4.6.3 Мноп-транзистор.

Особое место среди МДП-транзисторов занимает так называемый МНОП-транзистор, у которого диэлектрик имеет структуру «сэндвича», состоящего из слоев нит­рида и окисла кремния (рисунок 4.16б). Слой окисла получается путем термического окисления и имеет толщину 2-5 нм, а слой нитрида - путем реактивного напыления и имеет толщину 0,05-0,1 мкм, достаточную для того, чтобы пробивное напряжение превышало 50-70 В.

Главная особенность МНОП-транзистора состоит в том, что его пороговое напряжение можно менять, подавая на затвор короткие импульсы (100 мкс) напряжения разной полярности, с большой амплитудой (30-50 В). Так, при подаче импульса - 30 В устанав­ливается пороговое напряжение U_ЗИО=4В (рисунок 4.16в). Это значение сохраняется при дальнейшем использовании транзистора в режиме малых сигналов (U_ЗИ  10 В); в таком режиме МНОП-транзистор ведет себя как обычный МДП-транзистор с индуциро­ванным p-каналом. Если теперь подать импульс +30 В, то порого­вое напряжение сделается равным U_ЗИ0= 20 В и, следовательно, сигналы U_ЗИ=10В не смогут вывести транзистор из запертого состояния. Как видим, благодаря гистерезиcной зави­симости U_ЗИ0 МНОП-транзистор можно с помощью больших управляющих импульсов переводить из рабочего в запертое состо­яние и обратно. Эта возможность используется в интегральных запоминающих устройствах.

В основе работы МНОП-транзистора лежит накопление заряда на границе нитридного и оксидного слоев. Это накопление есть результат неодинаковых токов проводимости в том и другом слоях, где оба тока зависят от напряжения на затворе и меняются в про­цессе накопления заряда. При большом отрицательном напряжении U₃ на границе накапливается положительный заряд. Это сопровождается уменьшением порогового напряжения. При боль­шом положительном напряжении U_ЗИ на границе накап­ливается отрицательный заряд. Это приводит к увеличению порогового напряжения.

При малых напряжениях U_ЗИ токи в диэлектрических слоях умень­шаются на 10 - 15 порядков , так что накопленный заряд сохра­няется в течение десятков тысяч часов. Вместе с ним сохраняется и порого­вое напряжение.

4.7 Полупроводниковые резисторы

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

4.7.1 Диффузионные резисторы.

Для диффузионных резисторов чаще всего используется полоска базового р-слоя с двумя омичес­кими контактами (рисунки 4.17а и б), расположенного в коллекторном n-слое. Для изоляции резисторов на n-слой подается максимальное положительное напряжение.

Рисунок 4.17

Для такой полосковой конфигурации сопротивление резистора записывается в виде , (4. 1)

где - удельное сопротивление полупроводника, l, b, d – длина, ширина и глубина резистивного слоя (рисунок 4.17а и б). Поскольку удельное сопротивление и глубина р-слоя у всех резисторов одинаковы, то обозначим R_S =/d и назовем это - удельное сопротивление слоя. Отношение l/b называется коэффициент формы резистора К_Ф. Тогда

R=R_SК_Ф. (4.2)

И длина, и ширина резистора ограничены. Длина l не мо­жет превышать размеров кристалла, т. е. лежит в пределах 1-5 мм. Ширина b ограничена возможностями фотолитографии, боковой диффузией, а также допустимым разбросом (10—20%). Практичес­ки минимальная ширина составляет 10-15 мкм.

Подставляя в (4.2) значения R_S=200 Ом/ и l/b =50, по­лучаем максимальное значение сопротивления R_МАКС=10 KOм. Это значение можно повысить в 2-3 раза, используя не полосковую, а зигзагообразную конфигурацию резистора (рисунок 4.17в).

Количество «петель» в ко­нечном счете, ограничено пло­щадью, отводимой под резистор. Обычно n  3, в противном случае площадь резистора может достигать 15-20% площади всего кристалла. Максимальное сопротивление при

n= 3 не превышает 20-30 кОм.

Температурный коэффи­циент резистора, вы­полненного на основе базово­го слоя, составляет 0,15- 0,30%/⁰С, в зависимости от значения R_S. 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 играет важную роль и ши­роко используется при разра­ботке ИМС.

Если необходимые номиналы сопротивлений превышают20-30 кОм, можно использовать так называемые пинч-резисторы. Струк­тура пинч-резистора показана на рисунке 4.17г. По сравнению с про­стейшим резистором пинч-резистор имеет меньшую площадь се­чения и большее удельное сопротивление (так как используется донная, т. е. слабо легированная часть базового р-слоя). Поэтому у пинч-резисторов удельное сопротивление слоя R_S обычно составляет 2-5 кОм/ и более, в зависимости от толщины. При таком значении R_S максимальное сопротивление может достигать значений 200-300 кОм даже при простейшей полосковой конфигурации.

Недостатками пинч-резисторов являются: больший разброс номиналов (до 50%) из-за сильного влияния изменения толщины р-слоя, больший температур- ный коэффициент сопротивления (0,3- 0,5%/°С) из-за меньшей степени леги -рования донной части р-слоя, нелинейность вольтамперной характеристики при напряжениях более 1-1,5 В. Последняя особенность вытекает из аналогии между структурами пинч-резистора и полевого транзистора. ВАХ пинч-резис- тора совпадает с ВАХ полевого тран­зистора, если напряжение на затворе последнего по­ложить равным нулю (поскольку у пинч-резистора слои n⁺ и р соединены друг с другом металлизацией). Пробивное напряжение пинч-резисторов определяется пробивным напряжением эмиттерного перехода (обычно 5-7 В).

Если необходимые номиналы сопротивлений составляют 100 Ом и менее, то использование базового слоя нецелесообразно, так как ширина резистора должна быть меньше его длины, что конструктивно трудно осуществить. Для получения резисторов с малыми номиналами сопротивлений используют низкоомный эмиттерный слой. При значениях R_S= 5-15 Ом/, свой­ственных этому слою, удается получить минималь­ные сопротивления 3-5 Ом с температурным коэффициентом 0,01- 0,02%/°С.