Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009

Рис. 7.13

Как показано в гл. 6, существенным фактором, влияющим

на быстродействие МДП-транзисторов, .являются транзистор­ ные емкости, емкости перекрытия. Для их уменьшения исполь­ зуются затворы 4 (рис. 7.13) из поликристаллического крем-

ни.я, которые формируются раньше n! и п~ истоков И1 и И2 и

стоков С1 и С2• Сформированные поликристаллические затворы

играют роль масок при последующем легировании донорами

указанных областей истоков и стоков. Использование поли­

кристаллического затвора в виде маски приводит к автоматиче­

скому совмещению ( «самосовмещение») краев затвора с краями

истоков и стоков, т. е. практически сводится к нулю перекры­

тие между ними, а паразитные емкости перекрытия станов.яте.я

минимальными. Над затворами 3 формируются слои Si02 (5), изолирующие затворы от соединительных проводников ИС. Вы­ вод затворов 4 осуществляете.я на периферии. Для устранения паразитных связей между соседними транзисторами создаются

сильнолегированные акцепторами слои 3 (р+-слои) под раздели­

тельными окисными участками 1, на границе с р-подложкой.

Соединительные проводники 2 имеют положительный потен­

циал относительно подложки, а сама подложка соединяется с

минусом источника питания ИС, чтобы р-п-переходы были

смещены в обратном направлении. В противном случае по.явля­

ются паразитные св.язи и помехи по подложке, что ухудшает

параметры ИС, и ее работа становите.я неустойчивой.

В комплементарных МОП-транзисторах на одном и том же крис­ талле необходимо изготовлять транзисторы с п- и р-каналами вместе (рис. 7.14). Один из транзисторов должен быть размещен в специальном кармане (на рис. 7.14 транзистор VTP в кармане 1).

Для транзистора VTP карман должен обладать электронной прово­

димостью. На вывод п+-области 2 подается плюс от источника пи­ тания, чтобы обеспечить нар-п-переходахр-канального транзис-

1 2

Рис. 7.14

тора обратное смещение. Подложкар-типа подключена к мину­

су источника электрического питания. КМОП-транзисторы на

одной подложке могут быть изготовлены также с помощью КНС

(кремний-на-сапфире) технологии. При использовании этой тех­ нологии на сапфировой подложке, которая имеет кристалличе­ скую структуру, близкую к кремнию, создаются островки крем­ ния с собственной проводимостью. Вследствие диффузии донор­

ной или акцепторной примеси в одних островках формируются

соответственно п-канальные, а в других - р-канальные тран­

зисторы.

Помимо рассмотренной структуры на кремниевой и сапфиро­ вой подложке, существуют комплементарные транзисторы, со­ здаваемые с помощью технологии «кремний на диэлектрике» (КНД), при которой в тонких кремниевых пленках, нанесенных на диэлектрик, формируются МОП-транзисторы. Сапфировые

подложки имеют высокую стоимость, поэтому используются

другие диэлектрические материалы, в частности двуокись крем­

ния Si02 (структуры типа «кремний-окисел-кремний»). В та-

ких структурах, как и в КИС-технологии, отсутствуют карма­

ны, а соседние транзисторы для устранения между ними пара­

зитных связей изолированы друг dт друга диэлектрическими

слоями. При этой технологии транзисторы располагаются на

минимальном расстоянии друг от друга, что позволяет повысить

степень интеграции. Влияние емкости переходов здесь также снижено. Кроме того, такие транзисторы обладают повышенной

радиационной стойкостью (см. разд. 6, гл. 23).

В рассмотренных структурах ИС элементы располагаются в

тонком слое у поверхности, что ограничивает рост степени ин­

теграции, поэтому в настоящее время развиваются технологии

создания многослойных структур, в которых транзисторы раз­

мещаются один под другим в несколько слоев (этажей).

