Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Структура ионна-легированного резистора такая же, как ДР (Рис. 7.38), но глубина имплантированного р-слоя значительно меньше глубины базового слоя и составляет всего 0,2 — 0,3 мкм. Храме того, ионная имплантация позволяет обеспечить сколь Угодно малую концентрацию примеси в слое. Оба фактора способствуют получению весьма высоких удельных сопротивлений слоя — до 10 — 20 кОм/П. При этом номиналы сопротивлений Глава 7. Элементы интегральных схем 262 могут составлять сотки килоом. ТКС меньше, чем у ДР, и лежит в пределах 3-5%/'С, а разброс сопротивлеиий ие превышает з.
(5 10)%. р (имплантироваиный) Поскольку толщина имплаитироваииого слоя р (диффузионный) мала, к нему трудно осуществить омические коитак- Р-31 ты. Поэтому по краям резистивиого слоя иа этапе базоРис. 7.38. Ионно-легированный резистор вой диффузии осуществляют узкие диффузиоииые р-слои, к которым омический коитакт осуществляется обычиым способом. Эквивалентные схемы.
Характерной особенностью любого интегрального резистора является наличие у него паразиткой емкости относительно подложки или изолирующего кармана. В простейшем ДР (рис. 7.35) такой паразиткой емкостью является барьерная емкость перехода между рабочим р-слоем и эпитаксиальиым п-слоем кармана '. Строго говоря, совокупность резистора и паразиткой емкости представляет собой распределенную ВС-лииию (рис. 7.39). Однако для приближенных расу I 1 г четов удобнее пользоваться эквивалеитиыми схемами с сосредоточеииыми постоянными: П-образиой (рис.
7.40, а) или Т-образной (рис. 7.40, б). На этих схемах  — сопротивление Рис. 7.3З. Физическая модел ин- ра С у р тегрзльного резистора в виде раскость перехода. пределеиной ЛС-линии 1 На л-слой задаегся максимальный положительный потенциал от источника питания, поэтому все участки р-л-перехода находятся под обратным иапряже нием. Глава 7. Элементы интегральных схем 7.10. Полупроводниковые конденсаторы В биполярных полупроводниковых ИС роль конденсаторов играют обратносмещенные р — и-переходы. У таких конденсаторов хотя бы один из слоев является диффузионным, поэтому их называют диффузионными конденсаторами (ДК). Диффузионный конденсатор. Типичная структура ДК, в котором используется переход коллектор — база, показана на рис.
7.41. Емкость такого конденсатора в общем случае имеет вид: С = Ст(аЬ) + Сог2(а + Ь)Ы, (7.7а) где Сш и Ссг — удельные емкости донной и боковой частей р-и-перехода. Соотношение слагаемых в правой части (7.7а) зависит от отношения а/Ь, т.е. от конфигурации ДК. Оптимальной конфигурацией является квадрат (а = Ь): при этом «боковая ь составляющая емкости оказывается в десятки раз меньше донной. Пренебрегая боковой составляющей, т.е. вторым слагаемым в (7.7а), и полагая а = Ь, получаем: Рнс. 7.4К Диффуаиоииый конденсатор С = Соа(аЬ) = Соаа ° (7.76) 2 Например, если Со1 = 150 пФ/ммз и С = 100 пФ, то а 0,8 мм.
Как видим, размеры конденсатора получились сравнимыми с размерами кристалла. Для того чтобы суммарная площадь всех конденсаторов, входящих в состав ИС, не превышала 20-25 % площади кристалла, необходимо ограничить суммарную емкость конденсаторов величиной макс = (0 2 ~~25)~с18кр ~ где 8„— площадь кристалла.
Если Я„= 2-9 мм и Со1 = = 150 пФ/ммг, то С„, = 50 — 300 пФ. Используя не коллекторный, а эмиттерный р-п-переход, можно обеспечить в 5 — 7 раз большие значения максимальной емко- 1.10, Полупроводниковые конденсаторы сти. Это объясняется большей удельной емкостью эмиттерного перехода, поскольку он образован более низкоомными слоями.
Основные параметры ДК, включая технологический разброс номиналов 6, температурный коэффициент емкости ТКЕ 1, пробивное напряжение У р и добротность 9, приведены в табл. 7.4 для обоих вариантов ДК вЂ” с использованием коллекторного и змиттерного переходов. Как видим, основное преимущество при использовании змиттерного перехода — ббльшие значения максимальной емкости. По пробивному напряжению и добротности (см.
ниже) этот вариант уступает варианту с использованием коллекторного перехода. Таблица 7.4. Типичные параметры интегральных конденсаторов Необходимым условием для нормальной работы ДК является обратное смещение р — и-перехода. Следовательно, напряжение на ДК должно иметь стпрого определенную полярность.
Емкость ДК согласно (3.25) зависит от напряжения. Это значит, что ДК„вообще говоря, является нелинейным нонденсатоРом с вольт-фарадной характеристикой С(У). Нелинейные конденсаторы находят применение в специальных узлах радиотехнической аппаратуры: параметрических усилителях, умножителях частоты и др. В таких узлах нелинейность ДК оказывается полезной. Однако чаще требуются линейные конденсаторы с постоянной емкостью, которые способны пропускать без искажения переменные сигналы и «блокировать» (т.е.
