17)Пинч-резисторы

18) Полупроводниковые конденсаторы

В интегральных полупроводниковых конденсаторах роль диэлек­трика могут выполнять обедненные слои обратносмещенных р-п пе­реходов или пленка окисла кремния, роль обкладок — легированные полупроводниковые области или напыленные металлические пленки. Характеристики конденсаторов полупроводниковых микросхем невы­соки, а для получения больших емкостей необходимо использовать значительную площадь схемы. Поэтому при проектировании электри ческой схемы полупроводниковой микросхемы стремятся конденсаторы исключить.

Диффузионные конденсаторы (ДК). Для их формирования может быть использован любой .из р-п переходов (рис. 2.27): коллек­тор-подложка (C₁), база — коллектор (С₂), эмиттер — база (С₃), переход p-области изолирующей диффузии и п ⁺ -область скры­того слоя (С₄). Варианты С₁ и С₄ не могут быть реализованы в микросхемах с диэлектрической изоляцией.

Поскольку ширина обедненного слоя обратносмешенного пере­хода зависит от напряжения, емкость ДК тоже меняется с измене­нием напряжения. Удельную емкость любого полупроводникового перехода можно аппроксимировать формулой где К — коэффициент пропорциональности, зависящий от уровня легиро­вания диффузионных областей, показатель , причем m=1/2 соответствует ступенчатому, а m=1/3— линейному перехо­дам. Остальные значения т, входящие в указанное множество, соответствуют реальным профилям распределения.

Эмиттерный переход обладает наибольшей удельной емкостью, но малыми пробивным напряжением и добротностью. Коллекторный переход используется наиболее часто для формирования ДК (рис. 2.28).

К недостаткам ДК можно отнести необходимость обеспечения их строго определенной полярности (рис. 2.27), так как условием нормальной работы ДК является обратное смещение р-п перехода.

МДП -конденсаторы. Их конструкция представлена на рис. 2.29. Нижней обкладкой служит эмиттерный n -слой, верхней — пленка А1. Диэлектриком служат тонкие слои SiO₂ или Si₃N₄, последний предпочтителен в связи с большей с₀ (е нитрида выше, чем окисла кремния), но SiO₂ более доступен. Толщина диэлектрика составляет 0,05...0,12 мкм. Недостатком МДП-конденсаторов в составе биполяр­ных микросхем является необходимость введения дополнительной операции создания тонкого диэлектрика (и, естественно, дополни­тельной операции фотолитографии).

Тонкопленочные МДМ-конденсаторы в совмещенных микросхе­мах состоят из двух металлических слоев, разделенных слоем диэлек­трика. В качестве обкладок обычно используется А1, или Та, тогда в первом случае диэлектриком служит AI₂O₃, во втором — Та₂O₅. Диэлектрическая постоянная Та₂O₅. на порядок выше, чем у большин­ства других диэлектриков, но он не используется в микросхемах, работающих на высоких частотах. МДМ-конденсаторы, как и МДП- конденсаторы, работают при любой полярности. Их недостатком является удлиненный технологический маршрут изготовления и не­обратимый отказ в случае пробоя диэлектрика.

19)Особенности расчета полупроводниковых конденсаторов

В полупроводниковых микросхемах возможно применение двух типов конденсаторов. Реализация первого типа основана на свойствах обратносмещенного p-n-перехода, а второго – на обычном использовании свойств какого-либо диэлектрического материала (рис. 5.15).

Основная трудность при получении конденсаторов заключается в обеспечении достаточно высоких значений удельной емкости. С этим связано существенное ограничение, затрудняющее применение обоих типов конденсаторов в полупроводниковых микросхемах. Максимальное практически достижимое значение емкости лежит в пределах 100…200 пФ с допуском ± 20%.

Рис. 5.15 - Структуры конденсаторов полупроводниковых ИМС на основе переходов: эмиттер-база (а), коллектор-база (б), коллектор-подложка (в), параллельно включенных переходов эмиттер-база и коллектор-база (г), МДП-кондесатора (д)

Исходными данными для расчета конденсаторов являются: необходимое значение емкости С и допуск на него DС; рабочее напряжение U,В; интервал рабочих температур DT, °C; рабочая частота f, Гц; основные технологические и конструктивные ограничения. При расчете необходимо выбрать тип и конструкцию конденсатора, определить его геометрические размеры, занимаемую площадь. Емкость диффузионного конденсатора прямоугольной формы на основе обратно смещенного p-n-перехода,

(5.25)

где С₀ и С_0б – удельные емкости донной и боковых частей p-n-перехода; a, b и X_j – геометрические размеры p-n-перехода.

Соотношение слагаемых зависит от отношения а/b. Оптимальным является отношение a/b =l, при этом доля «боковой» емкости оказывается минимальной. Параметры интегральных конденсаторов, необходимые для расчета приведены в табл. 5.4.

По заданным значениям С, С₀, С_0б, X_j находят геометрические размеры конденсатора квадратной формы; если для топологии ИМС требуется конденсатор прямоугольной формы, то один из размеров прямоугольника выбирают исходя из конструктивных соображений. Для расчета DС необходимо учесть погрешности технологии при выполнении геометрических размеров диффузионных слоев и отклонения емкости от номинального значения за счет изменения температуры.

Емкость МДП-конденсатора определяется выражением

где e и d – относительная диэлектрическая проницаемость (для SiO₂ e = 4) и толщина диэлектрика; С₀ – удельная емкость (см.табл. 5.4); S – площадь верхней обкладки конденсатора.

МДМ-конденсаторы совмещенных ИМС рассчитывают аналогично пленочным конденсаторам ГИМС (см. гл. 2). При вычерчивании чертежа топологии конденсаторов их размеры корректируют с учетом шага координатной сетки.