В якості ємнісних елементів напівпровідникових ІМС використовують як МДН-конденсатори, так і дифузійні конденсатори на основі бар’єрної ємності обернено зміщеного p-n-переходу.
У МДН-конденсаторів (рис. 7.2.) одною із обкладинок є n+-шар 1, створений одночасно з емітерними областями біполярного транзистора або областями витоку і стоку МДНПТ. Ємність конденсатора розраховують за формулою (7.1). Відносна похибка ємності не перевищує ±(0,2 - 0,3).
В якості діелектрика 3 використовують діоксид силіцію SiO2 або складний діелектрик, що включає діоксид силіцію SiO2 і нітрид силіцію Si3N4. Ємність конденсатора залежить від площі верхньої обкладинки 2, яку виконують з алюмінію.
Для збільшення питомої ємності МДН-конденсатора товщину d діелектрика 3 вибирають мінімально можливою, але такою, що забезпечує необхідну робочу напругу (d = 0,05 - 0,2 мкм). Область 1 n+-типу має опір, який знижує добротність конденсатора на високих частотах, а бар'єрна ємність між шаром 1 і основою 4 СВ (паразитна ємність) відгалужує частину сигналу, що проходить через конденсатор, на основу. Для зменшення ефекту ділення сигналу ємність СВ має бути на порядок меншою основної ємності конденсатора. Обкладинки конденсаторів мають прямокутну або квадратну форму.
МДН-конденсатори мають хороші електричні характеристики, високу добротність (100 - 1000), широкий частотний діапазон і неполярні.
Дифузійні конденсатори створюють на основі бар'єрних ємностей p-n-переходів біполярних та МДН-транзисторів. Дифузійні конденсатори напівпровідникових ІМС є полярними елементами, величина ємності яких залежить від напруги зворотного зміщення. У якості конденсатора використовують p-n-переходи: колектор-основа, база-емітер, база-колектор, або обидва останні переходи, ввімкнені паралельно.
Питому ємність p-n-переходу за умов рівноваги визначають за виразом
| (7.36) |
де l0 - товщина області просторового заряду p-n-переходу за умов рівноваги.
Товщина ОПЗ l0 залежить від типу p-n-переходу. Якщо конденсатор створено на n+-p-переході база-емітер, який можемо розглядати як ступінчатий односторонній, товщину ОПЗ визначають за рівнянням:
 ,
| (7.37) |
де хp - товщина ОПЗ p-n-переходу в області p-типу (у базі); NA- концентрація акцепторної домішки в області бази; U0 - висота потенціального бар’єра переходу база-емітер.
P-n-перехід база-колектор розглядають як плавний. Питому ємність цього переходу розраховують за рівнянням:
| (7.38) |
де kг - градієнт різниці концентрацій домішок.
Питому ємність p-n-переходу за умов зовнішнього зміщення визначають за формулою
| (7.39) |
де U - напруга зовнішнього зміщення на p-n-переході; U0 - висота потенціального бар’єра; n- стала величина. Значення n = 2 відповідає ступінчатому p-n-переходу, а n = 3 - плавному p-n-переходу.
Таблиця 7.1. Питомі ємності і напруга пробою p-n-переходів
транзисторної структури напівпровідникових біполярних ІМС за умов рівноваги
| NN п/п | Площина p-n-переходу | Питомий опір колектора r = 0,1 Ом.см | Питомий опір колектора r = 1,2 Ом.см | ||
| C0, пФ/мм2 | UBR, B | C0, пФ/мм2 | UBR, B | ||
| Перехід база-емітер | |||||
| 1. | Горизонтальна | ||||
| 2. | Вертикальна (бокова) | ||||
| Перехід база-колектор | |||||
| 3. | Горизонтальна | ||||
| 4. | Вертикальна (бокова) | ||||
| Перехід колектор-основа | |||||
| 5. | Горизонтальна | ||||
| 6. | Вертикальна (бокова) |
Питомі ємності переходів транзисторної структури, виконаної за планарно-епітаксійною технологією з заглибленим n+-шаром і ізоляцією обернено зміщеним p-n-переходом за умов рівноваги наведені в табл.7.1. Відносна похибка ємності складає біля ± 0,2.
Для збільшення ємності конденсатора виводи емітера і колектора з’єднують між собою в транзисторній структурі БТ. Загальна ємність конденсатора дорівнює сумі ємностей переходів база-емітер і база-колектор, але пробивна напруга буде обмеженою величиною ~7 В.
