Практическое занятие №3. Проектирование и расчет пассивных элементов биполярных имс (резисторы, конденсаторы)

План занятия

1. Классификация резисторов.

2. Конструирование и расчет резисторов

3. Классификация конденсаторов

4. Конструирование и расчет конденсаторов

5. Пример расчета резистора

6. Контрольные вопросы

Резисторы. Классификация

В полупроводниковых микросхемах функцию резистора выполняет объем полупроводника, имеющий определенные размеры и конфигурацию, или транзисторная схема (аналог резистора). Интегральные резисторы могут быть разделены на следующие типы в зависимости от их структуры: диффузионные (на основе эмиттерной или базовой области);эпитаксиальные (на основе коллекторной области); пинч-резисторы, а также резисторы, изготовляемые методом ионного легирования. Все интегральные резисторы, кроме последнего из перечисленных типов, изготовляются одновременно с активными элементами микросхем без введения дополнительных этапов обработки. Они создаются на основе коллекторной, базовой или эмиттерной областей транзистора.

Основными параметрами, характеризующими резистор, являются:

• номинальное сопротивление R;

• допуск на номинальное сопротивление ;

• поверхностное сопротивление легированного слоя ;

• температурный коэффициент сопротивления ТКС;

• мощность рассеяния Р;

• максимально допустимая удельная мощность рассеяния ;

В планарно-эпитаксиальном транзисторе эпитаксиальный слой является коллекторной областью и имеет наименьшую концентрацию примеси и, соответственно, высокое удельное сопротивление (порядка 500…5000 Ом/квадрат). Учитывая, что распределение концентрации примеси по толщине эпитаксиального слоя однородное, проводимость резистора на основе эпитаксиального слоя постоянна по всему сечению. Эпитаксиальный резистор формируется на стадии разделительной диффузии и имеет сечение, образованное двумя глубокими p+ -областями разделительной (изолирующей) диффузии (рис. 3.1, а ). Так как глубокая разделительная диффузия проводится длительное время (около 2 часов), точное выполнение размеров диффузионных областей затруднено (в частности, за счет боковой диффузии).

Рис. 3.1 - Конструкции интегральных резисторов:

а – в эпитаксиальном слое; б – в базовом слое;

в – в эмиттерном слое; г – пинч-резистор

Это дает значительный разброс номиналов эпитаксиальных резисторов. Кроме того, вследствие малости концентрации примеси эпитаксиальные резисторы имеют большой ТКС. К особенностям эпитаксиальных резисторов можно отнести высокое значение напряжения пробоя (более 100 B).

Диффузионный резистор получается путем локальной диффузии примеси через маску, ограничивающую область, которая будет использована в качестве резистора, причем эта диффузия проводится одновременно с диффузией, формирующей базовый или эмиттерный слои биполярного транзистора. Таким образом, в качестве резистивного слоя используется диффузный слой, ограниченный поверхностью кристалла и p-n-переходом в объеме кристалла (рис.3.1).

В отличие от эпитаксиального резистора, концентрация примеси в диффузном слое выше, следовательно, удельное сопротивление ниже. Кроме того, распределение примеси на глубине неоднородное и зависит от режима диффузии.

Эмиттерный и базовый диффузионные слои отличаются концентрацией и распределением примеси, а также толщиной.Однако в расчетах используется величина удельного поверхностного сопротивления слоя, определяемая как

(3.1)

где – среднее удельное сопротивление диффузного слоя, Ом см;

– глубина залегания p-n-перехода, см.

Пинч-резистор представляет из себя диффузный слой, ограниченный с двух сторон p-n-переходами (рис. 6.1, г). Так как в качестве резистивного слоя используется донная, слаболегированная часть базового слоя, можно получить сопротивление пинч-резистора порядка 200…300 кОм. Однако пинч-резисторы характеризуются большим разбросом сопротивлений (до 50%) из-за трудностей получения точных значений глубин залегания p-n-переходов. Они имеют большой ТКС, так как концентрация в донной части базового слоя мала. Кроме того, вольт-амперная характеристика пинч-резистора при напряжении выше 1 В становится нелинейной, мало пробивное напряжение. Можно повысить пробивное напряжение пинч-резисторов путем использования в качестве резистивного эпитаксиального слоя, ограниченного сверху базовым слоем.

Замена диффузии на ионное легирование позволяет в ряде случаев получить выигрыш как в качестве резисторов, так и в площади, занимаемой ими. Конструкции ионно-легированных резисторов мало чем отличаются от диффузионных. Ионная имплантация позволяет получать легированные слои малой толщины с большим , малыми ТКС и R.

Сравнительные характеристики резисторов даны в табл. 3.1.

Таблица 3.1.