ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 5403
Скачиваний: 12
111
Вопросы
для
самопроверки
1.
Структура биполярного транзистора интегральных мик-
росхем.
2.
Образование паразитного транзистора при изоляции p-n
переходом и схема соединения его с основным.
3.
Достоинства и недостатки диэлектрической изоляции по
сравнению с изоляцией p-n переходом.
4.
Изопланарная технология изготовления биполярных
транзисторов.
5.
Технология изготовления многоэмиттерных транзисторов.
6.
Структура биполярного транзистора с диодом Шотки.
7.
Схемы включения биполярных транзисторов в диодном
режиме.
8.
Модель интегрального биполярного транзистора.
9.
Основные причины ухудшения параметров интегральных
транзисторов от дискретных.
10.
Простейшая структура МЕП-транзистора.
11.
Физика работы МЕП-транзистора.
12.
Основные достоинства МЕП-транзисторов.
112
12
ПАССИВНЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ
В полупроводниковых микросхемах наиболее распростра-
ненными пассивными элементами являются резисторы.
Вследствие низкого удельного сопротивления полупровод-
никовых слоев они занимают большую площадь на кристалле.
Поэтому микросхемы проектируют так, чтобы число резисторов
было минимальным, а их сопротивления обычно менее 10 кОм.
Аналоговые микросхемы содержат, как правило, больше резисто-
ров, чем цифровые. Во многих цифровых микросхемах (напри-
мер, на полевых транзисторах) резисторов нет — вместо них ис-
пользуют транзисторы.
Полупроводниковые резисторы имеют сильную темпера-
турную зависимость и большой технологический разброс сопро-
тивления. Иногда вместо полупроводниковых резисторов приме-
няют тонкопленочные резисторы с лучшими параметрами, но при
этом технологический процесс усложняется.
Основная часть полупроводниковых микросхем не содержит
конденсаторов из-за их большой площади. Например, полупро-
водниковый или тонкопленочный конденсатор емкостью всего
50 пФ занимает приблизительно такую же площадь, как 10 бипо-
лярных или 100 МДП-транзисторов. Поэтому, если требуется ем-
кость более 50...100 пФ, применяют внешние дискретные конден-
саторы, для подключения которых в микросхемах предусматри-
вают специальные выводы.
В некоторых микросхемах конденсаторы малой емкости
объединяются с другими элементами. Например, в элементах па-
мяти динамического типа конденсаторы совмещены с МДП-
транзисторами, в логических элементах на арсениде галлия с ме-
талл-полупроводниковыми диодами. Конденсаторы емкостью
порядка 10 пФ на основе МДП-структур используются в некото-
рых аналоговых микросхемах, обладающих частотной избира-
тельностью сигналов (например, в активных фильтрах). На высо-
ких частотах МДП-конденсаторы имеют низкую добротность, так
как одной из обкладок служит полупроводниковый слой со зна-
чительным сопротивлением. Высокую добротность обеспечивают
тонкопленочные конденсаторы. Такие конденсаторы емкостью
0,1...1 пФ, а также тонкопленочные индуктивные элементы (доли
113
наногенри) применяют в полупроводниковых аналоговых арсе-
нид-галлиевых СВЧ-микросхемах. На более низких частотах ин-
дуктивные элементы не используют. В некоторых случаях индук-
тивный эффект получают схемным путем (применяя операцион-
ные усилители с RC -цепями обратной связи, активные фильтры
и др.). Для других случаев применения, где индуктивности необ-
ходимы, используют катушки, находящиеся вне корпуса микро-
схемы. В гибридных микросхемах широко распространены пле-
ночные резисторы с сопротивлениями от нескольких Ом до еди-
ниц мегаом. Если требуется высокая плотность резисторов на
подложке, применяют тонкопленочную технологию, если же
необходима низкая стоимость микросхем, а плотность элементов
не столь существенна — толстопленочную. В низкочастотных
микросхемах применяют дискретные миниатюрные конденсато-
ры и катушки индуктивности. Пленочные реактивные элементы
с емкостями менее 100 пФ и индуктивностями менее 1 мкГн ис-
пользуют в аналоговых высокочастотных микросхемах. В санти-
метровом диапазоне СВЧ требуются элементы малых размеров
(много меньше длины волны), которые следует воспроизводить
с высокой точностью. Для этого необходима тонкопленочная
технология. Она также обеспечивает меньшее сопротивление
проводящих слоев по сравнению с толстопленочной технологией,
более высокую добротность элементов. В этом диапазоне исполь-
зуют и пассивные тонкопленочные элементы на основе микропо-
лосковых линий передачи с распределенными емкостью и индук-
тивностью. Размеры элементов — порядка длины волны, поэтому
их плотность относительно низкая.
