Главная  Интегральный монолит 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [ 19 ] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84]

включения можно получить, присоединив управляющий электрод к любой из двух центральных зон. Инжектируя небольшой ток в управляющий электрод, напряжение включения можно поддерживать при значениях ниже икл, при этом получается дополнительная возможность регулирования прибором. Такой трехэлектродный р-п-р-п прибор известен как тиристор, или управляемый вентиль.

Четырехслойиый диод легко получается в интегральной структуре с изолированным переходом при использовании р-подложки, п-эпитак-сиального слоя, р-базы и эмиттерной /г-зоны обычного п-р-п транзи-

стора. Однако такую структуру нельзя непосредственно использовать, так как ее анод образован подложкой, которая должна иметь наибольший отрицательный потенциал в цепи, чтобы изолирующие переходы находились под обратным смещением.

На рис. 2-33 показана другая четырехслойная структура, в которой эта трудность преодолена путем использования диэлектрической изоляции. Такая структура получена на этапе р+-покрытия после изолирующего цикла травления, который предшествует этапам окисления и выращивания кристаллического кремния.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ: КОНДЕНСАТОРЫ И РЕЗИСТОРЫ

Выбор и количество видов пассивных элементов в интегральных схемах серьезно ограничены. Основным этапом в технологии интегральных схем является планарный процесс. Этот процесс хорошо освоен для активных приборов. Пассивным же . элементам вообще уделяется второстепенное значение. Одновременное создание активных и пассивных приборов в рамках одного технологического цикла требует ряда компромиссов как в части конструирования, так и исполнения. Это в свою очередь сказывается в ограничении размеров и видов пассивных элементов в монолитном оформлении. Некоторые пассивные элементы, такие, как индуктивности, вообще не совместимы с .микроминиатюризацией, а конденсаторы и резисторы имеют большие по абсолютной величине разбросы на номинальное значение и температурный дрейф. Кроме того, получение элементов возможно лишь в ограниченном диапазоне значений номиналов.

При переходе от схем на дискретных элементах к интегральным экономическая сторона конструиро-

вания часто существенно изменяется. В дискретных схемах стоимость и сложность изготовления зависят от необходимого числа активных приборов. В случае монолитного изготовления обычно предъявляются требования к абсолютной величине или размерам пассивных элементов, что может сделать процесс конструирования затруднительным или экономически нецелесообразным.

Несмотря на ограничения на размеры или допуски абсолютных значений, пассивные элементы в интегральных схемах обладают некоторыми преимуществами монолитных структур, такими, как хорошая воспроизводимость по величине и температурной зависимости. Во многих случаях путем соответствующего выбора элементов и подходов-к предполагаемому конструированию схем становится возможным преодолеть ограничения, накладываемые монолитным исполнением элементов. Схемная технология, используемая для этой цели, рассмотрена в последующих параграфах книги. Однако прежде чем приступить к обсуждению проблем конст-



руирования, необходимо, чтобы конструктор интегральных схем получил представление о типах пассивных элементов и их возможных величинах.

Цель этой главы: ознакомление конструктора с наиболее важными чертами пассивных элементов - конденсаторов и резисторов. Для большего удобства читателя сравнение между различными классами конденсаторов и резисторов дано в табличной форме.

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ

Наиболее существенные ограничения, накладываемые на величину емкости интегральных конденсаторов, связаны с их размерами. Общее выражение для емкости конденсатора с параллельны.ми обкладками может быть записано как

(3-1)

где Со - емкость на единицу площади, а S - площадь одной из обкладок. Величина Со обычно ограничена довольно узким диапазоном порядка 100-1000 пФ/мм в зависимости от вида диэлектрического материала в интегральной схеме и его пробивного напряжения. Таким образом, размер необходимой площади быстро увеличивается с увеличением требуемой величины емкости. Практический размер пластинки ограничивается производственными требованиями, что приводит к ограничению возможной величины емкости, которую можно получить Б монолитных схемах.

Конденсаторы в монолит;ых схемах бывают двух видов: на основе р-п перехода и тонкопленочные. Основные свойства каждого из них будут рассмотрены ниже.

