И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Он состоит в том, что соответствующее место кристалла подвергается бомбардировке ионами примеси, которые проникают в кристалл на глубину 0,2 — 0,3 мкм. У таких ионнолегированных резисторов удельное сопротивление может быть до 20 кОм/1), а номиналы достигают сотен килоом с допуском + (5 — 10)%, Следует обратить внимание на паразитную емкость по отношению к подложке. Кроме того, у резистора типа р (рнс. 9.19, а) вместе с кристаллом образуется паразитный р — и — р-транзистор.
При проектировании ИС всегда выбираются такие режимы работы резистора, в которых паразитный транзистор заперт и практически не оказывает вредного влияния. Паразитная емкость ограничивает рабочие частоты, на которых сопротивление резистора можно считать активным. На частотах выше некоторой граничной сопротивление резистора становится комплексным. Эквивалентная схема диффузионного резистора со структурой, изображенной Рнс.
9.20. Эквивалентная схема диффузион- ного резистора Рвс. 9.21. Диффузионный конденсатор полу- проводниковой ИС на рис. 9.19,б, показана на рис. 9.20. В ней учтены паразитные элементы: конденсаторы С, и С„ соответствующие емкости между резистором и подложкой, и диоды Дз и Дз, находящиеся под обратным напряжением. Диоды соответствуют изолирующему н-р-переходу. Схема является приближенной, так как на самом деле емкость и сопротивление изоляции распределены вдоль резистора. В качестве резистора может быть использован канал МОП-структуры.
Такие МОП-резисторы делаются одновременно с МОП-транзисторами. Если по структуре они изготовлены аналогично транзисторам, то подбором напряжения затвора можно установить нужное сопротивление резистора, Аналогичны МОП-резисторам так называемые винч-резисторы, имеющие структуру полевого транзистора с н-р-переходом. Резистором служит канал, а нужное сопротивление подбирается напряжением затвора. Конденсаторы.
Типичным для полупроводниковых ИС является диффузионный конденсатор, в котором используется барьерная емкость н — р-перехода. Емкость такого конденсатора (рис. 9.21) зависит от площади перехода, диэлектрической проницаемости полупроводника и толщины перехода, которая, в свою очередь, зависит от концентрации примесей.
Если нужна большая емкость, то переход делают одновременно с змиттерными переходами транзисторов. Так как обдасть эмиттера имеет злектропроводность н+-типа, то переход в конденсаторе будет более тонким; удельная емкость получится больше, примерно 1000 пФ/ммз. В этом случае конденсаторы делаются емкостью до 1500 пФ с допуском +20%. Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) составляет примерно — 10 ' К ', пробивное напряжение не превышает 10 В.
К сожалению, у таких конденсаторов низкая добротность — не более 20 на частоте 1 МГц. У конденсаторов, изготовленных одновременно с коллектор- ными переходами, удельная емкость будет меньше, примерно 150 пФ/ммз. Такие конденсаторы имеют емкость н~ более 500 пФ с допуском +20%. Про. бивное напряжение у них до 50 В, ТКЕ равен — 10 ' К ' и лобротность на частоте 1 МГц доходит до !00. Сравнительно низкая добротность рассмотренных конденсаторов объясняется тем, что диэлектриком служит полупроводниковый н — р-переход, в котором велики потери энергии. Да и обкладки, роль которых выполняют полупроводниковые слои, имеют значительное сопротивление.
Диффузионные конденсаторы работают только при обратном напряжении, которое должно быть постоянным для получения постоянной емкости. Так как барьерная емкость нелннейна, то диффузионный конденсатор может работать в качестве конденсатора переменной емкости, регулируемой электрически — путем изменения постоянного напряжения на конденсаторе. Изменяя обратное напряжение в пределах 1 — 10 В, можно изменять емкость в 2,0 — 2,5 раза.
В некоторых схемах РЭА требуются нелинейные конденсаторы. Их функции могут выполнять диффузионные конденсаторы. На рис. 9.22 показан МОП-конденсатор, применяемый в полупроводниковых ИС, особенно в таких, которые работают на МОП-транзисторах. Одной 155 Т вЂ” Сз Х й Рис. 9.24. Полупроводниковая ИС 156 Рнс. 9.22. МОП-конденсатор полупроводни- ковой ИС обкладкой служит диффузионный слой кремния типа и+, на котором создается тонкий слой диэлектрика УВОх.
Поверх этого слоя наносится металлическая (алюминиевая) пленка, играющая роль второй обкладки. Удельная емкость таких конденсаторов до 400 пФ1ммх, номиначы бывают до 500 пФ с допуском +25%. Пробивное напряжение может быть до 20 В. Достоинство МОП-конденсаторов — сравнительно низкий ТКЕ (примерно 2 10 ~ К '), более высокая добротность (до 250) и возможность работы при любой полярности напряжения.