не пропускать) постоянные составляющие сигналов. ДК успешно выполняет такую функцию при наличии постоянного смещения Е, превышающего амплитуду переменного сигнала. 1 Зависимость емкости дн от температуры обусловлена функцией ар»(Т), кото- Рая входит в выражение (3.25). 266 Глава 7.
Элементы ннтзграланых схем Пусть, например, полное обратное напряжение на ДК имеет знд У = Е+ У,„зги ы), где Е = сопз» н У «Е. В этом случае напряжение У меняется в пределах от Е+У до Š— У, т.е. весьма незначительно. Соответственно емкость ДК остается практически постоянной н равной значению С(Е). Переменная составляющая тока будет определяться реактивной проводимостью этой емкости, как з «обычном» конденсаторе: где Ус = го С(ЕЛ 7Гс г, ФСг, (7.8а) где г, — сопротивление потерь на высоких частотах (рис. 7.42, а).
Чем меньше активная мощность по сравнению с реактивной, тем больше добротность. Например, если С= 100 пФ, г, = 20 Ом и 1 = 1 МГц, то «з, = 75. У идеального конденсатора г, = 0 и м) = со. з о) в) Рнс. 7»42. Физические модели диффузионных конденсаторов на ВЧ (о) н на НЧ (З) Важной особенностью ДК является возможность менять значение емкости, меняя смещение Е. Следовательно, ДК можно использовать не только в качестве «обычного» конденсатора с постоянной емкостью, но и в качестве конденсатора с электрически управляемой емкостью или, как говорят, кон денсатора переменной емкости. Такие конденсаторы необходимы, например, для настройки колебательных контуров в радиотехнике.
Электрическая регулировка емкости, разумеется, предпочтительнее обычной механической. Однако диапазон электрической регулировки ограничен: меняя смещение Е от 1 до 10 В, можно согласно (3.25) изменить емкость ДК всего в 2-2,5 раза. Добротность. Важным параметром всякого конденсатора, в том числе ДК, является высокочастотная добротность Я,. Она характеризует потери мощности при протекании емкостного тока и определяется как отношение реактивного сопротивления конденсатора к активному: 7,10.
Пьлуааовьдаааьзые кьааеиеатьам ь)С (е = — гмСг „ и 1 н> (7.85) где г, — сопротивление потерь (утечки) на низких частотах. Поскольку сопротивление г„определяется обратным током перехода, оно обратно пропорционально площади перехода. Тем самым произведение Сг„, а значит, и низкочастотная добротность не зависят от площади.
Типичное значение Я„на частоте 500 Гц составляет 50-100. Б том диапазоне частот, в котором значения обеих добротностей 9, и Ц„превышают 100-200, ДК представляет собой почти идеальную емкость, т.е. на эквивалентных схемах (рис. 7.42) можно не учитывать сопротивление потерь. Из приведенных примеров следует, что ДК является почти идеальным в диапазоне частот 500 Гц — 500 кГц. Эквивалентная схема.
Специфической особенностью ДК как элемента ИС является наличие у него паразитной емкости. При использовании перехода БК вЂ” это барьерная емкость между коллекторным слоем и подложкой С„, = С„, (см. рис. 7.14). Наличие паразитной емкости приводит к неполной передаче напряжения через ДК в нагрузку. Действительно, из эквивалентной схемы на рис. 7.43 видно, что ДК вместе с паразитной емкостью образует емкостной дели- Главным источником потерь в ДК являются горизонтальные сопротивления нижних слоев, входящих в состав р-и-переходов. Для перехода БК вЂ” это сопротивление коллекторного слоя (рис. 7.41), а для перехода БЭ вЂ” базового.
При наличии скрытого пч-слоя сопротивление г, для перехода БК значительно меньше, чем при использовании коллекторного (табл. 7.4). Из выражения (7.8а) очевидно, что добротность возрастает с уменьшением частоты. Однако при достаточно низких частотах становится существенным другой тип потерь, которым на высоких частотах можно пренебречь. Речь идет о сопротивлении потерь г, обусловленном обратным током р — п-перехода, т.е. о сопротивлении утечки. Это сопротивление шунтирует емкость ДК (рис.
7.42, б). Поэтому добротность на низких частотах определяют как отношение реактивной проводимости конденсатора к активной." Глава 7. Элементы ннтегральных схем тель напряжения. Поэтому на выход проходит только часть входного напряжения У,„: У ЫУ Х пвр ВЫХ ВХ пвр + С где Х и Хс — реактивные сопротивления паразиткой и рабочей емкостей С, и С. Подставляя Х = 1/«оС и Хс = 1/воС, запишем коэффициент передачи напряжения в виде ~вых/(' вх С/(С + Спар). (7.9) Коэффициент передачи будет близок к единице, если выполняется неравенство Спв < С. Однако площади обоих конденсаторов (рабочего и паразитного) почти одинаковы (рис. 7.43).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