Ионно-легированные резисторы получаются ионной импланта­

цией примеси. Они имеют структуру, подобную ДР, но глубина

имплантированного р-слоя составляет 0,2 ...0,3 мкм, что значи­ тельно меньше глубины базового слоя. Ионная имплантация

обеспечивает любую малую концентрацию примеси в слое. Пере­ численные факторы позволяют формировать номиналы сопро­

тивлений в сотни килоом, с ТКС ~ 3 ... 5% /0С и разбросом сопро­

тивлений меньше ±(5 ... 10)%.

Характерной особенностью любого интегрального резистора является наличие у него паразитной емкости относительно под­

ложки или изолирующего кармана. Совокупность резистора и

паразитной емкости формирует собой распределенную RС-ли­ нию. Однако обычно пользуются П-образными и Т-образными

эквивалентными схемами с сосредоточенными, а не распреде­

ленными постоянными. В простейшем случае эквивалентная схема может выродиться в простую RС-цепочку с постоянной

времени 't = (l/2)RC, где С - усредненная емкость р-п-перехо­

да; постоянной времени 't соответствует граничная частота f гр =

= l/(21t't) = l/(1tRC). Следовательно, полупроводниковый резис­

тор ИС представляет собой активное сопротивление до частот,

заметно меньших fгр• а при f > fгр его сопротивление является

комплексным, что может сильно сказаться на работе ИС. В ИС с

диэлектрической изоляцией постоянная времени обычно в не­

сколько раз меньше.

Интегральные полупроводниковые конденсаторы. В конден­ саторах полупроводниковых ИС в качестве диэлектрика высту­

пает обедненный слой обратносмещенного р-п-перехода, а в роли обкладок - высоколегированные полупроводниковые об­

ласти или напыленные металлические пленки. Можно выде­

лить три типа конденсаторов ИС: диффузионные, МДП и тонкопле­

ночные МДМ.

Для формирования диффузионных конденсаторов (ДК) использу­ ются барьерные емкости обратносмещенныхр-п-переходов, где хотя бы один из слоев является диффузионным (откуда и назва­ ние диффузионные). Эмиттерный переход в интегральном бипо­

лярном транзисторе обладает наибольшей удельной емкостью (на единицу площади), но малым напряжением и низкой доброт­ ностью. Поэтому наиболее часто применяется коллекторный пе-

-®-------11 Контрольные вопросы1-I--------

1.Каковы особенности ИС как электронных приборов? Класси­

фикация ИС.

2.Основные технологические приемы, используемые при изго­

товлении ИС. Разновидности ИС и их особенности.

3.Виды изоляции полупроводниковых ИС, достоинства и не­

достатки.

4. Биполярные п-р-п-транзисторы ИС: структуры, особен­ ности, свойства, эквивалентные схемы, параметры и разно­

видности.

5. Биполярные р-п-р-транзисторы ИС: структуры, особен­ ности, свойства, эквивалентные схемы, параметры и разно­

видности.

6. Интегральные диоды, диодное включение транзисторов ИС,

параметры диодов.

7. Полевые транзисторы ИС: структуры, свойства, параметры,

особенности.

8. Пассивные элементы ИС: структуры, особенности, параметры.

Глава В

АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

8.1. Общие сведения. Термины и определения

Все существующие электронные схемы условно можно раз­

делить на 2 класса: цифровые и аналоговые.

Аналоrовый сиrнал представляет собой непрерывно изменяю­

щуюся во времени электрическую величину (обычно ток или

напряжение), которая лежит в допустимом информативном ин­

тервале значений в любой момент времени, т. е. выходная вели­

чина и входная связаны друг с другом функциональной зависи­

мостью Ивых = f(Uвx) [6,34].

Цифровой сиrнал обычно характеризуется двумя устойчивыми значениями (максимальным и минимальным), при этом пере-

ход от одного значения к другому происходит в течение корот­

кого временного интервала [6,34].

В основе аналоговых схем лежат простейшие усилительные

ступени и касн,ады, а основу цифровых схем составляют про­

стейшие транзисторные ключи.

На базе усилительных каскадов строятся сложные многокас­

кадные усилители, стабилизаторы напряжения и тока, модуля­

торы и детекторы, генераторы непрерывных во времени сигна­

лов и другие схемы.

