Полупроводниковые конденсаторы

В полупроводниковых ИМС используют два типа конденсаторов: конденсаторы на основе обратносмещенных p-n-переходов (диффузионные конденсаторы) и конденсаторы со структурой металл—диэлектрик—подложка (МДП-конденсаторы).

Для формирования диффузионных конденсаторов может быть использован лю­бой из р-n-переходов типовой четырехслойной структуры (рис. 6.23). Особенно­стью таких конденсаторов является то, что их емкость зависит от величины при­ложенного обратного напряжения (табл. 6.4).

Таблица 6.4. Зависимость емкости от значения обратного напряжения

Наибольшую удельную барьерную емкость С_о имеет переход эмиттер—база, од­нако низкое пробивное напряжение этого перехода (менее 10 В) ограничивает возможности его практического применения. Более широко применяются конден­саторы на основе перехода коллектор—база, так как эти переходы имеют более высокое пробивное напряжение (около 50 В). Конденсаторы, формируемые на переходе коллектор—подложка, имеют ограниченное применение, так как вывод подложки является общим для остальной части схемы. Практическое использо­вание конденсаторов на основе p-n-переходов требует учета паразитных элемен­тов структуры. На рис. 6.24 представлена эквивалентная схема конденсатора, вы­полненного на основе перехода коллектор—база, учитывающая то, что паразитный транзистор типа р-п-р находится в режиме отсечки, поэтому его переходы замене­ны диодами К—Б и К—П. В этой схеме рабочим конденсатором является С_к-б, а па­разитным — С_к-п. Эти два конденсатора образуют емкостный делитель напряжения, коэффициент передачи которого определяется отношением емкостей С_к-б / С_к-п и зависит от приложенных к конденсаторам обратных напряжений (рис. 6.25); чем больше отношение С_к-б / С_к-п тем больше коэффициент передачи К=- U_вых / U_вх.

Формируя конденсаторы на основеp-w-переходов, трудно получить большие зна­чения емкости, так как для этого требуются большие площади. Практически ем­кость таких конденсаторов не превышает 300 пФ с допуском ±20 %, Добротность из-за наличия сопротивления r'_к (порядка 10-50 Ом) не превышает 10.

МДП-конденсаторы (рис. 6.26) отличаются лучшими электрическими характеристи­ками. В этих конденсаторах нижней обкладкой служит эмиттерный n⁺-слой, верх­ней — пленка алюминия, диэлектриком — слой SiO₂ толщиной 0,05-0,1 мкм. Емкость такого конденсатора не зависит от полярности и величины приложенного напряже­ния. Практически удельная емкость составляет от 400 до 650 пФ/мм при допуске ±20 %.

Эквивалентная схема МДП-структуры показана на рис. 6.27. Она содержит рабо­чую емкость С, паразитную емкость С_к-п паразитное сопротивление эмиттерной области r'_э и паразитный диод (эквивалент перехода коллектор-подложка). Кон­денсаторы С и С_к-п образуют емкостный делитель напряжения, коэффициент пере­дачи которого определяется отношением С/ С_к-п, зависящим от напряжения u_к-п (рис. 6.28). Для повышения отношения С/ С_к-п необходимо подавать на n+-слой сравнительно высокое положительное напряжение. Добротность конденсатора определяется сопротивлением r'_э, которое сравнительно невелико, поэтому значе­ние Q лежит в пределах от 10 до 100.

В ряде случаев в полупроводниковых ИМС на поверхности SiO₂ формируют тонкопленочные конденсаторы, аналогичные по своей структуре конденсаторам ГИМС. В таких конденсаторах в качестве обкладок используют алюминий или тантал, а в качестве диэлектрика — А1₂О₃ или Та₂О₅.

МДП-транзисторы ПП ИМС

Микросхемы на МДП-транзисторах имеют относительно простую структуру. В этих ИМС наиболее широко применяют МДП-транзисторы с индуцированным каналом n-типа. Транзисторы с каналами р-типа и со встроенными каналами ис­пользуются реже, в основном как пассивные элементы. МДП-транзисторы имеют меньшие по сравнению с биполярными транзисторами размеры, что позволяет значительно повысить степень интеграции.