Классификация конденсаторов

В полупроводниковых микросхемах возможно применение двух типов конденсаторов. Реализация первого типа основана на свойствах обратно смещенного p-n-перехода, а второго – на обычном использовании свойств какого-либо диэлектрического материала (рис. 3.4).

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. 3.4. 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)

В настоящее время широкое применение находят конденсатора на основе p-n-перехода. Наибольшее распространение этого типа конденсаторов объясняется тем же, что и распространение диффузионных резисторов, т.е. возможностью их формирования одновременно с получением диффузионных областей транзисторных структур. Для получения таких конденсаторов может использоваться емкость следующих обратносмещенных переходов: коллектор- подложка, коллектор-база, эмиттер-база.

Конденсатор с диэлектриком представляет собой обычный плоский конденсатор. Структура такого конденсатора включает нижнюю обкладку, в качестве которой используется эмиттерная область, диэлектрик (обычно диоксид кремния) и верхнюю обкладку, представляющую собой металлизированный слой соответствующих формы и размеров. Этот тип конденсаторов имеет ряд преимуществ перед диффузионными, так как их удельная емкость не зависит от приложенного напряжения. Кроме того, они обладают большей добротностью и являются неполярными, т.е. для них не имеет значения знак потенциала на любой из обкладок.

Конструирование и расчет конденсаторов

Исходными данными для расчета конденсаторов являются: необходимое значение емкости С и допуск на него ∆С; рабочее напряжение U,В; интервал рабочих температур ∆T, °C; рабочая частота f, Гц; основные технологические и конструктивные ограничения. При расчете необходимо выбрать тип и конструкцию конденсатора, определить его геометрические размеры, занимаемую площадь. В большинстве случаев используется конденсатор на основе коллекторного перехода.

Емкость диффузионного конденсатора прямоугольной формы на основе обратно смещенного р-n-перехода

, (3.14)

где С₀ и С_0б – удельные емкости донной и боковых частей р-n-пе-рехода; а, b и x_j – геометрические размеры р-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. 3.2.

Таблица 3.2.

Параметры интегральных конденсаторов полупроводниковых ИМС

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 ∆С необходимо учесть погрешности технологии при выполнении геометрических размеров диффузионных слоев и отклонения емкости от номинального значения за счет изменения температуры.

Важным параметром конденсатора является его добротность. Упрощенно ее можно определить из выражения

, (3.15)

где f — рабочая частота; С – емкость конденсатора; R — сопро­тивление, включенное последовательно с обкладками конденсатора.

Для снижения последовательного сопротивления R и повыше­ния добротности в коллекторной области конденсатора формируют n⁺-слой (если конденсатор выполнен на коллекторном переходе).

Температурную стабильность диффузионных конденсаторов можно оценить по температурному коэффициенту емкости (ТКЕ)

, (3.16)

который определяется температурной зависимостью диэлектрической проницаемости полупроводника ε_r и контактной разностью потенциалов U_K:

, (3.17)

где , – температурные коэффициенты ε_r и U_K.

Недостатком конденсаторов на коллекторном переходе являются ограниченное значение максимальной емкости (порядка 300 пФ), малая добротность (5-10 на частоте 10 МГц) и зависимость емкости от напряжения.

Значительные преимущества по сравнению с диффузионными конденсаторами имеют МДП-конденсаторы на основе Si0₂. Структурно МДП-конденсатор состоит из изолированной области полупроводника n-типа, в которой формируется n⁺-слой для снижения сопротивления второй обкладки конденсатора и исключения зависимости его емкости от напряжения (рис. 3.4, г). Диэлектриком служит слой Si0₂ толщиной порядка 1000 А⁰, верхней обкладкой – алюминий толщиной от 5000 А⁰ до 1 мкм. Емкость такого конденсатора определяется выражением, полученным для плоского конденсатора:

, (3.18)

где ε_Д — диэлектрическая постоянная двуокиси кремния; d — толщина слоя Si0₂.

На основе МДП-структур можно получить конденсаторы с удельной емкостью около 640 пФ/мм², пробивным напряжением до 80 В и добротностью 10 – 100 на частоте 10 МГц. Дополнительные преимущества этих конденсаторов – линейность характеристик и униполярность.

На рис. 3.5 приведены наиболее применяемые структуры интегральных конденсаторов биполярных микросхем их топологии и эквивалентная схема диффузионного конденсатора на основе коллекторного перехода.

а)

б)

Рис. 3.5. Полупроводниковые конденсаторы: на основе коллекторного

перехода (а); на основе МДП структуры (б)