книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

Возможно также изменение номинала сопротивления вслед­ ствие изменении обратных токов изолирующих переходов, осо­ бенно при колебаниях температуры.

Для диффузионных резисторов характерна некоторая нели­ нейность, обусловленная расширением р—«-перехода с увеличе­ нием напряжения и, следовательно, уменьшением сечения слоя и увеличением номинала.

Максимальное напряжение резистора ограничено обратным' напряжением пробоя р—«-перехода. Величина этого напряже­ ния зависит только от концентрации примесей в материале.

Мощность рассеяния резистора ограничена главным образом нагревом. Чрезмерный нагрев приводит к нелинейным вольтамперным характеристикам. Рассчитывать максимально допу­ стимую мощность рассеяния можно по известной формуле

Переход, смещенный в прямом направлении, используют на ма­ лых токах, т. е. используют линейный участок вольт-амперной характеристики.

Дифференциальное сопротивление такого перехода можно

где 5 — площадь перехода.

Сопротивление р—«-перехода, включенного в обратном на­ правлении, может достигать значения ІО7 Ом-см. Недостаток та­ кого резистора — сильная температурная зависимость.

Для создания сопротивления, зависящего от напряжения,, можно использовать структуру полевого транзистора (рис. 17.43). При увеличении запирающего смещения площадь сечения рези­ сторов (канал) уменьшается, а следовательно, увеличивается сопротивление резистора.

Таким способом можно пользоваться при необходимости по­ лучения высокого сопротивления на низкоомном материале. Ре­ зистором служит канал полевого транзистора, причем транзи­ стор выводят в режим насыщения.

292

Резистор, показанный на рис. 17.43, может быть использован и без управляющего электрода. Поле образуется у верхнего р—ft-перехода вследствие падения напряжения вдоль резистора

Рис. 17.43. Полевой ре­ зистор

от протекающего по нему тока. Поэтому вдоль р—«-перехода будет обратное смещение. В левой части перехода область объем­ ного заряда будет наибольшей, а канал для протекающего тока сузится. В результате сопротивление резистора будет велико.

Конденсаторы

В качестве конденсатора в интегральной схеме могут быть использованы барьерная емкость р—«-перехода, диффузионная емкость и емкость, полученная созданием на поверхности полу­ проводника изоляционного слоя и нанесение на него слоя ме­ талла (МОП — структура).

Основными параметрами интегрального конденсатора любого типа являются:

— удельная емкость Суд— емкость, приходящаяся на еди­ ницу площади;

—минимально допустимое напряжение £/макс;

—температурный коэффициент емкости ТКЕ;

—величина паразитных элементов (емкостей, сопротивления, включенного последовательно с полезной емкостью).

Рис. 17.44. Структура твердотельного конден­ сатора

На рис. 17.44 показана простейшая структура интегрального конденсатора на основе р—«-перехода, включенного в обратном направлении.

В этом случае подложка ft-типа используется как электри­ ческий контакт и как механическая опора.

Функции диэлектрика выполняет запирающий слой перехода, от характера и размеров которого зависит величина емкости. Области р- и /г-типа, разделенные обедненным слоем, выполняют роль обкладок конденсатора.

Емкость конденсатора, образованного р—ft-переходом, зави­ сит от площади перехода и ширины запорного слоя, а следова­ тельно, от степени легирования и градиента концентрации при­

293

месей. Кроме того, как нам уже известно, величина барьерной емкости р—«-перехода зависит от величины приложенного на­ пряжения.

При высоких уровнях легирования могут быть получены емкости порядка 0,1 пФ/см2, но при этом пробой будет происхо­

На рис. 17.45 показана эквивалентная схема конденсатора. Ширина обедненного слоя р—«-перехода dp- n при условии, что практически все расширение обедненного слоя происходит

в области «,

ства (8,85 -10-14 Ф/см);

U — напряжение обратного смещения на переходе;

Фк — контактная разность потенциала; Ыл — концентрация донорной примеси в «-области.

Зная ширину обедненного слоя, можно вычислить емкость

Величина емкости конденсаторов может достигать примерно 0,02 нФ при рабочем напряжении до 300 В.

В большинстве случаев для создания диффузионных конден­ саторов не требуется дополнительных технологических операций, поскольку используются те же переходы, что и в транзисторной структуре. Поэтому диапазон величины емкости ограничен, так как концентрация примесей материала и градиент диффузии

294

определяются требованиями коллекторной, базовой и эмиттерной областей транзисторов, расположенных с конденсатором на общей подложке. В распоряжении разработчика имеются три удельные емкости (для трех областей: эмиттерная, базовая и кол­ лекторная). Поскольку эти три емкости для транзисторных про­ филей низки, то увеличение емкости добиваются за счет увели­ чения площади переходов.