Нелинейность емкости, т. е. зависимость ее от напряжения, у МОП-конденсаторов значительно меньше, нежели у диффузионных конденсаторов. Так же как и у других элементов, у конденсаторов ИС образуются паразитные емкости по отношению к кристаллу и паразитные транзисторы. Рис. 9.23. Эквивалентная схема диффузион- ного конденсатора На рис. 9.23 изображена эквивалентная схема диффузионного конденсатора, структура которого изображена на рис. 9.21.
Кроме основной емкости С показана емкость относительно подложки С„ и диоды Д, и Дх, находящиеся под обратным напряжением и соответствующие двум и — р-переходам. Сопротивления областей и и р, образующих конденсатор, показаны резисторами К, и Кх. Возможны различные варианты эквивалентных схем. Например, вместо двух диодов можно показать паразитный транзистор типа р — и — р. На рис. 9.24 изображена в разрезе часть полупроводниковой ИС, соответствующая схеме на рис. 9.4, т. е. состоящая из диффузионного конденсатора, транзистора и резистора.
Индуктивность. Катушки нндуктивности в полупроводниковых ИС сделать невозможно. Поэтому обычно проектируются такие ИС, в которых не требуется индуктивность. Если все же необходимо иметь индуктивное сопротивление, то можно создать эквивалент индуктивности, состоящий из транзистора, резистора и конденсатора. Пример одного из таких эквивалентов показан на рис.
9.25. Здесь переменное напряжение (Т подводится между коллектором и эмиттером транзистора. Для упрощения не показана подача на транзистор постоянного питающего напряження. Часть переменного напряжения (Т через КС-цепь подается на базу. Значения К и С подобраны так, что К лв 1/(еоС). Тогда ток 1кс в КС-цепи можно приближенно считать совпадающим по фазе с напряжением (Т.
Но напряжение (Тс на конденсаторе отстает с с ! гм Рис. 9.25. Эквивалент яндуктввности от тока 1лс на 90'. Напряжение (7с подается на базу и управляет коллекторным током транзистора 1„, который совпадает 'по фазе с напряжением Пс, т. е. отстает на 90' от напряжения П. Таким образом, транзистор в этой схеме создает для напряжения (7 сопротивление, эквивалентное некоторому индуктивному сопротивлению хь = 17!1„= = сз1.„,. Иначе говоря, транзистор эквивалентен некоторой индуктнвности 1м, = 17!(со1„). Устанавливая с помощью питающих напряжений больший или меньший ток 1„, можно получать различные значения 1,„,.
Поскольку сопротивление ЯС-цепи во много раз больше хы то влиянием этой цепочки пренебрегают. Резервирование (дублирование). Как уже было указано, полупроводниковые Рис. 9.26. Принцип дублирования диода ИС имеют весьма высокую надежность.
Однако в некоторых, особо ответственных случаях необходимо надежность еще повысить. Один из методов повышения надежности — резервирование (дублирование) элементов. Поясним этот принцип на примере диода. На рис. 9.26 показана схема включения четырех диодов вместо одного, причем диоды соединены друг с другом последовательно н параллельно. Отказ диода может быть, как правило, следствием либо пробоя (короткого замыкания), либо разрыва цепи.
Пусть каждый диод имеет прямое сопротивление 10 Ом и обратное 1 МОм. Если, например, пробит диод 1 и его сопротивление приближенно можно считать равным нулю, то будут работать диоды 2 и 4, которые создадут прямое сопротивление 5 Ом и обратное 0,5 МОм. А если в диоде ! произойдет нарушение контакта (обрыв), то останутся работать диоды 2, 3 и 4. Они дадут прямое сопротивление 15 Ом и обратное 1,5 МОм. Аналогично все будет прн отказе любого другого диода. Вероятность отказа одновременно двух диодов, приводящая к отказу всей четверки,ничтожно мала.
Таким образом, повышение надежности по принципу дублирования дает весьма ощутимый эффект. (Кстати, в начале главы мы отмечали, что такой принцип действует в отношении нервных клеток в человеческом мозгу.) Совмещенные ИС. В тех случаях, когда необходимо высокое качество пассивных элементов ИС, прибегают к так называемым совмещенным ИС. В полупроводниковом кристалле делают активные элементы (диоды, транзнсто- Рвс, 9.27. Совмещенная ИС 157 ры). На кристалле создают изолирующий слой %0з, а на него наносят пленочные пассивные Элементы. Пример прежней схемы (см.
рис, 9.4), состоящей нз конденсатора, транзистора и резистора, но выполненной по совмещенной технологии, показан на рис. 9.27. Разумеется, такие схемы дороже и имеют заметно большие размеры, нежели полупроводниковые ИС, но обладают лучшими параметрами. Принципы изготовления ИС. На рис. 9.28 показана упрощенно возможная технология изготовления полупроводниковых ИС. На кремниевом кристалле типа р (рис.
9.28, а) с тщательно отшлифованной поверхностью создается тонкий слой хйОз (2) и на него наносится слой так называемого фаеорезисеа (1). Фоторезист представляет собой вещество, которое под действием облучения становится кислотостойким (нли,наоборот, кислотостойкое вещество, которое под действием облучения становится растворимым в кислоте).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
