Интегральные активные и пассивные элементы

Интегральными микросхемами (ИМС) на­зывают функциональные узлы РЭА, изготовленные мето­дом интегральной технологии, при которой совмещаются процессы изготовления входящих в узел элементов и процессы объединения их в функциональную конструк­тивно завершенную структуру.

По технологии изготовления интегральные микросхемы делятся на полупроводниковые, пленочные и гибридные.

Элементы полупроводниковых ИМС. Полупровод­никовыми называют такие интегральные микросхемы, в которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме полупроводника.

Активные и пассивные элементы полупроводниковых ИМС могут быть реализованы на основе биполярной транзисторной структуры (рис. 2.19, а).

Выводы эмиттера Э, коллектора К и базы Б лежат в одной плоскости с выводами других элементов. Такая конструкция назы­вается планарной. При планарной конструкции увеличи­вается длина пути протекания коллекторного тока и, следовательно, сопротивление этому току, что отрица­тельно сказывается на ряде параметров транзистора. Для уменьшения сопротивления коллекторной области в ней создают низкоомный скрытый слой n ⁺ -типа.

Иногда применяются БТ с двумя и более эмиттерами при одной общей базе и общем коллекторе (рис. 2.19, б). Такие транзисторы называют многоэмиттерными.

Интегральные БТ могут работать на частотах до 1 ГГц. Максимальные значения коллектороного тока и коллекторного напряжения не превышают соответственно 50 мА и 40 В, а обратные токи ЭДП составляют менее 10 нА. Коэффициент передачи тока базы чаще всего ле­жит в пределах от 20 до 50.

Диоды полупроводниковых ИМС также выполняются на основе биполярной транзисторной структуры, в кото­рой используется p-область и одна из n-областей. Дру­гая n-область либо не используется, либо соединяется электрически с р-областью или первой n-областью (рис. 22.20, а). Таким образом удается получить диоды с раз­личным быстродействием и различными пробивными напряжениями.

 

Структура интегрального МДП-транзистора дана на рис. 2.20, б. Так как электропроводности областей стока, канала и истока противоположны электропроводности подложки, то на границах этих областей с подложкой образуются изолирующие ЭДП, исключающие дополни­тельную изоляцию. Поэтому технология ИМС на МДП-транзисторах более простая, чем на БТ. Кроме того, площадь, занимаемая МДП-транзистором, значительно меньше площади БТ. Это позволяет в МДП-транзисторах получить большую плотность размещения элементов на подложке.

Из-за больших междуэлектродных емкостей рабочая частота интегральных МДП-транзисторов не превышает 10 МГц. Максимальные значения тока и напряжения стока не выше 10 мА и 30 В соответственно, а входное сопротивление постоянному току составляет десятки мегаом.

В качестве конденсаторов полупроводниковых ИМС обычно используют емкости обратно смещенных ЭДП (обычно коллекторный переход транзисторной структуры). Емкость такого конденсатора не превышает 100 пФ, доб­ротность— не более 10, допуск — до 30%, ТКС — до /°С. Лучшими параметрами обладают МДП-конден-саторы, в которых в качестве одной (нижней) обкладки используется эмиттерная область транзисторной структу­ры, а в качестве второй (верхней) — металлическая пленка, отделенная от первой обкладки диэлектрической пленкой оксида кремния.

В полупроводниковых ИМС резистором может служить одна из областей биполярной транзисторной структуры (диффузионные резисторы) или канал МДП-транзи­стора. Диффузионные резисторы, использующие базо­вую область транзисторной структуры, имеют сопротив­ление от 100 Ом до 20 кОм. Резисторы, использующие эмиттерную область, являются низкоомными: их сопро­тивления составляют от 2 до 30 Ом.

Элементы пленочных ИМС. Пленочные интег­ральные микросхемы — это ИМС, все элементы и меж­элементные соединения которых выполнены в виде пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку. В качестве подложки используются такие диэлектрики, как стекло, ситалл, сапфир, керамика.

В современных ИМС широко применяются пленочные пассивные элементы: резисторы, конденсаторы, иногда катушки индуктивности, а также пленочные проводники, осуществляющие связь между элементами. Технология производства пока не позволяет создавать пленочные активные элементы с приемлемыми параметрами.

Пленочный конденсатор имеет структуру металл — диэлектрик — металл. Такая структура получается путем последовательного напыления на диэлектрическую под­ложку трех тонких пленок: проводящей, диэлектрической и снова проводящей. Емкость пленочного конденсатора достигает 500 пФ при допуске (5... 10) %, добротность — до 100, ТКС —до /°С.

Пленочный резистор представляет собой токопрово-дящую дорожку из пленки высокоомного металла или сплава, нанесенной на диэлектрическую подложку. Сопро­тивление пленочного резистора может составлять не­сколько десятков килоом.

Индуктивные элементы с индуктивностью до 20 мкГн выполняются в виде плоских многовитковых спиралей. Добротность таких индуктивных элементов не превы­шает 50, поэтому они применяются редко.

Элемены гибридных ИМС. Гибридными инте­гральными микросхемами называют ИМС, у ко­торых пассивные элементы выполнены пленками на по­верхности диэлектрической подложки, а активные эле­менты размещены над ней в виде дискретных навесных деталей (компонентов). В качестве активных элементов гибридных ИМС могут служить бескорпусные полупро­водниковые интегральные микросхемы. Такую сложную гибридную микросхему называют микросборкой.

Контрольные вопросы и задания

1. Изобразите на одном графике ВАХ германиевого и кремниевого
выпрямительных диодов. Чем вызваны отличия прямых и обратных ветвей этих характеристик?

2. Чем ограничивается частотный диапазон полупроводниковых диодов? Каким образом его можно увеличить?

3. На использовании какого явления основана работа варикапа?

4. Поясните принцип стабилизации напряжения на нагрузке с помощью стабилитрона.

5. Назовите основные параметры кремниевых стабилитронов и стабисторов. Какие из них можно определить по ВАХ?

6. Изобразите схемы включения биполярных транзисторов типов р — n — р иn — р — n в режимах отсечки, насыщения и активном. В каком из этих режимов возможно эффективное управление коллек-торным током и почему?

7. Как определяются h-параметры по статическим гибридным характеристикам транзистора?

8. В чем отличия между динистором и диаком и между тринистором и триаком?

9. Поясните принцип управления током стока в полевом транзисторе с р — n-затвором и в МДП-транзисторе с индуцированным каналом.

10. Какие характеристики и параметры определяют основные свойства полевых транзисторов?

11. Какие явления определяют принцип работы светоизлучающего диода?

12. Перечислите основные типы приемников излучения и дайте им краткую характеристику.

13. Изобразите устройство активных и пассивных элементов по-лупроводниковых и пленочных ИМС.