Конденсаторы на основе перехода эмиттер — база обладают наибольшей удельной емкостью (порядка 0,15 мФ/см2), но и наименьшим пробивным напряжением (не более 5 В). Недостат­ ком такого конденсатора является также высокое последователь­ ное сопротивление (тонкий слой базы).

Рис. 17.46. Структура конденсатора, созданного на коллекторном пере­ ходе

Переход коллектор — база напротив имеет низкую удельную емкость (порядка 0,03 МФ/см2), но высокое пробивное напряже­ ние (несколько десятков вольт).

На рис. 17.46 показано поперечное сечение конденсатора, образованного одновременно с переходом коллектор — база транзистора. Для этой структуры проблемой являются конденса­ торы от других элементов, расположенных на той же подложке и имеющих р—/і-переходы, которые сами по себе являются емкостью.

Структура должна быть такой, чтобы элементы схемы были изолированы друг от друга р—я-переходами, которые образуют диоды, включенные база к базе.

Таким образом, конденсатор будет иметь паразитную емкость между схемой и подложкой. Паразитные емкости между одной из обкладок и землей обусловлены межэлементной изо­ ляцией. Наименьшей паразитной емкостью обладают конденса­ торы на основе перехода коллектор — подложка, но они обладают наименьшей удельной емкостью.

Эмиттерный переход интегрального транзистора можно счи­ тать резким. Выражение для расчета удельной емкости имеет вид

(17.13)

где q — заряд электрона; ео — диэлектрическая постоянная ва­ куума; е — диэлектрическая постоянная кремния; Na — концен­ трация акцепторных примесей в базе у эмиттерного перехода,

295

где а — градиент концентрации примесей в переходе.

При проектировании конденсаторов необходимо обеспечивать возможно большую удельную емкость. Это позволит создавать конденсаторы с большими номинальными значениями или при низких номиналах экономить площадь, занимаемую конденса­ тором.

На рис. 17.47 показаны возможные способы соединения эмиттерного и коллекторного переходов в транзисторной структуре для увеличения емкости, получаемой на данной площади. На рис. 17. 47, а показан случай, когда коллекторный и эмиттерный переходы включаются параллельно. В результате область р-типа (база) представляют один электрод, а область эмиттера и кол­ лектора — второй электрод. В такой конфигурации эффективная площадь диэлектрика увеличивается, а следовательно, увеличи­ вается и полная емкость.

Емкость р—п-перехода имеет нелинейную зависимость от при­ ложенного напряжения.

Уменьшить зависимость емкости от напряжения, а также исключить влияние полярности можно за счет встречного вклю­ чения двух переходов (рис. 17.48). Однако при этом величина

296

емкости, получаемой на данной площади, уменьшается в два раза.

Максимально допустимое напряжение конденсатора ограни­ чивается напряжением пробоя р—я-перехода. В свою очередь, пробивное напряжение определяется концентрацией примесей на более слабо легированной стороне перехода. Величина напря­ жения лавинного пробоя ступенчатого перехода определяется из выражения

(17.15)

где Ек — критическое поле при пробое; N — концентрация при­ меси более слабо легированной области; б — диэлектрическая

С увеличением обратного напряжения емкость уменьшается. Та­ кие конденсаторы могут работать лишь при одном знаке прило­ женного к ним напряжения. Подача на него положительного сме­ щения приводит к короткому замыканию двух электродов. Кроме того, через конденсатор такого типа всегда протекает обратный ток р—я-перехода.

Конденсатор типа МОП, показанный на рис. 17.49, лишен этих недостатков. Диэлектриком в таком конденсаторе является термически выращенная пленка двуокиси кремния. Одним из электродов является сильно легированная область пластины, ле­ жащая под окислом. Другим электродом — пленка напыленного металла (обычно алюминия). Высокоомный я-слой используют в основном для изоляции я-слоя от подложки p-типа. Емкость МОП конденсатора зависит в основном от площади и толщины окисной пленки. Так, например, при толщине окисного слоя 0,1 мкм удельная емкость будет составлять примерно 0,4 мФ/см2 и пробивное напряжение свыше 50 В. МОП конденсаторы обла­ дают хорошей линейностью, малой величиной последовательного сопротивления (5—10 Ом) и хорошей температурной стабиль­ ностью (менее 6 -ІО-5 на ГС).

Известные типы конденсаторов интегральных схем имеют сравнительно небольшую удельную емкость и занимают площадь значительно большую, чем транзисторы.

297

Конденсаторы сравнительно редко используются в дискрет­ ных интегральных схемах, такие схемы могут работать при не­ посредственной связи активных элементов по постоянному току.

Индуктивности

Интегральные схемы обычно проектируются таким образом, чтобы исключить индуктивные элементы. Однако в ряде случаев это не удается.

Одним из основных способов создания индуктивности яв­ ляется нанесение на поверхность окисла кремния металлических

вании обратной связи в полупроводниковых приборах. Наиболее приемлемы для этой цели приборы с отрицательным сопротив­ лением, такие как динисторы, лавинный и однопереходный тран­ зисторы.

