7

Лабораторная работа № 3 пленочные конденсаторы

Цель работы: исследование влияния частоты, материала и конструкции на емкость пленочного конденсатора.

1. Теоретическая часть

Пленочный конденсатор является широко распространенным элементом интегральных микросхем и представляет собой последовательно нанесенные на подложку и друг на друга пленки проводника (обкладки) и диэлектрика (см.рис.1.1). Емкость плоского конденсатора определяется по формуле:

С= (пф); (1.1)

где  - диэлектрическая проницаемость;

N - число обкладок;

S - площадь перекрытия обкладок, см²;

d - расстояние м99ежду обкладками (толщина диэлектрика), см.

Диэлектрики с большой величиной  обладают большой нестабильностью и ярко выраженной зависимостью от температуры. Известны материалы со значениями  до 300 и выше. Чаще используются диэлектрики с  = 4. . . 23.

Минимальное значение толщины диэлектрической пленки ограничивается требованиями однородности труктуры диэлектрической пленки и концентрацией дефектов на единицу площади, рабочим напряжением, требуемой точностью емкости, качеством пленки и связанным с ней выходом годных, эксплуатационной надежностью конденсатора. Максимальное значение толщины ограничено механической прочностью сцепления пленки с подложкой. С ростом толщины уровень механических напряжений, обусловленных разностью ТКЛР пленки и подложки увеличивается. Толщина диэлектрической прослойки должна находиться в пределах от 0,1 до 1 мкм; наиболее рационально выбирать ее от 0,2 до 0,8 мкм.

Пленочные конденсаторы характеризуются совокупностью следующих параметров: номинальным значением емкости C, удельной емкостью С₀, тангенсом диэлектрических потерь tg , сопротивлением изоляции R_ИЗ, рабочим напряжением U_p, температурным коэффициентом емкости TKЕ, коэффициентом остаточной поляризации K и др.

Пленочные конденсаторы изготовляются методами вакуумного напыления, катодного и ионно-плазменного распыления, электролитического осаждения из газовой среды.

В качестве обкладок применяют металлические пленки меди, алюминия, тантала, титана и др. Применение алюминия в качестве обкладок пленочного конденсатора обеспечивает более высокий процент выхода годных конденсаторов. Это объясняется сравнительно низкой температурой испарения алюминия и невысокой подвижностью его атомов по поверхности подложки.

При создании пленочных конденсаторов основная задача сводится к увеличению удельной емкости при одновременном увличении рабочего напряжения и других эксплуатационных параметров. Это достигается за счет выбора используемых материалов, технологического способа формирования конденсатора и самой струтуры и геометрии пленочного конденсатора.

Основным элементом пленочного конденсатора, определяющим его параметры и свойства, является диэлектрик. В качестве изоляционного слоя используют диэлектрические пленки: моноокись кремния SiO, моноокись германия GeO, двуокись титана TiO₂, окись тантала Ta₂O₅, окись алюминия Al₂O₃. Наиболее часто в качестве диэлектрика применяют моноокись кремния. Пленки моноокиси кремния имеют высокое пробивное напряжение (до 150 В/мкм) и диэлектрическую проницаемость, равную 5-6.

Для получения тонкопленочных конденсаторов с высокими удельными емкостями в качестве диэлектриков используют окиси некоторых металлов, таких как титан, тантал, алюминий. Из них наиболее широко применяются окиси алюминия и тантала.

Если требуется получить малые емкости, то желательно применять гребенчатые конденсаторы, так как размеры слоистого конденсатора при малых емкостях очень малы (см.рис.1.2). Емкость гребенчатого конденсатора расчитывается по формуле:

C=*_p*l_СР; (1.2)

где  - коэффициент, зависящий от ширины пленочных проводников и расстояния между ними;

l_СР - длина совместной границы;

_p - расчетное значение диэлектрической проницаемости.

_p=(1+_п)/2 - без покрытия; (1.3)

_p=(_д+ _п)/2 - с покрытием.

Рис. 1.1 Рис. 1.2

Электрический конденсатор, как и любой другой элемент радиоаппаратуры, должен сохранять свои заданные свойства во всем диапазоне температур. Важно знать, как изменяется емкость пленочного конденсатора при различных температурах окружающей среды. Для количественной оценки зависимости емкости от температуры используют температурный коэффициент емкости:

ТКЕ =(_C)= ; (1.4)

где t₁ - исходная температура;

t₂- температура после нагрева.

Влияние основных факторов на значение ТКЕ можно определить аналитически, если воспользоваться выражением:

_C=_+_S+_d; (1.5)

где _ - температурный коэффициент диэлектрической проницаемости;

_S- температурный коэффициент площади верхней обкладки (верхней и нижней обкладки);

_d- температурный коэффициент пленки.

В процессе изготовления пленочные конденсаторы с целью стабилизации их параметров подвергают термообработке, в результате которой происходит упорядочение структуры диэлектричской пленки.

Емкость пленочного конденсатора зависит от частоты и имеет сложный вид. С ростом частоты уменьшается емкость конденстора за счет снижения диэлектрической проницаемости диэлектрика. Увеличение емкости обусловлено наличием индуктивности конденсатора, так как ток в цепи конденсатора возрастает за счет компенсации емкостного сопротивления индуктивным сопротивлением. На индуктивность конденсатора большое влияние оказывает индуктивность выводов.

Добротность пленочного конденсатора Q существенно зависит от конструкции и используемых материалов:

Q=(tg _Д+tg _О.В)^-1; (1.6)

где tg _Д=Cr_Д - тангенс угла диэлектричских потерь в диэлектрике;

tg _О.В=C(r_О+r_В)- тангенс угла потерь в обкладках и выводах.

Сопротивление обкладок r_О зависит от конструкции конденсатора, проводимости материалов обкладок и их геометрических размеров, картины распределения линий тока в обкладках. Для конденсатора с двусторонним расположением выводов r_О (r_ОН+r_ОВ)/3, где r_ОН и r_ОВ - сопротивления нижней и верхней обкладок.