3-1. КОНДЕНСАТОРЫ НА ОСНОВЕ р-п ПЕРЕХОДА

Приложение обратного смещения к переходу полупроводника заставляет носители тока удаляться от непосредственной области перехода.

Как показано на рис. 3-1, это приводит к созданию обедненного слоя некоторой ширины около перехода: Данная структура очень схожа с плоским конденсатором, где обкладки разделены общим обедненным слоем шириной х. Ширина обедненного слоя может быть выражена через общее напряжение на переходе (т. е. прикладываемое напряжение плюс образовавшийся потенциал) путем решения одномерного уравнения Пуассона. Можно показать, что условия нейтральности полного заряда требуют, чтобы равное количество положительных и отрицательных зарядов образовалось с каждой стороны перехода. Отсюда следует, что обедненный слой имеет тенденцию распространяться в более слаболегированную область перехода. Для структуры со ступенчатым переходом при авно-мерной концентрации примесей Np и Nn, атомов/см, с р- и п-сторон перехода ширина общего обедненного .слоя связана с общим приложенным напряжением U следующим соотношением:

NpN„ 2в \rNp-\-Nn

{х)\ (3-2)

где х=Хр+Хп - полная ширина обедненного слоя; е=еотнео - диэлектрическая постоянная кремния.

Для ступенчатого перехода условия нейтральности заряда также требуют, чтобы общая величина заряда с каждой стороны перехода была одинакова, т. е.

Nj,Xp=NnXn. (3-3)

Поскольку емкость на единицу площади конденсатора с параллель-

Рис. 3-1. Схематическое представление емкости на р-п переходе.



ными обкладками в зависимости от расстояния между пластинами х выражается как

C„ = -j-, (3-4)

емкость на единицу площади перехода можно связать с полным обратным смещением на переходе, исходя из уравнений (3-3) и (3-4):

feJC\ Змлптср Кал лектор

NpNn

2U \ Np + Nn

(3-5)

Для большинства переходов концентрации примеси с одной стороны перехода много выше, чем с другой. Это, в частности, имеет место в случае, когда одна сторона перехода, скажем р-сторона, образуется путем диффузии в однородный п-слой аналогично переходу база - коллектор п-р-п транзистора. В этом случае можно прибегнуть к аппроксимации ступенчатого перехода при NpNn. Тогда уравнение (3-3) можно привести к следующему виду:

(3-6)

для Лр>Л/

На рис. 3-2 показан график зависимости Со от общего напряжения перехода для различных значений концентрации примесей слаболегированной стороны перехода.

В общем случае зависимости от напряжения для большинства емкостей перехода, которые можно полу-

гооо

юсть обол

5 ~~

да* s

1 г 5 70 ZD 50 WO Напряжение иа переходе, В

Рис. 3-2. Зависимость емкости на единицу площади от напряжения для ступенчатого перехода.

jmuimneo пиллекн.

р-оодложка

/7777777777777777777777777777777777 а,) Аб

База о-

-О Эмиттер

-о Коллектор

-о Подложка

Рис. 3-3. Емкости иа р-п переходах в биполярных интегральных схемах, а -геометрия распслсження злементов прибора; б - эквивалентная схема.

чить С применением интегральной технологии, можно описать выражением вида

Coi(I/C/)", (3-7)

где показатель п заключен в узкой области значений 1/3<п<1/2, а Л- коэффициент пропорциональности, зависящий от концентрации примесей в окрестности перехода. Случай с п.= 1/2 соответствует структуре ступенчатого перехода, а с п=1/3- линейному распределению примесей. Распределения примесей диффузионных профилей, соответствующих гауссову распределению и функции ошибок, находятся между этими двумя предельными случаями.

В планарных зпитаксиальных интегральных схемах имеются три отдельных перехода, которые могут использоваться как конденсаторы. Как показано на рис. 3-3, это емкости база - эмиттер, база - коллектор, коллектор - подложка, связанные с интегральной п-р-п биполярной структурой. На рисунке также показана взаимосвязь этих трех конденсаторов, с каждым из которых в параллель включен диод для того, чтобы показать требования к полярности смещения для каждого конденсатора. Заметим, что каж-



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [ 19 ] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84]

0.0009