Резисторы и конденсаторы в «полупроводниковом» исполнении. Топологические решения и методы расчета (стр. 1 из 3)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

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

МИНСК, 2008

1. Конденсаторы

В качестве конденсаторов, т. е. пассивных элементов полупроводниковых ИМС, предназначенных для использования их .емкости, чаще всего находят применение обратно-смещенные р — п-gtреходы 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_горS_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_осостоит 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_овпостоянна 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^-41/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_квl/b (2.2)

Использование параметра удельного сопротивления р_кв предполагает, что толщина dтонкого 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)

Другим важным параметром резистора является температурный коэффициент сопротивления (ТКС):

(2.4)