§3.6 Шалаөткізгіш конденсаторлар

Шалаөткізгіш ИМС-терде негізінен конденсаторлардың екі типі қолданылады:p-n өткел негізіндегі конденсаторлар және метал-кремний қышқылы(диэлектрик)-шалаөткізгіш(МДП-конденсаторлар) құрылымды окисті конденсаторлар.Кез-келген типті конденсаторлар келесідей негізгі параметрлердің жиынтығымен сипатталады:С номиналды сыйымдылықпен,бірлік аудандағы C₀ меншікті сыйымдылықпен,±δС сыйымдылықтың технологиялық шашуымен ,U_p жұмыс кернеуімен,Q қайырымдылықпен және сыйымдылықтың температуралық коэффициентімен ТКС.Жалпы жағдайда конденсатор сыйымдылығы жазық конденсатордың сыйымдылығымен былай анықталады:

ε,d –диэлектриктің диэлектрлі өткізгіштігі және қалыңдығы; S- конденсатор орналасқан аудан.

Конденсатордың структуралары C₀дің максимал мәнін қамтамасыз етуі керек,сонда аз ғана ауданда үлкен номиналды сыйымдылықтарды құруға мүмкіндік береді.Цифрлымен қатар ИМС қатары конденсатордың минималды санымен шығарылады.Көбінесе конденсаторлар аналогты ИМС терде қолданылады.

Диффузионды конденсаторлар кері жылжымалы p-n өткелінің барьерлі сыйымдылықтың қолданылуына негізделген.Осыдан d қалыңдықтағы диэлектрик ретінде ω_об енімен сипатталатын p-n өткелдің көлемдік заряд облысы қатысады.Диффузионды конденсатордың меншікті сыйымдылығы көлемдік заряд облысының енімен анықталады.

ε =кремнийдің диэлектрлә өткізгіштігі.

p-n өткелдің көлемдік зарядтың облысының ені p-n өткел облысына тиетін облыстағы заряд тасушылар таралуына тәуелді,кері жылжитын p-n өткелдегі C₀ сыйымдылық- p-n –өткелді қалыптастыру әдісімен,кері бағыттағы зөт өткелде жылжитын кернеу мәнімен,p-n өткелді қалыптастыру әдісіне сәйкес келетін қоспаның таралу сипаттамасымен анықталады. Шалаөткізгіш ИМС-терде биполяр транзисторлардағы диффузионды конденсаторлар транзистордың өтуі негізінде реализацияланады.Олардың құрылуы қосымша технологиялық операцияларды талап етпейді,себебі транзисторлы структурадағы сиақты өткелдер қолданылады.

3.19 а-в сурет. Планарлы-эпитаксиальды p-n өткел негізіндегі диффузионды конденсаторлардың типтік структурасы көрсетілген.

Мұндай конденсаторларды практикалық қолданудың керекті шарты аралас кернеудің қосылу полярлығын бақылау болып табылады.(§3.2-ні көр), p-n өткелдің сыйымдылығы қоспа концентрациясы градиентіне пропорционалды тәуелді:dN_рез(x)/dx жоғары болған сайын өзгермейтін облыстағы С-ның мәні көп болады.Шалаөткізгіш ИМС-терде структуралық параметрлер ,сонымен бірге N_рез(x) таралу сипаттамасы және p-n өткелдің жатыс тереңдігі ,талап етілгеннен бөлек,транзистордың ұсынатын электрлі параметрлеріне оптимизацияланады.Сондықтан транзисторлы структураның p-n өткелі негізіндегі диффузионды конденсаторлардың меншікті сыйымдылығы берілген кернеуді өзгертсе ғана өзгереді.Эмиттерлі өткелді қолданғанда (3.19,в-сурет) меншікті сыйымдылық

Nрез(х)- эмиттерлі өткелдегі көлемдік зарядтың шекара облысындағы базадағы акцепторлы қоспа концентрациясы,яғни болғанда p-n өткелге берілген кернеу-U, U_дэ=0,85В-эмиттерлі өткелдің диффузионды потенциалы.