Индуктивность величиной вплоть до нескольких миллигенри может быть получена с помощью диодных структур на основе эффекта модуляции проводимости. Проводимость базовой обла­ сти в таких диодах близка к собственной. Область p-типа напро­ тив сильнолегированная (рис. 17.51). Поэтому поле распростра­ няется практически только в базовой области.

Таким образом, напряжение распространяется между р—п- переходом и областью базы. При инжекции в базу проводимость

298

ее увеличивается. Это, в свою очередь, вызывает увеличение тока, протекающего через диод в прямом направлении, в течение времени, необходимого для прохождения носителем базы до ре­ комбинации. Так как этот ток имеет тенденцию отставать от входного напряжения, то в результате создается индуктивный сдвиг фазы. Поэтому при определенной плотности тока сопротив­ ление такого диода будет носить индуктивный характер. Чем длиннее область базы с высоким сопротивлением, тем дольше протекает ток.

добротности, а также плохой температуры стабильности эти приборы имеют пока ограниченное применение. Добротность мо­ жет быть увеличена, если компенсировать потери в диоде путем комбинации индуктивного диода с различными приборами с отрицательным сопротивлением, например с туннельным дио­ дом, динистором или однопереходным транзистором.

В качестве индуктивного элемента в интегральной схеме мо­ жет быть использован также биполярный транзистор.

Транзистор, включенный по схеме с общей базой на частотах, превышающих , имеет индуктивное входное сопротивление. Индуктивность возрастает при включении в цепь базы внешнего сопротивления Re и увеличении напряжения (рис. 17.52).

Такая схема носит название — индуктивный транзистор. Ве­ личина индуктивности, достигаемая ею — миллигенри.

Входной импеданс индуктивного транзистора представляет собой последовательное сопротивление индуктивности и сопро­ тивления. Добротность индуктивного транзистора Q повышается с увеличением а. Особенно высокое Q достигается в режиме ла­ винного умножения, когда а>1.

Схема, состоящая из транзистора и фазосдвнгающей цепочки (рис. 17.53), называется реактивным транзистором. Эта схема также позволяет получить индуктивность, но только за счет фазо­ вого сдвига между током и напряжением коллектора. ^С-цепочка обеспечивает нужный фазовый сдвиг. Величина индуктивности

299

пропорциональна постоянной времени RC и сопротивлению эмиттерного перехода. Эквивалентная индуктивность L может быть

представлена в виде

к снижению добротности.

Индуктивность реактивного транзистора на частотах от 1 до 50 МГц составляет от десятых долей до сотен микрогенри.

Методы изоляции

При создании твердых схем необходима изоляция радиоком^- понентов друг от друга для исключения нежелательных связен между ними. Обычно для каждого компонента пли группы ком­ понентов изготавливают отдельный островок, электрически изо­ лированный от других участков и от подложки.

Коллект ор Зпиттер база

Рис. 17.54. Интегральная схема с изоляцией р+ - областямп

Разработано несколько способов изоляции. Наиболее часто для этой цели применяют специальные разделительные р—/2-пе­ реходы, включенные в обратном направлении (рис. 17.54). Эти переходы обеспечивают хорошую изоляцию между компонен­ тами. Ток утечки такой изоляции обычно не превышает 10~8 А. С учетом этого перехода транзисторы становятся четырехслойной структурой и в некоторых случаях могут быть использованы как р—/г—р, так и п—р—/г-типа. Диоды представляют собой трехслойиые структуры. Резисторы могут иметь как один, так и два изолирующих перехода в зависимости от номинала.

Другой метод изоляции с помощью пленки Si02 позволяет повысить пробивное напряжение, существенно снизить токи

300

Глубина травления должна несколько превышать необходи­ мую толщину изолируемой области. Далее пластину покрывают слоем окисла толщиной 1—5 мкм (см. рис. 17.55, в). Затем изо­ лирующий окисел покрывают поликристаллическим кремнием. Последний этап процесса состоит в удалении лишнего слоя моиокристаллического кремния шлифовкой и травлением (рис. 17. 55, ö ).

Рис. 17.55. Метод изоляции элементов интегральной схемы с помощью

пленки S i0 2

Пластина в таком виде готова для дальнейшей обработки в обычном технологическом процессе изготовления интегральных схем.

Третий метод изоляции заключается в использовании высоко­ омной подложки, например, с g^lOO Ом-см. На рис. 17.56 пока­

выращенным окислом. На рис. 17.57 приведена структура схемы с окисной изоляцией. Электрический контакт в скрытой областиколлектора окружен окисной областью. Маскировка активной области транзистора (скрытый слой коллектора, база и эмиттер} во время окисления осуществляется применением пленок нитрида кремния SізГ^ч, которые являются хорошим маскирующим мате-

301