основе базовой области.

2. Напишите формулу для расчета сопротивления полосковой конфигурации.

3. Перечислите топологии диффузионных резисторов. На какие сопротивления они рассчитаны?

4. Нарисуйте П-образную и Т-образную эквивалентную схему диффузионного резистора.

Расчетная работа N2

Полупроводниковые конденсаторы

Цель работы: рассчитать геометрические размеры окна под диффузия для получения полупроводникового конденсатора.

Основные теоретические сведения

Варианты конструкции конденсаторов

В полупроводниковых биполярных ИМС используются конденсаторы на основе p-n-переходов (диффузионные или ионно-легированные) и конденсаторы типа металл-диэлектрик-полупроводник (МДП).

Диффузионные конденсаторы (ДК) формируются на основе любого из n-p- переходов транзисторной структуры: коллектор – подложка (КП), эмиттер – база (ЭБ), база–коллектор (БК)(рисунок 8).

Рис. 8. Диффузионные конденсаторы.

Типичная структура ДК, в ко­тором используется переход коллектор-база, показана на рис. 9.

Е мкость такого конденсатора в общем случае имеет вид:

где С₀₁ и С₀₂ — удельные емкости донной и боковой частей р-п-перехода. Соотношение слагаемых в правой части зависит от отно­шения а/b, т.е. от конфигурации ДК. Оптимальной конфигурацией является квадрат (а = b): при этом «боковая» составляющая емкости оказывается в десятки раз меньше донной. Пренебрегая боковой со­ставляющей, т.е. вторым слагаемым, и полагая а =b, получаем:

Рис.9. Диффузионный конденсатор

на основе коллекторного перехода

.Например, если С₀₁ = 150 пФ/мм² и С = 100 пФ, то а == 0,8 мм. Как видим, размеры конденсатора получились сравнимы­ми с размерами кристалла.

Для того чтобы суммарная площадь всех конденсаторов, входящих в состав ИС, не превышала 20-25 % площади крис­талла, необходимо ограничить суммарную емкость конденсато­ров величиной

где S_кp — площадь кристалла. Если S_кр = 2–9 мм² и С₀₁ = 150 пФ/мм², то С_макс = 50-300 пФ.

Используя не коллекторный, а эмиттерный n-p-переход, мож­но обеспечить в 5-7 раз большие значения максимальной емкости. Это объясняется большей удельной емкостью эмиттерного перехода, поскольку он образован низкоомными слоями.

Основные параметры ДК, включая технологический разброс номиналов Δ, температурный коэффициент емкости ТКЕ , про­бивное напряжение U_np и добротность Q, приведены в табл. 1 для обоих вариантов ДК — с использованием коллекторного и эмиттерного переходов. Как видим, основное преимущество при использовании эмиттерного перехода — большие значения максимальной емкости. По пробивному напряжению и доброт­ности (см. ниже) этот вариант уступает варианту с использова­нием коллекторного перехода.

Необходимым условием для нормальной работы ДК являет­ся обратное смещение p-n-перехода. Следовательно, напряже­ние на ДК должно иметь строго определенную полярность.

Емкость ДК зависит от напряжения. Это зна­чит, что ДК, вообще говоря, является нелинейным конденсато­ром с вольт-фарадной характеристикой C(U). Нелинейные кон­денсаторы находят применение в специальных узлах радиотех­нической аппаратуры: параметрических усилителях, умножителях частоты и др. В таких узлах нелинейность ДК оказывается полезной. Однако чаще требуются линейные кон­денсаторы с постоянной емкостью, которые способны пропус­кать без искажения переменные сигналы и «блокировать» (т.е. не пропускать) постоянные составляющие сигналов. ДК успеш­но выполняет такую функцию при наличии постоянного сме­щения напряжения , превышающего амплитуду переменного сигнала.

Таблица 1.

Типичные параметры интегральных конденсаторов

Тип конденсатора	С0, пФ/мм	Смакс, пФ	Δ,%	тке, % /Ос	Uпр, В
Переход БК Переход БЭ Переход КП МДП-структура	150 1000 100 300	300 1200 500	±20 ±20 ±20 ± 25	- 0,1 - 0,1 - 0,1 0,02	50 7 70 80

Важной особенностью ДК является возможность менять значение емкости, меняя смещение . Следовательно, ДК можно использовать не только в качестве «обычного» конден­сатора с постоянной емкостью, но и в качестве конденсатора с электрически управляемой емкостью или, как говорят, кон­денсатора переменной емкости. Такие конденсаторы необхо­димы, например, для настройки колебательных контуров в ра­диотехнике. Электрическая регулировка емкости, разумеется, предпочтительнее обычной механической. Однако диапазон электрической регулировки ограничен: меняя смещение от 1 до 10 В, можно изменить емкость ДК всего в 2-2,5 раза.