(3.29) формуланы үлкен теріс кернеу кезіндегі коллекторлы және изоляцияланған өткелдің сыйымдылығын бағалау үшін қолдануы мүмкін.Аз кері кернеу кезінде коллекторлы өткел үшін

- p-n өткелдегі қоспа концентрациясының градиенті; U_дк=0,6В-коллекторлы өткелдің диффузионды потенциалы.

Берілген структурада номиналды сыйымдылық p-n өткелдің ауданының керекті мәнімен жетеді:

Практикалық есептеулерде p-n өткелдің жазық бөлігінің ауданын ғана емес, сонымен бірге бүйір стенасының ауданын да ескеруді талап етеді.

(3.29) және (3.30) формулаларда көрсетілгендей диффузионды конденсатордың сыйымдылығы берілген кернеуге байланысты болады.Диффузионды конденсаторлар тұрақты ретінде және айнымалы сыйымдылық рөлін орындай алады.Бірінші жағдайда U=const,ал екіншісінде мына шартты орындау керек U_m-жұмыс сигналының амплитудасы.Сонымен бірге U_p жұмыс кернеуі конденсаторды алу үшін қандай өткелді(коллекторлы,эмиттерлі немесе изоляцияланған) қолдану керектігін анықтайды,ал өткелдің түрі берілген сыйымдылықты алу үшін қажет ауданды анықтайды.Мысалы эмиттерлі өткелді қолданған кезде С₀ үлкен мәнге жетеді,бірақ бұл өткелдің пробивной кернеуітөмен болғандықтан,жұмыс кернеуі шектелген.

Конденсатор қайырымдылығы белгілі қатынаспен анықталады:

f- жұмыс жиілігі;С-сыйымдылық; R-кедергі.

Диффузионды конденсаторлар үшін R мәні кедергісі үлкен болатын транзистордың структуралық облысының кедергісімен анықталады.Сондықтан жоғары жұмыс кернеуіне негізделген конденсаторлар аз жұмыс кернеуіне негізделген конденсаторларға қарағанда қайырымдылығы аз болады.

Диффузионды конденсаторлардың температуралық тұрақсыздығы шалаөткізгіштің диэлектрлі өткізгіштігінің және диффузионды потенциалдың- U_д температуралық тәуелділігімен анықталады.

Эмиттерлі өткел негізіндегі конденсаторлар үшін

Ал коллекторлы өткел негізіндегі конденсаторлар үшін

ε және Uд-ның температуралық коэффициенті.

болғандықтан,онда ТКС p-n өткелдегі диффузионды потенциалдың температуралық тұрақсыздығымен анықталады( температура жоғарыласа U_д төмендейді)

Коллекторлы өткел негізіндегі конденсатордың сыйымдылығы эмиттерлі өткел негізіндегі конденсатордың сыйымдылығына қарағанда температураға әлсіз тәуелді болады.

Планарлы-эпитаксиальды типтік p-n өткел негізіндегі диффузионды конденсаторлардың негізгі параметрлері 3.4-талицада келтірілген.

p-n өткел негізіндегі диффузионды конденсаторлар келесі артықшылықтарға ие болады:

транзисторлардың параметрлеріне талаптармен анықталатын болғандықтан олардың параметрлері шектелген;

паразитті диодтың болуы подложкадағы теріс жылжудың болуын әрқашан талап етеді;

сыйымдылық ішкі жылжумен модуляцияланады;

конденсаторлар биполярлы;

тізбектей қосылған резистор әсерінен олардың қайырымдылығы төмен.

Шалаөткізгіш ИМС-терде p-n өткел негізіндегі С=300пФ номиналдағы конденсаторлар қолданылады,пробой кернеуі қайырымдылығы

Кіру рұқсаты және Конденсаторды құру транзисторлы структураның эмиттерлі және коллекторлы өткелдің байланысуы параллельді байланысу есебінен мүмкін болады.

МДП конденсаторларда төменгі қоршау ретінде n – қабаты, диэлектрик ретінде - қалыңдығы 0,08-0,1мкм SiO қабаты, жоғарғы қабат ретінде – аллюминий қабаты қолданылады.

Бұл конденсаторлар келесі параметрлер бойынша сипатталады: C=650 пФ/мм, U=50В, Q=10-100 және C=10%. Олар униполярлы, олардың номиналы берілген кернеуге тәуелсіз.