ЛЕКЦИЯ 21. ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ (ОКОНЧАНИЕ)

П л а н л е к ц и и

21.1. Интегральные диоды.

21.2. Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом. 21.3. МОП-транзисторы.

21.1.Интегральныедиоды.

Вкачестве диода можно использовать любой из двух р–п-переходов, расположенных в изолирующем кармане: эмиттерный или коллекторный. Можно также использовать их комбинации. Поэтому по существу

интегральный диод представляет собой диодное включение интегрального транзистора.

Пять возможных вариантов диодного включения транзистора показаны на рис. 21.1. В табл. 21.1 приведены типичные параметры этих диодов и приняты следующие обозначения: до черточки стоит обозначение анода, после черточки – катода; если два слоя соединены, их обозначения пишутся слитно. Из таблицы видно, что варианты включения различаются как по статическим, так и по динамическим параметрам.

Рис. 21.1. Интегральные диоды (диодные включения транзистора)

Пробивные напряжения Uпр зависят от используемого перехода: они меньше у тех вариантов, в которых используется эмиттерный переход

(табл. 21.1).

Обратные токи Iо6р (без учета токов утечки) – это токи термогенерации в переходах. Они зависят от объема перехода и, следовательно, меньше у тех вариантов, у которых используется только эмиттерный переход, имеющий наименьшую площадь.

ЛЕКЦИЯ 21. ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ (ОКОНЧАНИЕ)

21.1. Интегральные диоды.

Емкость диода Сд (т. е. емкость между анодом и катодом) зависит от площади используемых переходов, поэтому она максимальна при их параллельном соединении (вариант Б-ЭК). Паразитная емкость на подложку С0 шунтирует на «землю» анод или катод диода (считается, что подложка заземлена). Емкость С0, как правило, совпадает с емкостью Скп, с которой мы встретились при рассмотрении п–р–п-транзистора. Однако у варианта Б-Э емкости Скп и Ск оказываются включенными последовательно и результирующая емкость С0 минимальна.

Таблица 21.1

Типичные параметры интегральных диодов

Время восстановления обратного тока tв (т. е. время переключения диода из открытого в закрытое состояние) минимально у варианта БК-Э. У этого варианта заряд накапливается только в базовом слое (так как коллекторный переход закорочен). У других вариантов заряд накапливается не только в базе, но и в коллекторе, так что для рассасывания заряда требуется большее время.

Сравнивая отдельные варианты, приходим к выводу, что

оптимальными вариантами являются БК-Э и Б-Э. Малые пробивные напряжения у них не играют существенной роли в низковольтных ИС. Чаще всего используется вариант БК-Э.

Помимо собственно диодов, в ИС применяются интегральные стабилитроны. Они также выполняются в нескольких вариантах, в зависимости от необходимого напряжения стабилизации и температурного коэффициента.

Если необходимы напряжения 5–10 В, то используют обратное включение диода Б-Э в режиме пробоя, при этом температурная чувствительность составляет + (2–5) мВ/°С. Если необходимы напряжения 3– 5 В, то применяют либо обратное включение диода БЭ-К, используя эффект смыкания, либо обратное включение p–n-перехода, специально образованного в разделительном слое (рис. 21.2, а). В последнем случае n+-

ЛЕКЦИЯ 21. ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ (ОКОНЧАНИЕ)

21.1. Интегральные диоды.

слой получают на этапе эмиттерной диффузии. Поскольку приповерхностная часть разделительного слоя сильно легирована, переход имеет структуру р+- п+ и ему свойствен туннельный – низковольтный пробой. Температурная чувствительность составляет – 2–3 мВ/°С.

Широкое распространение имеют стабилитроны, рассчитанные на напряжения, равные или кратные напряжению на открытом переходе U*≈0,7 В. В таких случаях используют один или несколько последовательно включенных диодов БК-Э, работающих в прямом направлении. Температурная чувствительность в этом случае составляет 1,5–2 мВ/°С.

Рис. 21.2. Интегральные стабилитроны: а – на основе разделительного слоя; б – на основе базового слоя (с применением температурной компенсации)

Если в базовом слое осуществить два p–n-перехода (рис. 21.2, б), то при подаче напряжения между п+-слоями один из переходов работает в режиме лавинного пробоя, а второй – в режиме прямого смещения. Такой вариант привлекателен малой температурной чувствительностью (± 1 мВ/°С и менее), так как температурные чувствительности при лавинном пробое и при прямом смещении имеют разные знаки.

21.2. Полевойтранзисторсуправляющимp–n-переходом.

Полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом хорошо вписываются в общую технологию биполярных ИС и потому часто изготавливаются совместно с биполярными транзисторами на одном кристалле. Типичные структуры, расположенные в изолированных карманах, показаны на рис. 21.3 и рис. 21.4.

В структуре, показанной на рис. 21.3, р-слой затвора образуется на этапе базовой диффузии, а п+-слои, обеспечивающие омический контакт с областями истока и стока, – на этапе эмиттерной диффузии. Заметим, что

ЛЕКЦИЯ 21. ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ (ОКОНЧАНИЕ)

21.2. Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом.

р-слой затвора окружает сток со всех сторон, так что ток между истоком и стоком может протекать только через управляемый канал.

p

n

Рис. 21.3. Интегральный полевой транзистор с n-каналом

В n-карманах, предназначенных для ПТ, вместо скрытого п+-слоя делается р+-слой. Назначение этого слоя – уменьшить начальную толщину канала а и тем самым напряжение отсечки. Изготовление скрытого р+-слоя связано с дополнительными технологическими операциями. Для того чтобы скрытый р+-слой проник в эпитаксиальный слой достаточно глубоко, в качестве акцепторного диффузанта используют элементы с большим коэффициентом диффузии (бор или галлий). На подложку, а значит, и на р+-

ЛЕКЦИЯ 21. ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ (ОКОНЧАНИЕ)

21.2. Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом.

слой задают постоянный (максимально отрицательный) потенциал; поэтому они не выполняют управляющих функций.

Структура, показанная на рис. 21.4, совпадает со структурой обычного n–p–n-транзистора. Роль канала играет участок базового р-слоя, расположенный междуп+- и n-слоями. Если при совместном изготовлении ПТ и биполярного транзистора не использовать дополнительных технологических процессов, то толщина канала будет равна ширине базы n–p–n-транзистора

(0,5–1 мкм).

ИС

n+

n

Рис. 21.4. Интегральный полевой транзистор с р-каналом

При такой малой толщине канала получаются большой разброс параметров ПТ и малое напряжение пробоя. Поэтому целесообразно пойти на усложнение технологического цикла, осуществляя р-слой ПТ отдельно от базового р-слоя с тем, чтобы толщина канала была не менее 1–2 мкм. Для этого проводят предварительную диффузию р-слоя ПТ до базовой диффузии. Тогда во время базовой диффузии р-слой ПТ дополнительно расширяется, и его глубина оказывается несколько больше глубины базового слоя.

Для того чтобы области истока и стока соединялись только через канал, п+-слой делают более широким (в плане), чем р-слой (рис. 21.4). В результате