Полупроводниковые конденсаторы

В полупроводниковых ИМС используют два типа конденсаторов: конденсаторы на основе обратносмещенных p-n-переходов (диффузионные конденсаторы) и конденсаторы со структурой металл—диэлектрик—подложка (МДП-конденсаторы).

Для формирования диффузионных конденсаторов может быть использован лю­бой из р-n-переходов типовой четырехслойной структуры (рис. 6.23). Особенно­стью таких конденсаторов является то, что их емкость зависит от величины при­ложенного обратного напряжения (табл. 6.4).

Таблица 6.4.Зависимость емкости от значения обратного напряжения

Переход Uобр, B C0, пФ/мм Примечания
Коллектор-база Nап=2,6*1015 см
-5 rп = 5*Ом*см
-10  
Эмиттер-база Nдк=1,2*1016 см
-2 ρк = 0,.5*Ом*см
-5 рsб = 200*Ом
Коллектор-подложка  
-5  
-10  

Наибольшую удельную барьерную емкость Со имеет переход эмиттер—база, од­нако низкое пробивное напряжение этого перехода (менее 10 В) ограничивает возможности его практического применения. Более широко применяются конден­саторы на основе перехода коллектор—база, так как эти переходы имеют более высокое пробивное напряжение (около 50 В). Конденсаторы, формируемые на переходе коллектор—подложка, имеют ограниченное применение, так как вывод подложки является общим для остальной части схемы. Практическое использо­вание конденсаторов на основе p-n-переходов требует учета паразитных элемен­тов структуры. На рис. 6.24 представлена эквивалентная схема конденсатора, вы­полненного на основе перехода коллектор—база, учитывающая то, что паразитный транзистор типа р-п-р находится в режиме отсечки, поэтому его переходы замене­ны диодами К—Б и К—П. В этой схеме рабочим конденсатором является Ск-б, а па­разитным — Ск-п. Эти два конденсатора образуют емкостный делитель напряжения, коэффициент передачи которого определяется отношением емкостей Ск-б / Ск-п и зависит от приложенных к конденсаторам обратных напряжений (рис. 6.25); чем больше отношение Ск-б / Ск-п тем больше коэффициент передачи К=- Uвых/Uвх.

Формируя конденсаторы на основеp-w-переходов, трудно получить большие зна­чения емкости, так как для этого требуются большие площади. Практически ем­кость таких конденсаторов не превышает 300 пФ с допуском ±20 %, Добротность из-за наличия сопротивления r'к (порядка 10-50 Ом) не превышает 10.

МДП-конденсаторы (рис. 6.26) отличаются лучшими электрическими характеристи­ками. В этих конденсаторах нижней обкладкой служит эмиттерный n+-слой, верх­ней — пленка алюминия, диэлектриком — слой SiO2 толщиной 0,05-0,1 мкм. Емкость такого конденсатора не зависит от полярности и величины приложенного напряже­ния. Практически удельная емкость составляет от 400 до 650 пФ/мм при допуске ±20 %.

Эквивалентная схема МДП-структуры показана на рис. 6.27. Она содержит рабо­чую емкость С, паразитную емкость Ск-п паразитное сопротивление эмиттерной области r'э и паразитный диод (эквивалент перехода коллектор-подложка). Кон­денсаторы С и Ск-п образуют емкостный делитель напряжения, коэффициент пере­дачи которого определяется отношением С/ Ск-п, зависящим от напряжения uк-п (рис. 6.28). Для повышения отношения С/ Ск-п необходимо подавать на n+-слой сравнительно высокое положительное напряжение. Добротность конденсатора определяется сопротивлением r'э, которое сравнительно невелико, поэтому значе­ние Q лежит в пределах от 10 до 100.

В ряде случаев в полупроводниковых ИМС на поверхности SiO2 формируют тонкопленочные конденсаторы, аналогичные по своей структуре конденсаторам ГИМС. В таких конденсаторах в качестве обкладок используют алюминий или тантал, а в качестве диэлектрика — А12О3 или Та2О5.

МДП-транзисторы ПП ИМС

Микросхемы на МДП-транзисторах имеют относительно простую структуру. В этих ИМС наиболее широко применяют МДП-транзисторы с индуцированным каналом n-типа. Транзисторы с каналами р-типа и со встроенными каналами ис­пользуются реже, в основном как пассивные элементы. МДП-транзисторы имеют меньшие по сравнению с биполярными транзисторами размеры, что позволяет значительно повысить степень интеграции.