14.  Пассивные элементы полупроводниковых ИС.

Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы) полупроводниковых ИС, выполненных по биполярной технологии, как правило, по площади значительно превышают транзисторы и диоды. Поэтому ИС проектируют так, чтобы количество пассивных элементов было минимально, а их номиналы были небольшими. Иногда вместо полупроводниковых резисторов и конденсаторов применяют тонкопленочные либо навесные элементы с лучшими параметрами, однако при этом технологический процесс усложняется.

6.2.1. Полупроводниковые резисторы. Для упрощения технологии в качестве резисторов широко используются базовые слои p-типа с удельным сопротивлением =100...300œ. Рассмотрим структуру полупроводникового резистора, выполненного по изопланарной технологии, приведенную на рис. 6.13, а.

Резистивный слой p-типа (заштрихован) толщиной 1...2 мкм размещен в кармане n-типа, изолированном с боковых сторон двуокисью кремния. На концах резистивного слоя созданы контакты 1 и 2. Для повышения сопротивления () ширину слоя  выбирают минимальной, а длину  максимальной (рис. 6.13,  б).

И длина, и ширина резистора ограничены. Длина  не может превышать размеры кристалла. Ширина  ограничена возможностями фотолитографии, боковой диффузией, а также допустимым разбросом. Резисторы с большими сопротивлениями выполняют в виде меандра (рис. 6.13, в), а с малыми - в виде  широких полосок (рис. 6.13, г). Для изоляции  p-слоя p-n-переход между слоями p и n смещают в обратном направлении. Для этого область кармана n-типа с помощью контакта 3 подключается к положительному полюсу источника питания.

 

Рис. 6.13. Полупроводниковый резистор на основе базового слоя: а - структура; б, в, г - вид в плане

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) резисторов, выполненных на основе базового слоя, составляет 0.1...0.3. Разброс сопротивлений относительно расчетного номинала - 10...15 %. При этом сопротивление резисторов, расположенных на одном кристалле, меняется в одну и ту же сторону. Поэтому разброс отношения сопротивлений резисторов на одном кристалле менее 0.1 %, а их ТКС менее 0.01.

Барьерная емкость изолирующего p-n-перехода создает паразитную емкость слоя резистора с карманом n-типа. Эквивалентные схемы полупроводникового резистора с учетом паразитной емкости приведены на рис. 6.14.

На этих схемах - сопротивление резистивного слоя между контактами 1 и 2, - усредненная емкость перехода.

 

 

 

 

 

Рис. 6.14. Эквивалентные схемы полупроводникового резистора: а - П-образная; б - Т-образная

Граничная частота резистора равна:

(6.1)

и лежит в пределах нескольких мегагерц.

Для создания резисторов с большим номиналом (десятки килоом) применяют ионное легирование, не связанное с формированием базового слоя. С помощью  ионного легирования можно создавать очень тонкий (0.1...0.2 мкм) резистивный слой (рис. 6.15) с сопротивлением до 20 кОм/œ.

 

Рис. 6.15. Ионно-легированный резистор

Для получения контактов на его концах формируют более толстые области -типа. Технологический разброс сопротивлений ионно-легированных резисторов около 6 %, ТКС=0.1 .

Резисторы с малым сопротивлением (единицы Ом) получают на основе эмиттерных слоев -типа, имеющих =2...3 Ом/œ, ТКС=0.01, .

6.2.2. Полупроводниковые конденсаторы. В первых полупроводниковых ИС, выполненных по биполярной технологии, в качестве конденсаторов применялись обратно смещенные p-n-переходы (эмиттерный и коллекторный). Такие конденсаторы, называемые диффузионными, могут работать только при одной полярности приложенного напряжения (обратного для p-n-перехода) и обладают рядом существенных недостатков. Во-первых, их емкость зависит от величины приложенного напряжения, во-вторых, добротность их мала как на низких частотах из-за влияния сопротивления перехода, так и на высоких частотах из-за влияния сопротивления слоев транзистора. Рабочие частоты диффузионных конденсаторов лежат в диапазоне 500 Гц...1 МГц при добротности 20...100.

Гораздо лучшими характеристиками обладает так называемый МОП - конденсатор. Структура его приведена на рис. 6.16, а.

 

Рис. 6.16. МОП-конденсатор: а - структура; б - эквивалентная схема

Одной из обкладок является -слой контакт, другой - слой металла (обычно алюминия) контакт 1, а диэлектриком - слой двуокиси кремния. Слой -типа формируется одновременно с эмиттерным. Топологическая конфигурация конденсатора - квадратная или прямоугольная. Для увеличения удельной емкости толщина слоя диоксида выбирается минимально возможной, исходя из условия отсутствия пробоя (около 0.08...0.12 мкм). Значение удельной емкости - 300...400 .

Эквивалентная схема конденсатора приведена на рис. 6.16, б. Полезная емкость конденсатора обозначена , - паразитная емкость между -слоем и подложкой (барьерная емкость изолирующего          p-n-перехода), - сопротивление -слоя. Обычно паразитная емкость в пять - семь раз меньше полезной. Сопротивление ограничивает добротность на высоких частотах. Максимальное значение емкости МОП-конденсатора около 500 пФ, рабочий диапазон частот превышает сотни мегагерц при добротности 200...500.