Конденсаторы в полупроводниковых интегральных схемах

В биполярных полупроводниковых ИС роль конденсаторов играют обратно смещенные p-n-переходы. У таких конденсато­ров хотя бы один из слоев является диффузионным, поэтому их называют диффузионными конденсаторами. Типичная структура, в ко­тором используется переход коллектор-база, показана на рис. 1. Емкость такого конденсатора в общем случае имеет вид: C = C01(ab) + C022(a + b)d, где С01 и С02 — удельные емкости донной и боковой частей p-n-nepeхода. Соотношение слагаемых в правой части зависит от отно­шения а/b, т.е. от конфигурации ДК. Оптимальной конфигурацией является квадрат (а = b): при этом «боковая» составляющая емкости оказывается в десятки раз меньше донной. Можно сделать вывод, что размеры конденсатора получились сравнимы­ми с размерами кристалла.

Рис.1. Диффузионный конденсатор

Для того чтобы суммарная площадь всех конденсаторов, входящих в состав ИС, не превышала 20-25 % площади крис­талла, необходимо ограничить суммарную емкость конденсато­ров величиной Смакс = (0,2-0,25)C01SKp ≈ 50-300 пФ.

Используя не коллекторный, а эмиттерный р-n-переход, мож­но обеспечить в 5-7 раз большие значения максимальной емкости. Это объясняется большей удельной емкостью эмиттерного перехода, поскольку он образован более низкоомными слоями. Основные параметры ДК, включая технологический разброс номиналов 5, температурный коэффициент емкости ТКЕ 1, про­бивное напряжение Unp и добротность Q, приведены в табл. 1 для обоих вариантов ДК — с использованием коллекторного и эмиттерного переходов. Основное преимущество при использовании эмиттерного перехода — большие значения максимальной емкости. По пробивному напряжению и доброт­ности этот вариант уступает варианту с использова­нием коллекторного перехода.

Необходимым условием для нормальной работы ДК являет­ся обратное смещение p-n-перехода. Следовательно, напряже­ние на ДК должно иметь строго определенную полярность. Емкость ДК зависит от напряжения. 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, кон­денсатора 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 изменить емкость ДК всего в 2—2,5 раза.

Главным источником потерь в ДК являются горизонтальные сопротивления нижних слоев, входящих в состав р-n-переходов. Для перехода БК — это сопротивление коллекторного слоя (рис. 1), а для перехода БЭ — базового. При наличии скрыто­го n+-слоя сопротивление гв для перехода БК значительно мень­ше, чем при использовании коллекторного.

Эквивалентная схема. Специфической особенностью ДК как элемента ИС является наличие у него паразитной емкости. При использовании перехода БК — это барьерная емкость между коллекторным слоем и подложкой С = Скп. Наличие паразитной емкости приводит к неполной передаче напряжения через ДК в нагрузку. Коэффициент передачи будет близок к единице, если выпол­няется неравенство Спар < С. Однако площади обоих конденса­торов (рабочего и паразитного) почти одинаковы (рис. 7.43).

Рис. 2. Роль паразитной емкости

при передаче переменного напряжения

через диффузионный конденсатор

Более того, площадь пара­зитного конденсатора Скп даже несколько больше пло­щади рабочего. Поэтому ем­кости Спар и С различаются только благодаря различию удельных емкостей перехо­дов БК и КП и различию на­пряжений на этих перехо­дах. Расчеты показывают, что в реальных структурах ИС паразитную емкость Спар не удается сделать меньше (0,15—0,2)С. Соответственно коэф­фициент передачи не превышает 0,8-0,9

МОП-конденсатор. Интегральным конденсатором, принци­пиально отличным от ДК, является МОП-конденсатор. Его ти­пичная структура показана на рис. 3. Здесь над эмиттерным n+-слоем с помощью дополнительных технологических процес­сов выращен слой тонкого (0,08-0,12 мкм) окисла. В дальней­шем, при осуществлении металлической разводки, на этот слой напыляется алюминиевая верхняя обкладка конденсатора. Нижней обкладкой служит эмиттерный n+-слой. Удельная емкость МОП-конденсатора обычно составляет около 350 пФ/мм2.

Важным преимуществом МОП-конденсаторов по сравнению с ДК является то, что они работают при любой полярности на­пряжения, т.е. аналогичны «обычному» конденсатору. Однако МОП-конденсатор, как и ДК, тоже нелинейный; пример вольт-фарадной характеристики (которую обычно называют C-U характеристикой) показан на рис. 7.45.

При отрицательных напряжениях постепенно образуется обеднен­ный слой. Его глубина растет с ростом напряжения, а емкость соответ­ственно уменьшается. Это приводит к уменьшению результирующей емкости МОП-конденсатора (кривая 1). При достаточно большом отри­цательном напряжении вблизи поверхности образуется инверсионный дырочный слой, т.е. проводящий канал. Тогда емкость обедненного слоя оказывается «отключенной» от емкости диэлектрика, и результи­рующая емкость МОП-конденсатора снова приближается к начально­му значению (кривая 2).

Для того чтобы влияние обедненного слоя было незначительным, необходимо, чтобы емкость этого слоя была большой по сравнению с емкостью диэлектрика. Такое требование удовлетворяется при боль­шой концентрации примеси в полупроводнике. Именно поэтому в ка­честве полупроводниковой «обкладки» МОП-конденсатора использует­ся п+-слой. Одновременно, благодаря малому сопротивлению этого слоя, обеспечивается высокая добротность конденсатора.

Важной особенностью МОП-конденсаторов является зависи­мость их емкости от частоты. Такая зависимость обусловлена влиянием быстрых поверхностных состояний на границе полу­проводник—диэлектрик. Перезаряд этих состояний является инерционным процессом и происходит с постоянной времени по­рядка 0,1 мкс. Поэтому с ростом частоты емкость МОП-конден­сатора уменьшается и достигает установившегося значения лишь при частотах более нескольких мегагерц.

В заключение заметим, что в МОП-транзисторных ИС, в от­личие от биполярных, изготовление МОП-конденсаторов не свя­зано с дополнительными технологическими процессами: тонкий окисел для конденсаторов получается на том же этапе, что и тонкий окисел под затвором, а низкоомный полупроводниковый слой — на этапе легирования истока и стока. Изолирующие кар­маны в МОП-технологии, как известно, отсутствуют.