Реферат: Резисторы и конденсаторы в «полупроводниковом» исполнении. Топологические решения и методы расчета

В качестве конденсаторов, т. е. пассивных элементов полупро­водниковых ИМС, предназначенных для использования их .емкос­ти, чаще всего находят применение обратно-смещенные р — п- gt реходы Кроме того, применяются структуры типа металл —ди­электрик .— полупроводник (МДП) (в том числе в биполярных микросхемах). Реже используются структуры типа металл — ди­электрик — металл (МДМ).

На рисунке 1.1 изображены структуры конденсаторов полупровод­никовых микросхем, а В таблице 1.1 представлены ориентировочныезначения их параметров

.

Рисунок 1.1. Структуры конденсаторов

полупроводниковых микросхем: а—на основе эмиттерного р—п -перехода транзистора; б—на основе коллекторного перехода: в - на основе р-n перехода кол­лектор—подложка; г-на основе парал­лельно включенных емкостей эмиттерного и коллекторного р— n-переходов; д— типа металл—диэлектрик—полупроводник.

Поскольку профиль распределения концентрации примесей в вертикальных (боковых) плоскостях пленарных р — n-переходов, полученных диффузией, значительно отличается от профиля рас­пределения в горизонтальной части р — n -переходов и аналитичес­кий расчет его затруднителен, В таблице приводятся ориентиро­вочные значения параметров для обоих случаев. Полная емкость.

Таблица 1.1

конденсатора при использовании данных Таблица рассчитывается в соответствии с соотношением

(1.1)

где С_огор , С_оверт и S_гор S_верт — удельные емкости и площади гори­зонтальных и вертикальных плоскостей р — «-переходов.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) конденсатора оп­ределяется выражением

(1.2)

где Т — температура.

Если в интервале температур (Т₂ —Т₁ ) изменение емкости (С₂ — С₁ )связано с изменением температуры линейной зависи­мостью, то ТКЕ описывается формулой

(1.3)

Для конденсаторов на основе р—переходов при обратных на­пряжениях порядка нескольких вольт ТКЕ составляет величину а_с = (2—5) 10⁴ 1/град.

Емкость конденсаторов типа металл — диэлектрик — полупро­водник рассчитывается следующим образом. Поскольку полная удельная емкость структуры типа МДП С_о состоит из последова­тельно включенных удельных емкостей диэлектрика С_Од и прост­ранственного заряда в полупроводнике С_0П) она может быть опре­делена согласно соотношению:

(1.4)

Удельная емкость диэлектрика является величиной постоянной, определяет максимальную удельную емкость всей структуры и рассчитывается по формуле

(1.5)

Где и — диэлектрическая проницаемость и толщина диэлект­рической пленки.

Емкость области пространственного заряда в поверхностном слое полупроводника зависит от приложенного к МДП-конденсатору напряжения.

Если знак и величина приложенного напряжения таковы, что на поверхности полупроводника образуется слой, обогащенный ос­новными носителями заряда, полная удельная емкость определяет­ся удельной емкостью диэлектрика, т. е. С₀ =С_0я . (Для структуры, изображенной на рисунке 1.1, д, это равенство будет выполняться при приложении к металлическому электроду, расположенному над окислом, достаточно большого по величине напряжения положи­тельного знака.)

При соответствующих знаке и достаточно большой величине при­ложенного напряжения в приповерхностном слое полупроводника под окислом может образоваться инверсионный слой, т. е. слой с обратной по отношению к нейтральному состоянию полупроводни­ка проводимостью. В условиях сильной инверсии удельная емкость пространственного заряда С_ов постоянна и может быть рассчитана так же, как емкость p—n перехода.

В условиях, промежуточных по отношению к описанным двум экстремальным случаям, полная удельная емкость МДП-конденсатора рассчитывается согласно соотношению

(1.6)

где N — концентрация примесей в полупроводнике; U — приложен­ное напряжение.