Добротность. Важным параметром всякого конденсатора, в том числе ДК, является высокочастотная добротность Q . Она характеризует потери мощности при протекании емкостного тока и определяется как отношение реактивного сопротивле­ния конденсатора к активному:

где r_в — сопротивление потерь на высоких частотах (рис.10, а). Чем меньше актив­ная мощность по сравнению с реактивной, тем больше добротность. Например, если С= 100 пФ, r_в = 20 Ом и f = 1 МГц, то Q_B ≈ 75. У идеального конденсатора r_в = 0 и Q=∞.

Главным источником потерь в ДК являются горизонтальные сопротивления нижних слоев, входящих в состав р-п-переходов. Для перехода БК — это сопротивление коллекторного слоя (рис. 7), а для перехода БЭ — базового. При наличии скрыто­го n⁺-слоя сопротивление r_в для перехода БК значительно мень­ше, чем при использовании коллекторного (табл. 1).

Из выражения добротности очевидно, что добротность возрастает с уменьшением частоты. Однако при достаточно низких частотах становится существенным другой тип потерь, которым на высо­ких частотах можно пренебречь. Речь идет о сопротивлении по­терь r_н, обусловленном обратным током p-n-перехода, т.е. о со­противлении утечки. Это сопротивление шунтирует емкость ДК (рис. 10, б). Поэтому добротность на низких частотах определяют как отношение реактивной проводимости конден­сатора к активной:

где r_н - сопротивление потерь (утечки) на низких частотах.

Поскольку сопротивление r_н определяется обратным током перехода, оно обратно пропорционально площади перехода. Тем самым произведение Сr_н, а значит, и низкочастотная доб­ротность не зависят от площади. Типичное значение Q_H на час­тоте 500 Гц составляет 50-100.

В том диапазоне частот, в котором значения обеих добротностей Q_B и Q_H превышают 100-200, ДК представляет собой почти идеальную емкость, т.е. на эквивалентных схемах (рис. 10) можно не учитывать сопротивление потерь. Из приведенных примеров следует, что ДК является почти идеальным в диапа­зоне

частот 500 Гц - 500 кГц.

Эквивалентная схема. Специфической особенностью ДК как элемента ИС является наличие у него паразитной емкости. При использовании перехода БК - это барьерная емкость между коллекторным слоем и подложкой С_пар = С_кп. Наличие паразитной емкости приводит к неполной передаче напряжения через ДК в нагрузку.

Действительно, из эквивалентной схемы на рис. 11 видно, что ДК вместе с паразитной емкостью образует емкостной делитель напряжения. Поэтому на выход проходит только часть входного напряжения Uвх. Коэффициент передачи будет близок к единице, если выпол­няется неравенство С_пар < С. Однако площади обоих конденса­торов (рабочего и паразитного) почти одинаковы (рис. 11). Более того, площадь пара­зитного конденсатора С_кп даже несколько больше пло­щади рабочего. Поэтому ем­кости С_пар и С различаются только благодаря различию удельных емкостей перехо­дов БК и КП и различию на­пряжений на этих перехо­дах. Расчеты показывают, что в реальных структурах ИС паразитную емкость С_пар не удается сделать меньше (0,15-0,2)С. Соответственно коэф­фициент передачи не превышает 0,8-0,9. Аналогичные выводы и аналогичная эквивалентная схема действительны и для ДК, использующего переход БЭ.

М ДП(МОП)-конденсатор. Интегральным конденсатором, принци­пиально отличным от ДК, является МДП-конденсатор. МДП-конденсаторы (металл-диэлектрик-полупроводник) используют в качестве диэлектрика тонкий слой (0,05…0,12 мкм) или . Нижней обкладкой служит высоколегированный эмиттерный слой, верхней – пленка алюминия толщиной   Его ти­пичная структура показана на рис. 12. Здесь над эмиттерным n⁺-слоем с помощью дополнительных технологических процес­сов выращен слой тонкого окисла. В дальней­шем, при осуществлении металлической разводки, на этот слой напыляется алюминиевая верхняя обкладка конденсатора.

Удельная емкость МДП-конденсатора выражается формулой

,

где d – толщина защитного окисла, ε – его диэлектрическая проницаемость. Обычно удельная емкость составляет около 350 пФ/мм². Основные пара­метры МДП-конденсаторов приведены в табл. 1.

Рис.12. МДП-конденсатор с диэлектриком.

Важным преимуществом МДП-конденсаторов по сравнению с ДК является то, что они работают при любой полярности на­пряжения, т.е. аналогичны «обычному» конденсатору. Однако МДП-конденсатор, как и ДК, тоже нелинейный.

Выбор n-p-переходов для конденсаторов определяется значением емкости, допустимыми напряжениями на переходе и другими требованиями. Низковольтные конденсаторы обычно формируются на переходе эмиттер-база. Наиболее часто используется конденсатор на n-p- переходе база-коллектор.