6. Пассивные элементы ИС

Кпассивным элементам ИС относятся:

·резисторы;

·конденсаторы.

6.1.Основные параметры резисторов

Основными параметрами резисторов являются:

·поверхностное сопротивление rS ;

·температурный коэффициент сопротивления:

·статистический разброс номинала резистора относительно проектного, обусловленный колебаниями rS и разбросом W (подтрав маскирующего окисла; разброс диффузии).

6.2.Реализация интегральных резисторов

Диффузионные резисторы. В полупроводниковых ИС диффузионные резисторы получили наибольшее распространение. Изготавливаются они одновременно с транзисторами, в едином технологическом процессе. Для выполнения пригодны практически все технологические области структуры. Чаще всего используется резистор, выполненный в базовом слое р-типа (рис.6.1).

Дополнительный контакт используется для задания обратного смещения на паразитном р–n-переходе, чтобы ток протекал только через резистор и не протекал через паразитный р–n-переход. Для этого дополнительный контакт подключается к наибольшему потенциалу (+UИП), а подложка - к наименьшему потенциалу (^), если в схеме используется положительное питание UИП.

72

p

W

L

Рис.6.1. Изопланарная структура резистора: 1 - резистивный слой (р-типа); 2 - карман, в котором выполнен резистор (n- эпитаксиальный слой); 3 - изоляция резистора с боковых сторон слоем SiO2; 4 - контакты резистора на концах диффузионного слоя 1; 5 - дополнительный контакт к карману

Практикуется использование единого кармана для группы резисторов.

Сопротивление резистора может быть выражено через rS - поверхностное сопротивление, измеряемое в Ом/• или через rV - объемное удельное сопротивление, измеряемое в [Ом×см]:

где L, W - длина и ширина резистивной диффузионной области; L/W - количество последовательно соединенных квадратов; Xj - глубина диффузионного слоя, в котором выполнен резистор.

Для получения максимальных номиналов ширину резистивной области W задают минимальной.

В зависимости от требуемого сопротивления резистор имеет конфигурацию полосковую или меандр (рис.6.2).

73

Рис.6.2. Конфигурации диффузионного резистора: а - полосковая; б - меандр

Для расчета сопротивления резистора конфигурации меандр используется формула с полуэмпирическими коэффициентами

где n - количество изломов (углов) меандра; k - коэффициент, учитывающий форму контактных площадок (рис.6.3).

Рис.6.3. Возможные формы контактных площадок: а - k = 0,1;

б - k = 0,6

Разновидности диффузионных резисторов приведены на рис.6.4 – 6.6.

Рис.6.4. Структура диффузионного резистора, выполненного в эпитаксиальном слое (в области коллектора)

74

Рис.6.4. Структура диффузионного резистора, выполненного в эпитаксиальном слое (в области коллектора)

R

Рис.6.5. Структура диффузионного резистора, выполненного в базовой области

Рис.6.6. Структура диффузионного резистора, выполненного в эмиттерной области

Диффузионный пинч-резистор (сжатый) позволяет увеличить поверхностное сопротивление за счет уменьшения Xj (рис.6.7).

75

Рис.6.7. Структура пинч-резистора: а - в эпитаксиальном слое (дополнительный контакт подключается к при положительном питании, либо к –UИП при отрицательном питании, либо к низкому потенциалу резистора); б - в базовой области (дополнительный контакт подключается к +UИП при положительном питании либо к высокому потенциалу резистора)

Ионно-легированные резисторы. Используется дополнительная

ρS = 20 кОм/•. Для получения качественных контактов формируют более толстые области p+-типа (рис.6.8).

R

+UИП

Рис.6.8. Структура ионно-легированного резистора

2

Рис.6.9. Структура пленочного резистора: 1 - резистивный слой; 2 подложка; 3 - металлические контакты

76

Пленочные резисторы чаще используют в гибридной технологии (рис.6.9). При реализации пленочных гибридных резисторов используют следующие материалы:

·сплавы кремний + хром с rS = 10 кОм/•;

· керметы - смесь диэлектрик + металл (SiO2 + Cr ® rS = 50 кОм/•, ТКС = 0,02%/°С).

Пленочные резисторы имеют маленький разброс (порядка 5%). Относительный разброс составляет 0,1%. Поэтому пленочные резисторы более точно реализуют номинал.

ВИС пленочные резисторы получают с помощью дополнитель-

ной операции нанесения поликремния (Si*) толщиной Хj = 0,2 - 0,3 мкм.

Втабл.6.1 приведены основные параметры интегральных резисторов.

Таблица 6.1

Сводная таблица основных параметров интегральных резисторов

77

6.3. Эквивалентная модель интегрального резистора

Каждый интегральный резистор имеет значительную паразитную емкость, распределенную по его длине (рис.6.10).

78

R

C

Рис.6.10. Эквивалентная схема резистора с распределенными RC- параметрами (C - емкость паразитного p–n-перехода)

При моделировании используется эквивалентная схема резистора с сосредоточенными параметрами (рис.6.11).

R

C/2 C/2

Рис.6.11. Эквивалентная схема резистора с сосредоточенными параметрами

Схема включения интегрального резистора представляет собой RC-фильтр низких частот (рис.6.12)

UВХ R

Рис.6.12. Схема включения интегрального резистора

с постоянной времени t = RC/2.

79

Таким образом, паразитная емкость существенно ограничивает использование высокоомных резисторов на высоких частотах.

При rS = 200 Ом/•, СУД = 100 пФ/мм2 время нарастания tн и полоса пропускания Df определяются следующим образом:

В табл.6.2 приведены результаты расчета полосы пропускания интегрального резистора различного номинала.

Таблица 6.2

Результаты расчета временных и частотных параметров нтегрального резистора

Кроме влияния паразитной емкости, необходимо учитывать включение распределенных р–n-переходов (рис.6.13)

Рис.6.13. Структура (а) и модель (б) интегрального резистора

сучетом распределенного диода

изависимости напряжения на р–n-переходе Up–n от длины резистивной области (рис.6.14).

80