4.7. Интегральные диоды.

В качестве диода можно использовать любой из двух p-n-переходов, расположенных в изолирующем кармане: эмиттерный или коллекторный. Можно также использовать их комбинации. Поэтому по существу интегральный диод представляет собой диодное включение интегрального транзистора.

Пять возможных вариантов диодного включения транзистора показаны на рис. 4.16. В табл. 4.1 приведены типичные параметры этих вариантов. Для них приняты следующие обозначения: до черточки стоит обозначение анода, после черточки — катода; если два слоя соединены, их обозначения пишутся слитно. Из табл. 4.1 видно, что варианты различаются как по статическим, так и по динамическим параметрам.

Пробивные напряжения зависят от используемого перехода: они меньше у тех вариантов, в которых используется эмиттерный переход (см. табл. 7.2).

Обратные токи (без учета токов утечки) — это токи термогенерации в переходах. Они зависят от объема перехода и, следовательно, меньше у тех вариантов, у которых используется только эмиттерный переход, имеющий наименьшую площадь.

Емкость диода (т.е. емкость между анодом и катодом) зависит от площади используемых переходов; поэтому она максимальна при их параллельном соединении (вариант Б-ЭК). Паразитная емкость на подложку шунтирует на «землю» анод или катод диода (считается, что подложка заземлена). Емкость , как правило, совпадает с емкостью , с которой мы встретились при рассмотрении n-p-n-транзистора (рис. 4.13, б). Однако у варианта Б-Э емкости и оказываются включенными последовательно и результирующая емкость минимальна.

Время восстановления обратного тока (т.е. время переключения диода из открытого в закрытое состояние) минимально у варианта БК-Э; у этого варианта заряд накапливается только в базовом слое (так как коллекторный переход закорочен). У других вариантов заряд накапливается не только в базе, но и в коллекторе, так что для рассасывания заряда требуется большее время.

Таблица 4.1. Типичные параметры интегральных диодов

Параметр	Тип диода
	БК-Э	Б-Э	БЭ-К	Б-К	Б-ЭК
	7-8	7-8	40-50	40-50	7-8
	0,5-1	0,5-1	15-30	15-30	20-40
	0,5	0,5	0,7	0,7	1,2
	3	1,2	3	3	3
	10	50	50	75	100

Сравнивая отдельные варианты, приходим к выводу, что в целом оптимальными вариантами являются БК—Э и Б—Э. Малые пробивные напряжения этих вариантов не играют существенной роли в низковольтных ИС. Чаще всего используется вариант БК-Э.

4.8. Полупроводниковые резисторы.

Первоначально в полупроводниковых ИС применялись только диффузионные резисторы (ДР), основу которых составлял один из диффузионных слоев, расположенных в изолированном кармане. В настоящее время большое распространение получили также ионно-имплантированные резисторы.

Диффузионные резисторы. Для диффузионных резисторов чаще всего используется полоска базового слоя с двумя омическими контактами (рис. 4.17, а).

Пусть имеется прямоугольная полоска материала длиной a, шириной b и толщиной d. Если ток протекает вдоль полоски (т.е. параллельно ее поверхности), то сопротивление полоски можно записать в виде:

, (4.1)

где .

При условии прямоугольная полоска принимает квадратную форму, а ее сопротивление делается равным . Значит, величину можно определить как продольное сопротивление слоя или пленки квадратной конфигурации. Чтобы подчеркнуть последнюю оговорку, вместо истинной размерности «Ом» пишут «Ом/». Зная величину , легко рассчитать сопротивление слоя или пленки прямоугольной конфигурации по известным значениям a и b. Для полосковой конфигурации сопротивление ДР согласно (4.1) записывается в виде

, (4.2)

где удельное сопротивление слоя, а размеры a и b показаны на рис. 4.17,б.

