Полупроводниковые конденсаторы

В биполярных полупроводниковых ИМС роль конденсаторов иг­рают обратно смещенные р-n переходы. У таких конденсаторов хотя бы один из слоев является диффузионным, поэтому их называют диффузионными конденсаторами.

4.8.1 Диффузионный конденсатор.

Типичная структура диффузионного конденсатора, в котором используется переход коллектор - база, показана на рисунке 4.18а. Емкость такого конденсато­ра в общем случае имеет вид:

С = C₀×S, (4.3)

где С₀- удельная емкость р-n перехода, S-площадь конденсатора. Опти­мальной, конфигурацией является форма близкая к квадрату.

Например, если C₀ = 150 пФ/мм² и С =100 пФ, то S» 0,8 мм. Как ви­дим, размеры конденсатора получи­лись сравнимыми с размерами кристалла.

Используя не коллекторный, а эмиттерный р-n переход, можно обеспечить в 5-7 раз большие значения максимальной ем­кости. Это объясняется большей удельной емкостью эмиттерного перехода, поскольку он образован слоями с более высокой концентрацией, а, следовательно, меньшей толщиной р-n перехода. Возможно совместное использование эмиттерного и коллекторного переходов.

Рисунок 4.18

Основные параметры диффузионного конденсатора приведены в таблице 4.2 для обоих вариантов конденсаторов - с использованием коллекторного и эмиттерного переходов. Как видим, основное преимущество при исполь­зовании эмиттерного перехода - большие значения максималь­ной емкости. По пробивному напряжению этот вариант уступает варианту с использованием коллекторного перехода.

Эквивалентная схема конденсатора приведена на рисунке 4.18б.

Таблица 4.2

Необходимым условием для нормальной работы конденсатора является обратное смещение р-n перехода. Следовательно, напря­жение на конденсаторе должно иметь строго определенную полярность. Кроме того, емкость зависит от напряжения. Это значит, что конденсатор является нелинейным с вольт-фарадной характеристикой, как у варикапа. Однако чаще требуются линейные конденсаторы с постоянной емкостью, которые способны пропускать без искажения переменные сигналы и «блокировать» (т. е. не пропус­кать) постоянные составляющие сигналов, они успешно выполня­ет такую функцию при наличии постоянного смещения Е, превышающего амплитуду переменного сигнала.

С другой стороны, является возможность менять значение емкости, меняя смещение Е. Следовательно, конденсатор можно использо­вать не только в качестве «обычного» конденсатора с постоянной емкостью, но и в качестве конденсатора с электрически управляемой емкостью или, как говорят, конденсатора переменной емкости. Однако диапазон электрической регулировки ограничен: меняя смещение Е от 1 до 10 В можно изменить емкость конденсатора всего в 2-2,5 раза.

Из-за высокого сопротивления коллекторного n-слоя добротность таких конденсаторов низкая.

4.8.2 МОП-конденсатор.

Интегральным конденсатором, прин­ципиально отличным от диффузионного, является МОП-конденсатор. Его типич­ная структура показана на рисунке 4.18в. Здесь над эмиттерным n ⁺ - сло­ем с помощью дополнительных технологических процессов выра­щен слой тонкого (0,08-0,12 мкм) окисла. В дальнейшем, при осуществлении металлической разводки, на этот слой напыляется алюминиевая верхняя обкладка конденсатора. Нижней обкладкой служит эмиттерный n ⁺ - слой.

Основные параметры МОП-конденсаторов приведены в таблице 4.2. Добротность выше, так как сопротивление r значительно ниже из-за n⁺-слоя.

Важным преимуществом МОП-конденсаторов по сравнению с диффузионным является то, что они работают при любой полярности на­пряжения, т. е. аналогичны «обычному» конденсатору. Однако МОП-конденсатор, как и диффузионный, тоже нелинейный. Паразитная емкость МОП-конденсаторов учитывается с помощью уже известной эквивалентной схемы (рисунок 4.18г), где под емкостью С_П следует понимать емкость между n-карманом и р-подложкой.

В заключение заметим, что в МОП-транзисторных ИМС, в отли­чие от биполярных, 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.