Диоды интегральных микросхем

В качестве диодов в полупроводниковых ИМС используются p-n-переходы, образованные двумя любыми соседними полупроводниковыми областями транзистора с различным типом проводимости, в том числе р-n-переходы, в которых одной из областей служит подложка. Используются также диоды со структурой металл - полупроводник, т.е. диоды Шоттки.

Для создания диодов часто применяется диодное включение транзисторов. Возможные варианты подобного включения показаны на рис. 113.

Две первые схемы включения (рис. 113, а, б) представляют собой использование в качестве диодов эмиттерного и коллекторного р-n-переходов транзистора. Схемы, представленные на рис. 113, реализуются путем соответствующей коммутации дорожек межсоединений в ИМС. Электрические параметры получаемых таким образом диодов различны. Например, наименьшим обратным пробивным напряжением обладают диоды в схемах а), в), д), поскольку определяющим в данном случае является сильнолегированный эмиттерный p-n-переход. Наибольшей емкостью обладает схема д), в связи, с чем интегральный диод данной конструкции имеет наихудшие динамические свойства, в частности наибольшее время восстановления обратного сопротивления. Наилучшими динамическими свойствами характеризуется диод по схеме в) поскольку короткозамкнутый коллекторный переход предотвращает накопление неосновных носителей заряда в коллекторной области при включении диода в прямом направлении.

a) б) в)

г) д) е)

Рисунок 113 – Диоды интегральных микросхем

Применяются в ИМС и «чистые» диоды. Они формируются также, как и транзисторы, с той разницей, что в местах изготовления диодов не проводится диффузия, формирующая эмиттер транзистора е. Получаемый таким образом p-n-переход, состоя­щий из слоев, которые образуются при базовой диффузии (p-слой), эпитаксии (n-слой) и формировании скрытого коллек­торного n⁺-слоя, используется как диод.

Интегральные диоды представляют собой многослойные структуры, характеристики которых определяются схемой включения транзисторной структуры. Определенное влияние оказывают паразитные транзисторы, которые образуются благодаря взаимодействию рабочих слоев с подложкой ИМС.

В частности, ток утечки диода в подложку определяется током коллектора паразитного транзистора.

Накопление носителей в коллекторной области в схеме а приводит к появлению плавающего потенциала у коллектора, который смещает переход коллектор - база в прямом направлении. Тогда база основного транзистора, являющаяся эмиттером паразитного транзистора, инжектирует носители через коллекторный слой в подложку. Из-за наличия тока утечки входной ток интегрального диода всегда отличается от ыходного тока. Быстродействие интегрального диода, определяемое зарядными емкостями переходов и временем рассасывания, также зависит от схемы , включения.

Пассивные элементы полупроводниковых ИМС

В полупроводниковых ИМС процесс производства пассивных элементов является более дорогостоящим, чем процесс производства активных элементов. При изготовлении дискретных элементов наблюдается противоположная закономерность. Площади пассивных элементов полупроводниковых ИМС превосходят площади активных элементов.

Для пассивных элементов полупроводниковых ИМС характерен значительный температурный дрейф номинальных значений, а также большие абсолютные разбросы. Кроме того, получение пассивных элементов возможно лишь в ограниченном диапазоне значений номиналов.

Резисторы полупроводниковых ИМС

В полупроводниковых ИМС функцию резистора выполняет объем полупроводника, имеющий определенные размеры и конфигурацию, или транзисторная схема (аналог резистора). Полупроводниковые резисторы могут быть разделены на следующие типы в зависимости от структуры: диффузионные, выполняемые на эпитаксиальном слое, пинч-резисторы, а также резисторы, изготовляемые методом ионного легирования. Все полупроводниковые резисторы, кроме последнего из перечисленных типов, из­готовляются одновременно с активными элементами ИМС без введения дополнительных этапов обработки. Они создаются на основе коллекторной, базовой или эмиттерной области транзистора. Чаще всего резисторы получают одновременно с диффузией примесей, в процессе которой создаются базовые области n-р-n-транзистора. В этом случае в качестве резистора используется область р-типа (рис. 114).

К слою n-типа прикладывается положительный потенциал, смещающий p-n-переход в обратном направлении. Обратносмещенный переход, обладающий большим сопротивлением, опреде­ляет границы диффузионной области и обеспечивает развязку по постоянному току между резистором и подложкой. На основе базового диффузионного слоя можно получать резисторы с номиналами сопротивлений в диапазоне от 30 Ом до 40 кОм. Для резисторов с номиналами от 3 Ом до 50 Ом целесообразно использовать эмиттерный диффузионный слой. Объемное сопротивление коллекторной области, формируемой на основе эпитаксиального n-слоя, можно использовать для получения некритичных резисторов с высокими номинальными значениями. Для получения рези­сторов с номиналами до сотен кОм используют также базовую область, находящуюся под эмиттерным диффузионным слоем. Структура такого резистивного элемента, называемого пинч-резистором, показана на рис. 115. Кроме того, высокоомные ре­зисторы можно получить, используя метод ионной имплантации.

Рисунок 114 – Резисторы ПП ИМС (используется область р- типа)

Рисунок 115 – Резисторы ПП ИМС ( пинч- резистор)

Диффузионные резисторы обладают положительным ТКС, значения которого в сильной степени определяются поверхностным сопротивлением. Это объясняется тем, что подвижность но­сителей зависит также и от концентрации носителей, уменьшаясь при увеличении концентрации. Для получения диффузионного резистора с малым ТКС необходимо использовать высоколегиро­ванные диффузионные области.

Диффузионные резисторы имеют ограниченную мощность рассеяния, так как чрезмерный нагрев может привести к нели­нейным ВАХ. Мощность, рассеиваемая резистором, зависит от ка­чества теплоотвода, т.е. от конструкции корпуса микросхемы.

Поскольку изоляция резисторов обеспечивается р-п-перехо­дом, то максимальное напряжение на резисторе ограничено напря­жением пробоя изолирующего перехода. Обычно изолирующий пе­реход смещен в обратном направлении, поэтому максимальное напряжение на резисторе должно быть меньше на величину смеще­ния изолирующего слоя.

Рисунок 116 – Упрощенная эквивалентная схема резистора

При проектировании диффузионных резисторов следует учи­тывать влияние паразитных элементов - распределенных емкос­тей и паразитного транзистора. На рис.116 представлена упро­щенная эквивалентная схема резистора, сформированного на основе базовой диффузии, в которой с известным допущением распределенный транзистор заменен сосредоточенным. Эквива­лентная схема содержит следующие элементы: R_кт - сопротивле­ние омических контактов резистора; R_б и R_к - сопротивления, соответственно характеризующие распределенные сопротивления эпитаксиального слоя и подложки; С_эб и С_кб - распределенные емкости р-n-переходов, R_т - паразитный транзистор p-n-p –типа.

Благодаря наличию распределенных емкостей диффузионный резистор имеет емкостную проводимость. Поэтому полное его сопротивление с повышением частоты уменьшается. Необходимо отметить, что влияние распределенных емкостей становится су­щественным на частотах, превышающих 10 Мгц.

Паразитный транзистор р-n-р -типа вызывает появление тока утечки в подложку. Как уже отмечаюсь, свести этот ток к минимуму можно, уменьшая коэффициент передачи тока паразитного тран­зистора технологическим способом, например легированием зо­лотом. Полное исключение паразитного транзистора достигается смещением диффузионного перехода резистора, т.е. эмиттерного перехода паразитного транзистора, в обратном направлении. Для этого в п-области (эпитаксиальный слой) создается омический контакт, присоединяемый к точке схемы с наиболее положитель­ным потенциалом.