Рассмотренная зависимость емкости МДП-конденсатора на частотах выше 100 Гц от напряжения (вольт-фарадная характерис­тика) иллюстрируется Рисунок 3.1.2. Как видно из рисунка, при отрица­тельных напряжениях на металлическом электроде (для полупро­водника р-типа) удельная емкость определяется емкостью окисла, при значительных положительных на­пряжениях — емкостью простран­ственного заряда инверсионного слоя в полупроводнике, при проме­жуточных значениях напряжения она изменяется согласно соотношению (1.5).

Рисунок 1.2 Зависимость нормализо­ванной удельной емкости МДП-конденсатора от величины и зна­ка приложенного напряжения.

Ориентировочно структура типа МДП- (см. Рисунок 1.1, д) обладает ванной удельной емкости С₀ =400 — 600 пФ/мм² и пробивным напряжением U_пр =10—50 В. ТКЕ составляет величину около а_с =10^-4 1/град. Конденсаторы, как правило, не применяются в современных логических ИМС. В аналоговых микросхемах находят применение конденсаторы на основе р —«-переходов и иногда — в виде структур типов МДП или МДМ. В запоминающих устройствах (ЗУ) широко используются емкости р—n-переходов и МДП-структур.

2. Резисторы

В качестве резисторов, т. е. пассивных элементов ИМС, пред­назначенных для использования их электрического сопротивления, применяются обычно слои полупроводника, создаваемые с помощью диффузии примесей одновременно с коллекторными или базовыми областями транзисторов. Области, создаваемые вместе с эмиттера­ми транзисторов, применяются для этой цели реже, так как они имеют слишком малое удельное сопротивление.

При использовании в технологическом процессе производства ИМС ионной имплантации примесей резисторы могут создаваться как одновременно с изготовлением областей транзистора, так и независимо. Кроме того, возможно применение резисторов, полу­ченных путем вакуумного напыления на поверхность полупровод­никового кристалла тонких пленок металлов или сплавов (в этом случае микросхемы называются совмещенными). В последнее вре­мя получили развитие резисторы из поликристаллического крем­ния, нанесенного на поверхность кристалла.

Структуры резисторов, получаемых путем диффузии примесей, показаны на рисунке 1.1. Там же схематично показано распределение концентрации примесей в слоях полупровоадниковых структур, об­разующих резистор.

Если микросхема должна содержать резисторы с достаточно высоким сопротивлением (порядка нескольких десятков килоом и более), то изготовляются так называемые сжатые резисторы (пинч-резисторы). В варианте пинч-резистора, изображенного на рисунке 1.1, г, в качестве резистивного слоя используется базовый, а эмит-терный слой полностью перекрывает резистивную полоску и в полупроводниковой структуре непосредственно контактирует с кол­лекторным слоем. Соединенные таким образом коллекторный и эмиттерный слои могут играть роль полевых затворов, если на них подавать обратное по отношению к резистивному слою смещение. Аналогичную конструкцию имеет пинч-резистор, в котором резис-тивным слоем является коллекторная область транзистора (Рисунок 1.3 б).бОдним из основных параметров, характеризующих резистор, является сопротивление квадрата площади резистивного слоя ркв. Поясним смысл этого параметра, используя известную формулу для расчета электрического сопротивления R :

R = pl/(bd) (2.1)

где р — объемное удельное сопротивление, Ом-см; l — длина, см;

bud — размеры поперечного сечения (ширина и толщина) резистивного слоя, см.

Обозначим отношение p/d = p_KB , получив таким образом указанный параметр, измеряемый в Ом/кв. Формула примет вид,

R=p_кв l/b (2.2)

Использование параметра удельного сопротивления р_кв предполагает, что толщина d тонкого слоя или пленки фиксирована. Другими словами, сравнение удельных сопротивлений тонких слоев ] пленок может производиться по данному параметру исключительно при фиксированной (но не обязательно одинаковой) их толщин?

Введем понятие коэффициента формы резистора k _ф — 1/ b , с учетом которого формула преобразуется к виду

(2.3)

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--