Полупроводниковые конденсаторы

В качестве конденсаторов ИС часто используют барьерную ёмкость pn-перехода, смещённого в обратном направлении. Такой пассивный элемент ИС удобно создавать одновременно с формированием транзисторных структур или использовать непосредственно pn-переходы транзисторных структур. Барьерная ёмкость pn-перехода может быть использована как для создания конденсатора постоянной ёмкости, так и для конденсатора переменной ёмкости, которой можно управлять путём изменения постоянного смещения на переходе. У таких конденсаторов хотя бы один из слоёв является диффузионным, поэтому их называют диффузионными конденсаторами (ДК).

Типичная структура ДК, в котором используется переход коллектор-база, показана на рис 4.9. Оптимальной конфигурацией является квадрат. При площади кристалла 2-9мм² и удельной ёмкости pn-перехода С_о=150пФ, максимальные значения барьерной ёмкости составляют 50-300пФ. Используя не коллекторный, а эмиттерный pn-переход, можно обеспечить в 5-7 раз большие значения максимальной ёмкости. Это объясняется большей удельной ёмкостью эмиттерного перехода, поскольку он образован более низкоомными слоями.

Рис.4.9. Диффузионный конденсатор

Качество диффузионных конденсаторов, как и других конденсаторов, и их пригодность для применения в ИС необходимо оценивать по их технологической совместимости с технологией других (в первую очередь активных) элементов ИС и по таким основным параметрам, как диапазон номинальных значений ёмкости, пробивное напряжение, добротность, допуски по ёмкости. В таблице 4.1 приведены основные параметры ДК.

-59-

Таблица 1. Типичные параметры интегральных конденсаторов

Видно, что основное преимущество при использовании эмиттерного перехода – большие значения максимальной ёмкости, но по пробивному напряжению и добротности этот вариант уступает варианту с использованием коллекторного перехода.

Необходимым условием для нормальной работы ДК является обратное смещение pn-перехода. Следовательно, напряжение на ДК должно иметь сторого определённую полярность.

Диапазон номинальных значений ёмкости диффузионных конденсаторов, которые могут быть сформированы на отведённых для них площадях монокристалла полупроводника, определяется концентрацией примесей в прилегающих к переходу областях. ДК, использующие эмиттерную ёмкость транзисторной структуры, имеют большую удельную ёмкость по сравнению с конденсаторами на коллекторном переходе. Однако при большой концентрации примесей в прилегающих к переходу областях и, следовательно, при малой толщине перехода будет мало пробивное напряжение такого перехода, а значит, и диффузионного конденсатора. Таким образом, удельную ёмкость и пробивное напряжение ДК надо рассматривать совместно. Взаимосвязь между этими параметрами оказывается неблагоприятной для диффузионных конденсаторов, их называют нелинейными конденсаторами с вольт-фарадной характеристикой С(U). Нелинейные конденсаторы находят применение в специальных узлах радиотехнической аппаратуры: параметрических усилителях, умножителях частоты и др.

Линейные конденсаторы с постоянной ёмкостью, способные пропускать без искажения переменные сигналы и не пропускать (блокировать) постоянные составляющие сигналов, используются чаще и выполняют эту функцию при наличии постоянного смещения Е, превышающего амплитуду переменного сигнала.

Важной особенностью ДК является возможность менять значение ёмкости, меняя смещение. Следовательно, ДК можно использовать не только в качестве конденсатора с постоянной ёмкостью, но и в качестве конденсатора с электрически управляемой ёмкостью или, как говорят, конденсатора переменной ёмкости. Такие конденсаторы необходимы, например, для настройки колебательных контуров в радиотехнике, при этом электрическая регулировка ёмкости предпочтительнее обычной

-60-

механической. Однако, диапазон электрической регулировки ограничен: меняя смещение от 1 до 10В. можно изменить ёмкость ДК всего в 2-2,5 раза.

Добротность Q является важным параметром конденсатора, характеризует потери мощности при протекании ёмкостного тока.

На высоких частотах определяется как отношение реактивного сопротивления конденсатора к активному:

Q_в = X_C / r_в = 1 / ωСr_в ,

где r_В - сопротивление потерь на высоких частотах. Чем меньше активная мощность по сравнению с реактивной, тем больше добротность.

На низких частотах добротность определяют как отношение реактивной проводимости конденсатора к активной.

Q_н = ωС r_н,

где r_н - сопротивление потерь на низких частотах.

В том диапазоне частот, в котором значения обеих добротностей Q_в и Q_н превышают 100-200, ДК представляет собой почти идеальную ёмкость, т.е. на эквивалентных схемах рис.4.10. можно не учитывать сопротивление потерь, а ДК является почти идеальным в диапазоне частот 500гЦ-500кГц.

Рис.4.10. Физические модели диффузионных конденсаторов

на ВЧ(а) и на НЧ(б)

Специфической особенностью ДК как элемента ИС является наличие у него паразитной ёмкости. При использовании перехода БК – это барьерная ёмкость между коллекторным слоем и подложкой С_пар= С_бар. Наличие паразитной ёмкость приводит к неполной передаче напряжения через ДК в нагрузку.

В связи с зависимостью барьерной ёмкости от напряжения смещения на pn-переходе диффузионные конденсаторы могут быть использованы для усиления электромагнитных колебаний, т.е. могут быть активными элементами ИС.

МОП – конденсаторы являются интегральными элементами принципиально отличными от ДК. Его типичная структура показана на рис.4.11. В биполярных ИС в качестве такого конденсатора используют слой диоксида кремния, которым покрыт кристалл полупроводника.

-61-

Рис.4.11. Структура МДП-конденсатора

Одной обкладкой конденсатора является слой металла (обычно алюминия), нанесённый на поверхность слоя диоксида кремния одновременно с созданием межэлементных соединений и контактных площадок; другой обкладкой – сильнолегированная область полупроводника, которая создаётся одновременно с формированием эмиттерных областей транзисторных структур ИС. Таким образом, процесс изготовления МОП- конденсаторов не требует введения в технологию дополнительных операций. В островке, предназначенном для данной структуры, не формируют базовую область транзисторной структуры, поэтому под МОП- конденсатором есть только один pn-переход между коллекторной областью транзистора и подложкой, который необходим для изоляции структуры от других элементов, расположенных на одной с ним полупроводниковой пластине. Основные параметры МОП-конденсаторов приведены в табл.4.1.

Важным преимуществом МОП- конденсаторов по сравнению с ДК является то, что они работают при любой полярности напряжения, т.е. аналогичны «обычному» конденсатору.

Ёмкость МОП- конденсаторов может иметь сложную зависимость от напряжения постоянного смещения и от частоты переменного напряжения. Связано это с возможностью образования у поверхности полупроводника (в данном примере у поверхности n⁺ -области) обеднённых и инверсионных слоёв под действием проникающего в полупроводник электрического поля. Частотная зависимость ёмкости МОП – конденсатора может быть обусловлена влиянием быстрых поверхностных состояний на границе полупроводник-диэлектрик. Перезаряд этих состояний является инерционным процессом, поэтому с ростом частоты ёмкость МОП-конденсаторов уменьшается и достигает установившего значения лишь при частотах более нескольких мегагерц.

В МОП - транзисторных ИС, в отличие от биполярных ИС, 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.