7.1.3. Конденсатори напівпровідникових мікросхем

В якості ємнісних елементів напівпровідникових ІМС використовують як МДН-конденсатори, так і дифузійні конденсатори на основі бар’єрної ємності обернено зміщеного p-n-переходу.

У МДН-конденсаторів (рис. 7.2.) одною із обкладинок є n⁺-шар 1, створений одночасно з емітерними областями біполярного транзистора або областями витоку і стоку МДНПТ. Ємність конденсатора розраховують за формулою (7.1). Відносна похибка ємності не перевищує (0,2 - 0,3).

В якості діелектрика 3 використовують діоксид силіцію SiO₂ або складний діелектрик, що включає діоксид силіцію SiO₂ і нітрид силіцію Si₃N₄. Ємність конденсатора залежить від площі верхньої обкладинки 2, яку виконують з алюмінію.

Для збільшення питомої ємності МДН-конденсатора товщину d діелектрика 3 вибирають мінімально можливою, але такою, що забезпечує необхідну робочу напругу (d = 0,05 - 0,2 мкм). Область 1 n⁺-типу має опір, який знижує добротність конденсатора на високих частотах, а бар'єрна ємність між шаром 1 і основою 4 С_В (паразитна ємність) відгалужує частину сигналу, що проходить через конденсатор, на основу. Для зменшення ефекту ділення сигналу ємність С_В має бути на порядок меншою основної ємності конденсатора. Обкладинки конденсаторів мають прямокутну або квадратну форму.

МДН-конденсатори мають хороші електричні характеристики, високу добротність (100 - 1000), широкий частотний діапазон і неполярні.

Дифузійні конденсатори створюють на основі бар'єрних ємностей p-n-переходів біполярних та МДН-транзисторів. Дифузійні конденсатори напівпровідникових ІМС є полярними елементами, величина ємності яких залежить від напруги зворотного зміщення. У якості конденсатора використовують p-n-переходи: колектор-основа, база-емітер, база-колектор, або обидва останні переходи, ввімкнені паралельно.

Питому ємність p-n-переходу за умов рівноваги визначають за виразом

(7.36)

де l₀ - товщина області просторового заряду p-n-переходу за умов рівноваги.

Товщина ОПЗ l₀ залежить від типу p-n-переходу. Якщо конденсатор створено на n⁺-p-переході база-емітер, який можемо розглядати як ступінчатий односторонній, товщину ОПЗ визначають за рівнянням:

,

(7.37)

де х_p - товщина ОПЗ p-n-переходу в області p-типу (у базі); N_A- концентрація акцепторної домішки в області бази; U₀ - висота потенціального бар’єра переходу база-емітер.

P-n-перехід база-колектор розглядають як плавний. Питому ємність цього переходу розраховують за рівнянням:

(7.38)

де k_г - градієнт різниці концентрацій домішок.

Питому ємність p-n-переходу за умов зовнішнього зміщення визначають за формулою

(7.39)

де U - напруга зовнішнього зміщення на p-n-переході; U₀ - висота потенціального бар’єра; n- стала величина. Значення n = 2 відповідає ступінчатому p-n-переходу, а n = 3 - плавному p-n-переходу.

Таблиця 7.1. Питомі ємності і напруга пробою p-n-переходів

транзисторної структури напівпровідникових біполярних ІМС за умов рівноваги

NN п/п	Площина p-n-переходу	Питомий опір колектора  = 0,1 Ом.см		Питомий опір колектора  = 1,2 Ом.см
		C0, пФ/мм2	UBR, B	C0, пФ/мм2	UBR, B
	Перехід база-емітер
1.	Горизонтальна	600	7	350	7
2.	Вертикальна (бокова)	1000	7	1000	7
	Перехід база-колектор
3.	Горизонтальна	350	25	150	70
4.	Вертикальна (бокова)	350	25	150	70
	Перехід колектор-основа
5.	Горизонтальна	100	35	100	100
6.	Вертикальна (бокова)	250	35	100	100

Питомі ємності переходів транзисторної структури, виконаної за планарно-епітаксійною технологією з заглибленим n+-шаром і ізоляцією обернено зміщеним p-n-переходом за умов рівноваги наведені в табл.7.1. Відносна похибка ємності складає біля  0,2.

Для збільшення ємності конденсатора виводи емітера і колектора з’єднують між собою в транзисторній структурі БТ. Загальна ємність конденсатора дорівнює сумі ємностей переходів база-емітер і база-колектор, але пробивна напруга буде обмеженою величиною 7 В.