Полупроводниковые резисторы.

Первоначально в полупроводниковых ИС применялись только диффузионные резисторы (ДР), основу которых составлял один из диффузионных слоев, расположенных в изолированном кармане. В настоящее время большое распространение получили также ионно-имплантированные резисторы.

Диффузионные резисторы. Для диффузионных резисторов чаще всего используется полоска базового слоя с двумя омическими контактами (рис. 4.17, а).

Пусть имеется прямоугольная полоска материала длиной a, шириной bи толщиной d. Если ток протекает вдоль полоски (т.е. параллельно ее поверхности), то сопротивление полоски можно записать в виде:

, (4.1)

где .

При условии прямоугольная полоска принимает квадратную форму, а ее сопротивление делается равным . Значит, величину можно определить как продольное сопротивление слоя или пленки квадратной конфигурации. Чтобы подчеркнуть последнюю оговорку, вместо истинной размерности «Ом» пишут «Ом/*». Зная величину ,легко рассчитать сопротивление слоя или пленки прямоугольной конфигурации по известным значениям a и b. Для полосковой конфигурации сопротивление ДР согласно (4.1) записывается в виде

, (4.2)

где удельное сопротивление слоя, а размеры aи bпоказаны на рис. 4.17,б.

И длина, и ширина полоскового ДР ограничены. Длина ане может превышать размеров кристалла. Ширина bограничена возможностями фотолитографии, боковой диффузией, а также допустимым разбросом (10-20%). Подставляя в (4.2) значения = 200 Ом/* и = 100, получаем типичное значение максимального сопротивления = 20 кОм. Это значение можно повысить в 2-3 раза, используя не полосковую, а зигзагообразную конфигурацию ДР (рис. 4.17, б). Количество «петель» n, в конечном счете, ограничено площадью, отводимой под ДР. Обычно n < 3, в противном случае площадь резистора может достигать 15—20 % площади всего кристалла. Максимальное сопротивление при n=3 не превышает 50-60 кОм.

Температурный коэффициент сопротивления ДР, выполненного на основе базового слоя, составляет 0,15 – 0,30 %/°С, в зависимости от значения . Разброс сопротивлений относительно расчетного номинала составляет ± (15–20) %. При этом сопротивления резисторов, расположенных на одном кристалле, меняются в одну и ту же сторону. Поэтому отношение сопротивлений сохраняется с гораздо меньшим допуском (± 3 % и менее), а температурный коэффициент для отношения сопротивлений не превышает ±0,01 %/°С. Эта особенность ДР играет важную роль и широко используется при разработке ИС.

Ионно-легированные резисторы. За последнее время все большее распространение получают ионно-легированные резисторы, которые в отличие от ДР получаются не диффузией, а локальной ионной имплантацией примеси

Структура ионно-легированного резистора такая же, как ДР (рис. 4.18), но глубина имплантированного р-слоя значительно меньше глубины базового слоя и составляет всего 0,2—0,3 мкм. Кроме 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/*. При этом номиналы сопротивлений могут составлять сотни кОм. ТКС меньше, чем у ДР, и лежит в пределах 3–5 %/°С, а разброс сопротивлений не превышает ± (5–10)%.

Поскольку толщина имплантированного слоя мала, к нему трудно осуществить омические контакты. Поэтому по краям резистивного слоя на этапе базовой диффузии создают узкие диффузионные p-слои, к которым омический контакт осуществляется обычным способом.

Эквивалентные схемы. Характерной особенностью любого интегрального резистора является наличие у него паразитной емкости относительно подложки или изолирующего кармана. В простейшем ДР (рис. 4.17) такой паразитной емкостью является барьерная емкость перехода между рабочим p-слоем и эпитаксиальным n-слоем кармана.

Строго говоря, совокупность резистора и паразитной емкости представляет собой распределенную RC-линию (рис. 4.19).

Однако для приближенных расчетов удобнее пользоваться эквивалентными схемами с сосредоточенными постоянными: П-образной (рис. 4.20, а) или Т-образной схемой (рис. 4.20, б).На этих схемах R – сопротивление резистора, С – усредненная емкость перехода. Необходимость усреднения емкости объясняется следующим. При протекании тока через резистор потенциал р-слояоказывается разным в разных точках. Поскольку потенциал n-слоя постоянный, напряжение на p-n-переходе будет меняться вдоль оси у, а, следовательно, будет меняться и барьерная емкость.

В типичном случае, когда один из зажимов резистора (например, 2)находится под постоянным потенциалом, а через другой зажим (1)задается ступенька тока, эквивалентная П-образная схема сводится к простейшей RС-цепочке, показанной на рис. 4.20, в.Сущность переходного процесса состоит в плавном изменении напряжения на резисторе при скачкообразном изменении тока. Постоянная времени, определяющая длительность переходного процесса, имеет вид , а соответствующая граничная частота . Для значений R = 10 кОм и С = 1,3 пФ получаем: =6,5 нc и 25 МГц. Это значит, что в данном примере резистор выполняет свою функцию(т.е. имеет чисто активное сопротивление) только до частот 10 15 МГц. При более высоких частотах его сопротивление становится комплексным и работа схемы, в которой он используется, может существенно измениться.

Рассмотренные эквивалентные схемы действительны и для других вариантов резисторов: когда рабочими являются эмиттерный или коллекторный слой, а также при диэлектрической изоляции элементов. Однако количественные результаты оказываются разными. Например, при использовании диэлектрической изоляции постоянная времени может быть в несколько раз меньше.