Конденсаторы полупроводниковых ИМС

В полупроводниковых ИМС возможно применение двух ти­пов конденсаторов. Реализация первого типа основана на исполь­зовании свойств обратносмещенного p-n-перехода, а второго - на обычном использовании свойств какого-либо диэлектрическо­го материала.

Основная трудность при получении конденсаторов заключа­ется в обеспечении достаточно высоких значений удельной емко­сти. С этим связано существенное ограничение, затрудняющее использование обоих типов конденсаторов в полупроводниковых ИМС. Максимальное практически достижимое значение емкости лежит в пределах 100 - 200 пФ с допуском ± 20 %.

В настоящее время широкое применение находят конденса­торы на основе р-n-перехода. Наибольшее распространение это­го типа конденсаторов объясняется тем же, что и диффузионных резисторов, т.е. возможностью их формирования одновременно с получением диффузионных областей транзисторных структур. Для получения таких конденсаторов может использоваться емкость следующих обратносмещенных переходов: коллектор - подлож­ка, коллектор - база, эмиттер - база.

Кроме того, без дополнительных операций можно изготовить еще один конденсатор, если процесс разделительной диффузии примеси р - типа провести так, чтобы образовался р-n-переход в скрытом n⁺-слое. Удельная зарядная емкость зависит от закона распределения примесей вблизи технологической границы пере­хода и от величины приложенного напряжения. Для изоляции кон­денсатора от других элементов ИМС к подложке р-типа прикла­дывается наибольший отрицательный потенциал в схеме.

Удельная емкость С зависит от типа перехода. Следует отме­тить, что поверхностное сопротивление слоев нельзя задавать про­извольно, поскольку конденсаторы создаются одновременно с переходами транзистора. Поэтому удельное сопротивление слоев оптимизируют, исходя из требований, предъявляемых к транзис­тору. Емкость конденсатора обратно пропорциональна напряже­нию, приложенному к переходу. Максимальная емкость соответ­ствует нулевому смещению.

Вторым типом конденсатора, широко используемого в полу­проводниковых ИМС, является конденсатор с диэлектриком. Для изготовления таких конденсаторов не требуется проведения дополнительных технологических операций. Они создаются в еди­ном технологическом цикле с другими элементами ИМС. На рис.117 представлена эквивалентная схема конденсатора с диэлектри­ком. Элементы Д и С, являющиеся паразитными, вносятся р-n-переходом, предназначенным для изоляции конденсатора от других элементов ИМС. Последовательное сопротивление R в конденсаторах с диэлектриком (не более 5-10 Ом) значительно меньше, чем в диффузионных конденсаторах. Это объясняется тем, что нижней обкладкой конденсатора служит высоколегированный n⁺-слой. Следовательно, добротность конденсатора с диэлектриком также выше добротности диффузионного конденсатора.

Рисунок 117 – Структура комбинированного конденсатора

Для получения высоких номинальных значений емкости кон­денсатора (до 450 пФ) при малых занимаемых площадях применя­ют комбинированные конденсаторы. Структура комбинирован­ного конденсатора (рис. 117) представляет собой параллельное включение конденсатора с диэлектриком и четырех конденсато­ров на основе р-n-переходов (эмиттер - база, база - коллектор, разделительная область -коллектор, разделительная область - скрытый слой).

Таким образом, для выбора конкретной конструкции и типа конденсатора необходимо учитывать следующие факторы:

а) параметры конденсатора (удельная емкость, добротность,
рабочее напряжение и др.);

б) временную и температурную зависимость емкости конден­сатора;

в) тип изоляции конденсатора;

г) степень совместимости технологического процесса изготовления конденсатора с технологическим процессом из­готовления активных элементов микросхемы;

д) стоимость изготовления.