И длина, и ширина полоскового ДР ограничены. Длина а не может превышать размеров кристалла. Ширина b ограничена возможностями фотолитографии, боковой диффузией, а также допустимым разбросом (10-20%). Подставляя в (4.2) значения = 200 Ом/ и = 100, получаем типичное значение максимального сопротивления = 20 кОм. Это значение можно повысить в 2-3 раза, используя не полосковую, а зигзагообразную конфигурацию ДР (рис. 4.17, б). Количество «петель» n, в конечном счете, ограничено площадью, отводимой под ДР. Обычно n < 3, в противном случае площадь резистора может достигать 15—20 % площади всего кристалла. Максимальное сопротивление при n=3 не превышает 50-60 кОм.

Температурный коэффициент сопротивления ДР, выполненного на основе базового слоя, составляет 0,15 – 0,30 %/°С, в зависимости от значения . Разброс сопротивлений относительно расчетного номинала составляет ± (15–20) %. При этом сопротивления резисторов, расположенных на одном кристалле, меняются в одну и ту же сторону. Поэтому отношение сопротивлений сохраняется с гораздо меньшим допуском (± 3 % и менее), а температурный коэффициент для отношения сопротивлений не превышает ±0,01 %/°С . Эта особенность ДР играет важную роль и широко используется при разработке ИС.

Ионно-легированные резисторы. За последнее время все большее распространение получают ионно-легированные резисторы, которые в отличие от ДР получаются не диффузией, а локальной ионной имплантацией примеси

Структура ионно-легированного резистора такая же, как ДР (рис. 4.18), но глубина имплантированного р-слоя значительно меньше глубины базового слоя и составляет всего 0,2—0,3 мкм. Кроме того, ионная имплантация позволяет обеспечить сколь угодно малую концентрацию примеси в слое. Оба фактора способствуют получению весьма высоких удельных сопротивлений слоя – до 10-20 кОм/. При этом номиналы сопротивлений могут составлять сотни кОм. ТКС меньше, чем у ДР, и лежит в пределах 3–5 %/°С, а разброс сопротивлений не превышает ± (5–10)%.

Поскольку толщина имплантированного слоя мала, к нему трудно осуществить омические контакты. Поэтому по краям резистивного слоя на этапе базовой диффузии создают узкие диффузионные p-слои, к которым омический контакт осуществляется обычным способом .

Эквивалентные схемы. Характерной особенностью любого интегрального резистора является наличие у него паразитной емкости относительно подложки или изолирующего кармана. В простейшем ДР (рис. 4.17) такой паразитной емкостью является барьерная емкость перехода между рабочим p-слоем и эпитаксиальным n-слоем кармана.

Строго говоря, совокупность резистора и паразитной емкости представляет собой распределенную RC-линию (рис. 4.19).

Однако для приближенных расчетов удобнее пользоваться эквивалентными схемами с сосредоточенными постоянными: П-образной (рис. 4.20, а) или Т-образной схемой (рис. 4.20, б). На этих схемах R – сопротивление резистора, С – усредненная емкость перехода. Необходимость усреднения емкости объясняется следующим. При протекании тока через резистор потенциал р-слоя оказывается разным в разных точках. Поскольку потенциал n-слоя постоянный, напряжение на p-n-переходе будет меняться вдоль оси у, а, следовательно, будет меняться и барьерная емкость.

В типичном случае, когда один из зажимов резистора (например, 2) находится под постоянным потенциалом, а через другой зажим (1) задается ступенька тока, эквивалентная П-образная схема сводится к простейшей RС-цепочке, показанной на рис. 4.20, в . Сущность переходного процесса состоит в плавном изменении напряжения на резисторе при скачкообразном изменении тока. Постоянная времени, определяющая длительность переходного процесса, имеет вид , а соответствующая граничная частота . Для значений R = 10 кОм и С = 1,3 пФ получаем: =6,5 нc и 25 МГц. Это значит, что в данном примере резистор выполняет свою функцию (т.е. имеет чисто активное сопротивление) только до частот 1015 МГц. При более высоких частотах его сопротивление становится комплексным и работа схемы, в которой он используется, может существенно измениться.

Рассмотренные эквивалентные схемы действительны и для других вариантов резисторов: когда рабочими являются эмиттерный или коллекторный слой, а также при диэлектрической изоляции элементов. Однако количественные результаты оказываются разными. Например, при использовании диэлектрической изоляции постоянная времени может быть в несколько раз меньше.