Интегральные стабилитроны

Интегральные диоды

Этот активный элемент широко используется в интегральных микросхемах, особенно в логических ИС. Для создания диода вообще достаточно сформировать только один pn-переход. Однако диодам в ИС придают транзисторную структуру и в зависимости от конкретного назначения используют тот или иной pn- переход путём применения одного из пяти возможных вариантов включения (рис.3.18). Для них приняты следующие обозначения: до чёрточки стоит обозначение анода, после чёрточки- катода; если два слоя соединены, их обозначения пишутся слитно. Варианты различаются как по статическим, так и по динамическим параметрам.

Рис.3.18. Возможные варианты использования pn-переходов транзисторной структуры в качестве диода и их эквивалентные схемы

В первом варианте (1) используется эмиттерный переход, а коллекторный короткозамкнут. Такое включение используют в цифровых ИС, так как в этом случае достигается наибольшее быстродействие: накопление носителей заряда может происходить только в базовой области, а она очень тонкая. Возможность накопления носителей заряда в коллекторной области исключена шунтированием коллекторного перехода. Время переключения может быть около 1нс.

Во втором варианте (2) используется эмиттерный переход, а коллекторная цепь разомкнута.

В третьем варианте (3) используется коллекторный переход, а эмиттерной области при этом может и не быть, то есть этап диффузии примесей для формирования эмиттерной области может быть исключён из технологического процесса. Если же эмиттерная область сформирована, то цепь эмиттера остаётся разомкнутой. Коллекторная область обычно является относительно высокоомной, поэтому такой диод имеет достаточно высокое пробивное напряжение (~50В). Площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, поэтому использование коллекторного перехода в качестве диодной структуры даёт возможность пропускать большие прямые токи.

В четвёртом варианте (4) эмиттерную и коллекторную области соединяют между собой, т.е. эмиттерный и коллекторный переходы включают параллельно. Допустимый прямой ток при этом оказывается ещё больше, но увеличивается также и суммарная барьерная ёмкость.

В пятом варианте (5) используется коллекторный переход, а эмиттерный короткозамкнут.

Типичные параметры интегральных диодов при различных вариантах диодного включения представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3. Типичные параметры интегральных диодов

Пробивные напряжения U_пр зависят от используемого перехода: они меньше у тех вариантов, в которых используется эмиттерный переход.

Обратные токи I_обр ( без учёта токов утечки) – это токи термогенерации в переходах. Они зависят от объёма перехода и, следовательно, меньше у тех вариантов, у которых используется только эмиттерный переход, имеющий наименьшую площадь (рис.3.19)

Ёмкость диода С_д ( т.е. ёмкость между анодом и катодом) зависит от площади используемых переходов; поэтому она максимальна при их параллельном соединении. (вариант Б-ЭК). Паразитная ёмкость на подложку С_ошунтирует на «землю» анод или катод диода ( считается, что подложка заземлена). Ёмкость С_о совпадает с ёмкостью С_кп. Однако у варианта Б-Э ёмкости С_кп и С_к оказываются включёнными последовательно и результирующая ёмкость С_о минимальна.

Время восстановления обратного тока t_в (т.е время переключения диода из открытого в закрытое состояние) минимально у варианта БК-Э; у этого варианта заряд накапливается только в базовом слое (т.к. коллекторный переход закорочен). У других вариантов заряд накапливается не только в базе, но и в коллекторе, так что для рассасывания заряда требуется большее время.

Сравнивая отдельные варианты, можно сделать вывод, что наиболее оптимальными вариантами являются БК-Э и Б-Э. Малые пробивные напряжения не играют существенной роли в низковольтных ИС.

Чаще всего используется вариант БК-Э.

Интегральные стабилитроны

Если необходимы напряжения стабилизации 5-10В, то используют обратное включение диода Б-Э в режиме пробоя; температурная чувствительность при этом составляет – (2-5)mВ/ºС.

Если необходимы напряжения стабилизации 3-5В,то применяют либо обратное включение диода БЭ-К, либо обратно включение pn- перехода, специально образованного в разделительном слое (рис.3.20) Так как приповерхностная часть разделительного слоя сильно легирована, переход имеет структуру p⁺-n⁺ и ему свойственен туннельный – низковольтный пробой. Температурная чувствительность составляет – (2-3)mВ/ºС .

Рис.3.20.Интегральные стабилитроны, сформированные на базе разделительного слоя

Если необходимы напряжения стабилизации 0,7В используют один или несколько последовательно включённых диодов БК-Э, работающих в прямом направлении. Температурная чувствительность в этом случае составляет – (1,5-2)mВ/ºС