Пассивные элементы ИС

Полупроводниковые резисторы. В соответствии с технологией изготовления различают два типа интегральных резисторов: диффузионные и ионно-имплантированные (ионно-легированные). Диффузионные резисторы (ДР) изготавливают одновременно с формированием базовой или эмиттерной областей транзистора с применением соответствующих масок. Чаще всего для резисторов используется полоска базового слоя с двумя омическими контактами. Длина и ширина полоскового ДР ограничены. Длина не превышает размеров кристаллов, а ширина определяется возможностями фотолитографии, боковой диффузией, а также допустимым разбросом. Типичные величины максимального сопротивления, достижимые с помощью современной технологии, составляют 20 кОм. Для увеличения максимального сопротивления в 2… Зраза (до 50…60 кОм) используют зигзагообразную конфигурацию при количестве нетель, обычно меньшем или равном трем, что определяется площадью, отводимой под ДР на кристалле.

При изменении температуры сопротивления резисторов, расположенных на одном кристалле, изменяются согласно, поэтому при абсолютном разбросе температурного коэффициента сопротивления (ТКС) ДР, равном 0,15…0,3%/°С, ТКС для отношения сопротивлений не превышает ±0,01%. Разброс значений сопротивления относительно расчетных составляет ±(15…20)%, а разброс отношений сопротивлений сохраняется с существенно меньшим допуском (±3%). Для получения больших номиналов изготавливают резисторы с меньшей площадью сечения и большим удельным сопротивлением р слоя (пинч-резисторы), который делают слаболегированным. В этой разновидности ДР максимальное сопротивление может достигать значений 200—300 кОм даже при простейшей полосковой конфигурации. Однако разброс номиналов в пинч-резисторах достигает 50% из-за сильного влияния изменения толщины р-слоя при ТКС ~ 0,3…0,5%/°С. ВАХ пинч-резистора подобна ВАХ полевого транзистора при и_з = 0, поскольку у пинч-резисторов и р-слой соединены друг с другом металлизацией.

Малые значения сопротивлений (Я <100 Ом) целесообразно получать за счет использования низкоомного эмиттерного слоя, при этом удается получать минимальные номиналы в З…5 0 м с ТКС «0,01. .0,02% /°С.

Ионно-легированные резисторы получаются ионной имплантацией примеси. Они имеют структуру, подобную ДР, но глубина имплантированного р-слоя составляет 0,2…0,3 мкм, что значительно меньше глубины базового слоя. Ионная имплантация обеспечивает любую малую концентрацию примеси в слое. Перечисленные факторы позволяют формировать номиналы сопротивлений в сотни килоом, с ТКС «3…5%/°С и разбросом сопротивлений меньше ±(5…10)%.

Характерной особенностью любого интегрального резистора является наличие у него паразитной емкости относительно подложки или изолирующего кармана. Совокупность резистора и паразитной емкости формирует собой распределенную ЯС-линию. Однако обычно пользуются П-образными и Т-образными эквивалентными схемами с сосредоточенными, а не распределенными постоянными. В простейшем случае эквивалентная схема может выродиться в простую ЯС-цепочку с постоянной времени т = (½) ДС, где С — усредненная емкость р—л перехода; постоянной времени т соответствует граничная частота /_гр = 1/(2ят) = 1 /(лЯС). Следовательно, полупроводниковый резистор ИС представляет собой активное сопротивление до частот, заметно меньших /, а при / > /_гр его сопротивление является комплексным, что может сильно сказаться на работе ИС. В ИС с диэлектрической изоляцией постоянная времени обычно в несколько раз меньше.

Интегральные полупроводниковые конденсаторы. В конденсаторах полупроводниковых ИС в качестве диэлектрика выступает обедненный слой обратносмещенного р—п перехода, а в роли обкладок — высоколегированные полупроводниковые области или напыленные металлические пленки. Можно выделить три типа конденсаторов ИС: диффузионные, МДП и тонкопленочные МДМ.

Для формирования диффузионных конденсаторов (ДК) используются барьерные емкости обратносмещенных р—п-переходов, где хотя бы один из слоев является диффузионным (откуда и название диффузионные). Эмиттерный переход в интегральном биполярном транзисторе обладает наибольшей удельной емкостью (на единицу площади), но малым напряжением и низкой добротностью. Поэтому наиболее часто применяется коллекторный переход, который в целом формирует конденсаторы с лучшими параметрами. Поскольку емкость ДК зависит от напряжения, то они имеют нелинейную ВФХ. Такие конденсаторы находят применение в параметрических усилителях, умножителях частоты и т. д. Если на переход подать постоянное смещение, величина которого больше амплитуды переменного сигнала, то емкость перехода С_бар будет постоянной. Такие конденсаторы пропускают переменные сигналы без искажения. Возможность изменения С_бар с изменением напряжения позволяет использовать ДК в качестве управляемой емкости.

МОП-конденсатор принципиально отличается от ДК. Обычно при его создании над эмиттерным л^-слоем (нижняя обкладка) выращивается слой тонкого окисла (~0,1мкм). На этот слой напыляется алюминиевая верхняя обкладка конденсатора. Важным преимуществом МОП-конденсатора по сравнению с ДК является возможность его работы при любой полярности напряжения, как и для обычного конденсатора. Емкость МОПконденсатора, как и ДК, зависит от напряжения на обкладках, поскольку эта емкость представляет последовательное соединение емкости диэлектрика и емкости обедненного слоя, который образуется в приповерхностной области полупроводника или появляется при отрицательном напряжении на А1-пленке. Если приповерхностная область обогащена электронами, что наблюдается при нулевых и положительных напряжениях, то емкость конденсатора определяется диэлектриком и имеет максимальное значение. Влияние обедненного слоя будет меньше при большой концентрации примеси полупроводника, когда емкость обедненного слоя будет максимальной. Именно поэтому в качестве второго электрода используется обогащенный эмиттерный слой.

Тонкопленочные МДМ-конденсаторы как элементы совмещенных ИС в качестве металлических обкладок используют алюминий или тантал. В роли диэлектриков выступают окислы этих металлов, в первом случае — А1₂0₃, а во втором — Та₂0₅. Диэлектрическая постоянная танталового окисла на порядок выше, чем у А1₂0₃ и других диэлектриков. Однако танталовые конденсаторы работают только на низких частотах. МДМ-конденсаторы, так же как МОП-конденсаторы, работают при любой полярности приложенного напряжения.