Полупроводниковые резисторы

Диффузионные резисторы (ДР), являются основным типом полупроводниковых резисторов и представляют собой области эмиттера, базы или коллектора транзисторной структуры биполярного транзистора.

Эмиттерная область содержит наибольшую концентрацию примесей и обладает наименьшим удельным сопротивлением слоя (рис.4.1а). Поэтому эмиттерная область пригодна для формирования диффузионных резисторов только с малым сопротивлением ~ 10 Ом. Из-за большой концентрации примесей температурные коэффициенты сопротивления таких резисторов будут малы.

Коллекторная область транзисторной структуры содержит наименьшую концентрацию примесей (рис.4.1в). Поэтому коллекторная область вообще пригодна для формирования диффузионных резисторов с большим сопротивлением. Однако из-за малой концентрации примесей температурные коэффициенты сопротивления таких резисторов велики.

Базовая область транзисторной структуры обычно используется для формирования диффузионных резисторов. Без существенного увеличения площади, занимаемой диффузионным резистором, в базовой области могут быть созданы резисторы с сопротивлением ~20кОм. Это значение можно повысить в 2-3 раза, используя зигзагообразную конфигурацию ДР (рис.4.1д). Количество петель ограничено площадью, отводимой под ДР и составляет обычно ≤ 3 , максимальное сопротивление при этом не превышает 50-60 кОм. В то же время такие диффузионные резисторы имеют приемлемые температурные зависимости сопротивления: они слабее, чем для диффузионных резисторов, сформированных в коллекторной области.

Если необходимы сопротивления более 60кОм, используют так называемые пинч-резисторы (рис.4.2). По сравнению с простейшим ДР пинч- резистор имеет меньшую площадь сечения и большее удельное сопротивление, так как используется донная, т.е. слабо легированная часть р-слоя. Поэтому максимальное сопротивление может достигать значений 200-300кОм при простейшей полосковой конфигурации.

Недостатками пинч- резисторов являются: большой разброс значений сопротивления (до 50%) из-за сильного влияния изменения толщины р-слоя, относительно большой температурный коэффициент сопротивления из-за меньшей степени легирования донной части р-слоя, нелинейность вольт-амперной характеристики.

-53-

Рис.4.1. Возможные варианты использования различных областей транзисторной структуры в качестве резистивных слоёв для формирования диффузионных резисторов полупроводниковой ИС (а,б,в) и некоторые варианты конфигурации резистивного слоя и электродов резистора (г, д)

Рис 4.2. Пинч-резистор

-54-

Диффузионные резисторы, как и другие резистивные элементы, характеризуют следующие параметры: диапазон номинальных значений сопротивления, допуски по сопротивлению, температурный коэффициент сопротивления, допустимая мощность рассеяния и максимальное напряжение.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) ДР зависит от концентрации примесей в использованном диффузионным слое.

Допустимая мощность рассеяния диффузионных резисторов ограничена малыми размерами и топологией резистивной диффузионной полоски резистора, а также связана с температурным коэффициентом сопротивления резистора, так как нагрев резистора проходящим током вызывает изменение сопротивления и приводит к нелинейности ВАХ.

Максимальное напряжение – специфический параметр диффузионных резисторов. ДР представляет собой диффузионную полоску с определённым типом проводимости, отделённую от подложки ИС pn-переходом. Электронно-дырочный переход должен быть смещён в обратном направлении для изоляции диффузионной полоски от подложки. Поэтому максимальное падение напряжения на резисторе не может быть больше напряжения смещения, которое, в свою очередь, не может превышать пробивного напряжения изолирующего pn-перехода.

Для получения сопротивлений несколько сотен кОм используют 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.4.3), 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. ТКС меньше, чем у ДР, а разброс сопротивлений не превышает ±(5-10)%.

Рис.4.3. Ионно-легированный резистор

-55-

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

При формировании ИС вообще и ИС с диффузионными резисторами в частности в структуре ИС образуются паразитные элементы, которые могут нарушить нормальную работу ИС. Диффузионный резистор отделён от подложки pn-переходом, который имеет собственную барьерную ёмкость. Эта ёмкость может оказывать существенное влияние на работу схемы при высоких частотах. Строго говоря, совокупность резистора и паразитной ёмкости представляет собой распределённую RC-линию (рис.4.4). Однако для приближённых расчётов удобнее пользоваться эквивалентными схемами: П- или Т-образной, где R-сопротивление резистора, С- усреднённая ёмкость перехода (рис.4.5)

Рис.4.4. Физическая модель интегрального резистора

в виде распределённой RC-линии

Рис 4.5. Эквивалентные схемы интегрального резистора:

а) П-образная; б) Т-образная

Другим паразитным элементом, возникающим возле диффузионного резистора, может быть паразитный биполярный транзистор, эмиттером которого является диффузионный резистивный слой, базой- коллекторная область исходной транзисторной структуры, коллектором – подложка интегральной микросхемы. Если изолирующий pn- переход между резистивной полоской и подложкой (эмиттерный переход паразитного

-56-

транзистора) окажется смещённым в прямом направлением, то паразитный транзистор может нарушить работу ИС. Необходимо, чтобы падение напряжения на диффузионном резисторе не превышало максимального напряжения.

Несмотря на отмеченные недостатки, диффузионные резисторы широко применяют в ИС, так как их формирование не требует дополнительных технологических операций и не удорожают схему.

Рассмотренные эквивалентные схемы действительны и для других вариантов резисторов: когда рабочими являются эмиттерный или коллекторный слои, а также при диэлектрической изоляции элементов, однако количественные результаты оказываются разными.

Резисторы, использующие канал интегрального МДП-транзистора, могут быть нелинейными, квазилинейными и токостабилизирующими.

Нелинейный резистор представляет собой МДП- транзистор с индуцированным каналом, у которого затвор соединён со стоком. На рис.4.6 показаны схема нелинейного резистора на МДП- транзисторе с индуцированным р- каналом и его вольт- амперная характеристика. Недостатком резистора является зависимость его сопротивления от приложенного напряжения.

Рис.4.6. Схема образования нелинейного резистора на основе МДП-транзистора (а)

и его вольт-амперная характеристика (б)

В качестве квазилинейного резистора используется канал МДП-транзистора при фиксированном напряжении на затворе (рис.4.7) Недостатком такого резистора является то, что его сопротивление также зависит от напряжения, приложенного к нему. Кроме того, максимальный ток, проходящий через резистор, не должен превышать некоторого значения, при котором происходит перекрытие канала.

-57-

Рис.4.7. Схема образования квазилинейного резистора на основе

МДП-транзистора (а) и его вольт-амперная характеристика (б)

Токостабилизирующий резистор (рис.4.8) представляет собой перекрытый канал МДП- транзистора. При изменении напряжения на канале ток, проходящий через него, практически не изменяется. На рис.4.8б показана стоковая характеристика МДП- транзистора, крутая область которой используется в квазилинейном резисторе, а пологая – в токостабилизирующем. Сопротивления канальных резисторов составляют от сотен Ом до нескольких десятков кОм.

Рис.4.8. Схема образования токостабилизирующего резистора на основе МДП-транзистора (а) и его вольт-амперная характеристика (б)

Для получения значительных сопротивлений (сотни кОм – единицы МОм) применяется pn- переход, смещённый в обратном направлении