Полупроводниковые резисторы.

Диффузионные резисторы. Для таких элементов чаще всего применяют полоску базового слоя с омическими контактами (рис. 6, 18), для которой

R = Rs(a/b).

Длина а не может превышать длину кристалла, ширина b ограничена возможностями литографии и боковой диффузией. При Rs = 200 Ом/□ и a/b = 100 получаем типичное значение максимального сопротивления Rs = 20 кОм. Увеличить сопротивление можно использованием зигзагообразной формы полоски.

Рис.6.18

ТКР диффузионных резисторов составляет 0,15-0,30 %/°C, разброс расчётного номинала ±(15-20)%. Отметим, что величины сопротивлений на одном кристалле меняются в одну сторону, так что отношение сопротивлений сохраняется с много меньшим допуском (± 0,3 % и менее).

Для больших номиналов сопротивлений >50-60 кОм можно использовать пинч-резисторы (рис. 6.19). В них используется донная, т.е. слабо легированная часть р -слоя, так что удельное сопротивление достигает значений 2-5 кОм/□, а максимальное сопротивление 200-300 кОм.

 

Рис. 6.19

 

Недостатки пинч-резистора: большой разброс номиналов из-за изменения толщины р-слоя, большой ТК сопротвления (0,3-0,5 %/°C), нелинейность ВАХ при напряжениях более 1 В. Пробивное напряжение пинч-резисторов определяется таковым эмиттерного перехода (5-7 В).

Если необходимы сопротивления 100 Ом и менее, следует использовать низкоомный эмиттерный слой, для которого Rs = 5-15 Ом/□. В таком случае можно получить сопротивления до 3-5 Ом с ТКR 0,01-0,02%/°С.

Ионно-легированные резисторы. Такие резисторы получают локальной ионной имплантацией примеси, их структура такая же, как у диффузионных резисторов, но глубина имплантированного р -слоя значительно меньше глубины базового слоя и составляет 0,2-0,3 мкм. К тому же ионная имплантация может обеспечить сколь угодно малую концентрацию примеси, так что возникает возможность достижения очень высоких удельных сопротивлений до 10-20 кОм/□. При этом номиналы сопротивлений могут достигать сотен килом.

Эквивалентные схемы. Любой интегральный резистор имеет паразитную ёмкость относительно подложки или изолирующего кармана. Строго совокупность резистора и паразитной ёмкости образуют распределённую RC-линию, но удобнее пользоваться эквивалентными схемами П-образной или Т-образной с сосредоточенными постоянными (рис. 6.20)

 

Рис. 6.20

В типичном случае, когда один из контактов резистора находится под постоянным потенциалом (например,2), а через второй контакт задаётся ступенька тока, эквивалентная П-схема сводится к простейшей RC- цепочке (Рис. 6.20,в). Суть переходного процесса – в плавном изменении напряжения на резисторе при скачкообразном изменении тока. Постоянная времени процесса

,

а соответствующая граничная частота

 

 

Для значений R = 10 кОм и С = 1,3 пФ получаем τ = 6,5 нс и fгр ≈ 25 МГц. Это значит, что в данном примере резистор работает как резистор (т.е. чисто активное сопротивление) только до частот 10-15 МГц. На более высоких частотах его сопротивление становится комплексным, и работа схемы может существенно измениться.

6.9. Полупроводниковые конденсаторы. В биполярных ИС роль конденсаторов выполняют обратномсещённые р-п -переходы. У таких устройств хотя бы один из слоёв является диффузионным, поэтому их называют диффузионными конденсаторами (ДК). Типичная структура ДК с переходом коллектор-база показана на рис.6.21. Ёмкость такого прибора в

Рис. 6.21

 

общем случае имеет вид:

 

,

 

где С01 и С02 − удельные ёмкости донной и боковой частей р-п -перехода. Оптимальной конфигурацией является квадрат, при этом «боковая» составляющая в десятки раз меньше донной и ею можно пренебречь.

Используя эмиттерный р-п -переход, можно получить в 5-7 раз большие ёмкости, что объясняется большей удельной ёмкостью эмиттерного перехода

Необходимым условием нормальной работы ДК служит обратное смещение р-п -перехода. Поэтому напряжение на ДК должно иметь строго определённую полярность.