При работе любой аналоговой схемы наблюдается отклоне­ ние (разброс) выходных сигналов ивых<t) в некотором диапа­

зоне, т. е. Ивых(t) = U(t) ± ЛИ(t). Источником отклонения ЛИ(t)

может быть температурный и временной дрейф параметров эле­ ментов схемы, шумы, технологический разброс параметров и т. д. Сложность получения высокой точности воспроизведения ха­

рактеристик элементов при хорошей их стабильности и мини­

мальных шумах .явилась причиной отставания развития анало­ говых схем по сравнению с цифровыми ИС на первых этапах

становления микроэлектроники. Однако в настоящее врем.я это

отставание ликвидировано и аналоговые микросхемы исполь­

зуют в качестве основной элементной базы большинства анало­

говых устройств. Это позволило существенно уменьшить габа­

ритные размеры и массу этих устройств, а также потребляемую

мощность и повысить точность обработки аналоговой информа­

ции. Последнее достоинство обусловлено тем, что в ИС на одной

подложке сформирована совокупность элементов с взаимосогла­

сованными характеристиками (принцип взаимного согласова­

ния цепей) и однотипные элементы имеют одинаковые парамет­

ры и взаимную компенсацию нестабильности параметров во всех диапазонах внешних допустимых воздействий.

Аналоговые ИС можно разделить на универсальные и специали­ зированные. К универсальным аналоговым ИС относятся матри­

цы согласованных резисторов, диоды и транзисторы, а также ин­

тегральные операционные усилители (ОУ).

Специализированные аналоговые микросхемы выполняют

некоторую определенную функцию, как то: перемножение ана­ логовых сигналов, фильтрацию, компрессию и т. д.

Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) и цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) трансформируют аналоговую информа-

цию в цифровую и наоборот. АЦП в основном преобразуют на-

пряжение в цифровой код. Из ЦАП наибольшее распростране­ ние получили преобразователи кода в напряжение и кода в ток.

Интегральные СВЧ-микросхемы имеют функциональную, схе­ мотехническую и конструктивно-технологическую специфику.

Их развитие стимулируется потребностями радиолокации, те­ левидения, авиакосмической техники и т. д., требующими мас­

сового выпуска малошумящих усилителей для приемных трек­

тов, преобразователей частоты, переключателей СВЧ-сигналов,

генераторов, усилителей мощности и т. д.

Интегральным схемам по сравнению с дискретными свойст­ венны отличительные особенности, обусловленные спецификой

их технологии. К особенностям аналоговых ИС можно отнести

отмеченный ранее принцип взаимного согласования цепей и принцип схемотехнической избыточности, заключающийся в

преднамеренном усложнении схемы с целью улучшения ее ка­

чества, минимизации площади кристалла и повышения техно­

логичности. В качестве примера можно привести тот факт, что в аналоговых ИС вместо конденсатора, занимающего большую

площадь, используют сложные структуры с непосредственны­

ми связями.

8.2.Источники стабильного тока, напряжения

иопорного напряжения

8.2.1.Источник стабильного тока.

Под источником стабильного тока в данном случае понимается ис­ точник, который обеспечивает ток в нагрузке, не зависящий от па­ дения напряжения на ней. Такое определение позволяет дать тер­

мину расширенное толкование как источника, который вырабаты­ вает изменяющийся во времени (переменный) ток, величина которого, например, остается постоянной в течение определенных отрезков времени, или переменный ток с неизменной амплитудой.

Для получения тока со стабильным значением в источниках применяют либо биполярные транзисторы (БТ) в схеме с ОБ, ра­ ботающие в активном режиме, либо полевые транзисторы (ПТ),

использующие пологую часть выходной БАХ. В обоих случаях диапазон допустимых напряжений И на нагрузке огран:И:чен по­

тенциалом базы для БТ или потенциалом затвора для ПТ. Для ПТ диапазон допустимых значений И уменьшается на величину порогового напряжения (Изи пор) (см. п.