12.1
Полупроводниковые
резисторы
В полупроводниковых микросхемах на биполярных транзи-
сторах для упрощения технологии в качестве резисторов широко
используют базовые слои p-типа. Рассмотрим изопланарную
структуру, поперечный разрез которой показан на рис. 12.1,
а
. Ре-
зистивный слой 1
р
-типа толщиной 1...2 мкм размещен в кармане
2 n-типа, изолированном с боковых сторон диоксидом кремния 3.
На концах слоя 1 созданы контакты 4. Для снижения площади
ширина b резистивной полоски (см. вид сверху на рис. 12.1,
б
)
114
выбирается минимальной. Для повышения сопротивления
(
СЛ
а
R
R
b
=
) длину
а
увеличивают. Резисторы с большими со-
противлениями (порядка 10 кОм) — выполняют в виде меандра
(рис. 12.1,
в
), а с малыми (десятки Ом) в виде широких полосок
(рис. 12.1,
г
). Чтобы ток протекал только по слою 1, на
р
-n пере-
ходе между слоями 1 и 2 должно быть обратное напряжение. Для
этого область 2 с помощью контакта 5 подключается к плюсу ис-
точника питания. Сопротивление увеличивается с ростом темпе-
ратуры из-за снижения подвижности дырок, причем температур-
ный коэффициент сопротивления (ТКС) равен 0,1...0,3 %/°С.
Технологический разброс сопротивлений для разных микросхем
/
10%
R R
δ
=
, в то же время резисторы с одинаковой геометрией
на одном кристалле практически идентичны. Разброс отношения
сопротивлений резисторов на одном кристалле менее 0,1 %, их
ТКС
< 0,01 %/°С.
2
1
p
5
4
p
+
p
SiO
2
4
а
б
1
4
1
n
+
n
4
1
а
б
в
г
3
Рис. 12.1 — Структура интегрального резистора
Удельная барьерная емкость
р
-n перехода между слоями 1
и 2 равна (2 ... 4)
⋅
4
10
−
пф/мкм
2
. Резистор вместе с распределенной
по его длине емкостью образует RC-линию, которую можно
115
использовать в аналоговых микросхемах для получения частот-
но-избирательных цепей.
Однако в большинстве случаев емкость является нежела-
тельной (паразитной), так как ухудшает быстродействие микро-
схем. Модель резистора, в которой распределенная емкость заме-
нена сосредоточенной, приведена на рис. 12.2. Влиянием пара-
зитной емкости
K
C
в ряде случаев можно пренебречь.
R/2
+U
ИП
C
K
R/2
Рис. 12.2 — Эквивалентная схема
интегрального резистора
Значения
R
и
Ск
пропорциональны длине резистора
а
.
С помощью специальной операции ионного легирования, не свя-
занной с формированием базы, можно создать очень тонкий
(0,1...0,2 мкм) резистивный слой 1 (рис. 12.3) с сопротивлением
до 20 кОм/
É. Для получения контактов на его концах формируют
более толстые области
p
+
-типа. В микросхемах на полевых тран-
зисторах в качестве резисторов используют транзисторы с нели-
нейной или квазилинейной ВАХ и реже тонкие ионно-
легированные слои.
p
n
SiO
2
1
p
+
p
+
p
+
p
+
Рис. 12.3 — Интегральный резистор
по МОП-технологии