Ёмкость ДК зависит от напряжения, значит ДК есть нелинейный конденсатор с воль-фарадной характеристикой С(U). Нелинейные конденсаторы применяются в умножителях частоты, параметрических усилителях и др. Однако чаще нужны линейные конденсаторы с постоянной ёмкостью для пропускания переменных сигналов и блокировки постоянных составляющих. ДК успешно выполняют такую функцию при постоянном смещении Е, превышающем амплитуду переменного сигнала.

ДК можно использовать как конденсатор с электрически управляемой ёмкостью, т.е. как конденсатор переменной ёмкости. Диапазон электрической регулировки ограничен: изменение Е от 1 до 10 В изменяет ёмкость ДК в 2-2,5 раза.

Добротность. Добротность Q характеризует потери мощности при протекании емкостного тока и определяется

,

где r b − сопротивление потерь на высоких частотах.

Главным источником потерь в ДК служат горизонтальные сопротивления нижних слоёв в составе р-п -переходов. Для перехода БК − это сопротивление коллекторного слоя, а для перехода БЭ − базового. При наличии скрытого п+- слоя r b значительно меньше, чем при использовании коллекторного.

При достаточно низких частотах становится существенным вид потерь из-за обратного тока р-п -перехода, т.е. из-за сопротивления утечки r н, которое шунтирует ёмкость ДК. Поэтому добротность на низких частотах определяют как отношение реактивной проводимости конденсатора к активной

 

.

 

Эквивалентная схема. У каждого ДК как элемента ИС имеется паразитная ёмкость, в переходе БК – это барьерная ёмкость между коллекторным слоем и подложкой Спар = Скп. Наличие паразитной ёмкости приводит к нполной передаче напряжения через ДК в нагрузку. Это ясно из эквивалентной схемы на рис. 6.22: на выход проходит только часть входного

Рис.6.22

 

напряжения, а именно

U вых = U вх .

Подставляя и , запишем коэффициент передачи напряжения в виде

 

.

 

Коэффициент передачи обычно не превышает 0,8-0,9. Для ДК с переходом БЭ действительны аналогичные выводы и эквивалентная схема.

МОП-конденсатор. Типичная структура такого прибора показана на рис. 6.23. Здесь над эмиттерным п+- слоем выращен слой тонкого (0,08-0,12 мкм) окисла. На этот слой напыляется алюминиевая верхняя обкладка конденсатора, нижней обкладкой служит эмиттерный п +-слой.

 

Рис. 6.23

 

Важное преимущество МОП-конденсаторов в том, что они работают при любой полярности напряжения. Однако они тоже нелинейные приборы; пример вольт-фарадной характеристики показан на рис. 6.23. При нулевом и положительном напряжениях на металлической обкладке приповерхностная область обогащена электронами, то есть обеднённый слой отсутствует и ёмкость определяется только диэлектриком – максимальна. При отрицательных напряжениях постепенно возникает обеднённый слой, его глубина растёт, а ёмкость уменьшается, что приводит к уменьшению результирующей ёмкости (кривая 1). При большом отрицательном напряжении образуется инверсионный дырочный слой (проводящий канал), тогда ёмкость обеднённого слоя «отключается» и результат приближается к начальному значению.

 

Контрольные вопросы

1. Дайте определение элементам интегральных схем.

2. Какие основные методы изоляции элементов вы знаете.

3. Почему пробивное напряжение коллекторного перехода п-р-п -транзистора больше эмиттерного.

4. Нарисуйте структуру интегрального п-р-п- (р-п-р)- транзистора и укажите на ней все паразитные элементы.

5. Какие разновидности интегральных биполярных транзисторов вы знаете.

6. В чём состоит проблематика создания сверхтонкой базы биполярных транзисторов.

7. Нарисуйте варианты диодного включения транзисторов.

8. Чем отличаются структуры полевого и МДП-транзисторов.

9. В чём заключается принцип самосовмещения при изготовлении МОП-транзисторов.

10. Какие разновидности интегральных резисторов вы знаете.

11. с какой точностью и какого порядка величины можно изготовить диффузионный резистор.

12. Какие структуры используются в качестве конденсаторных.

13. Что такое добротность интегрального конденсатора

14. В чём основное отличие МОП-кондесаторов от конденсаторов диффузионных

.