Транзисторы типа n-p-n

Параметры интегральных диодов

Вариант включения	Значения параметров
	Пробивное напряжение Uпр, В	Обратный ток Iобр, нА	Емкость диода Сд, пФ	Паразитная емкость на подложку С0,пФ	Время вос- становления обратного тока tв, нс
БК – Э	7 – 8	0,5 - 1,0	0,5	3	10
БЭ – К	40 – 50	15 – 30	0,7	3	50
Б – ЭК	7 – 8	20 – 40	1,2	3	100
Б – Э	7 – 8	0,5 - 1,0	0,5	1,2	50
Б – К	40 – 50	15 – 30	0,7	3	75

 

 

Примечание: для обозначения вариантов диодного включения транзистора приняты следующие сокращения: слева от тире указывают обозначение анода, справа – катода; если две области транзистора соединены, их обозначения пишут слитно.

Из анализа таблицы видно, что варианты включения различаются по электрическим параметрам. Пробивные напряжения Uпр больше для вариантов с коллекторным переходом, обратные токи Iобр - для вариантов только с эмиттерным переходом, имеющим наименьшую площадь. Емкость диода между катодом и анодом Сд для варианта с наибольшей площадью переходов максимальна (Б - ЭК). Паразитная емкость на подложку С0 (считается, что подложка заземлена) минимальна для варианта Б - Э. Время восстановления обратного тока tв, характеризующее время переключения диода из открытого состояния в закрытое, минимально для варианта БК - Э, так как здесь заряд накапливается только в базе.

Оптимальными для ИМС вариантами включения являются БК - Э и Б - Э, причем чаще используется БК - Э. Пробивные напряжения (7 - 8 В) достаточны для использования этих вариантов в низковольтных ИМС.

10. Интегральные резисторы.

Резисторы ИМС формируют в любом из диффузионных слоев транзисторной структуры (эмиттерная и базовая области), в эпитаксиальном слое (коллекторная область) и с помощью ионного легирования.

Рассмотрим разновидности интегральных резисторов.

 

11. Диффузионные резисторы.

Диффузионные резисторы (ДР) изготовляют одновременно с базовой или эмиттерной областью. Сопротивление ДР представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного p-n-переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и распределением примеси по глубине диффузионного слоя, которое, в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротивлением ρs. Значение ρs является конструктивным параметром резистора, зависящим от технологических факторов (режима диффузии). При создании ИМС параметры диффузионных слоев оптимизируют с целью получения наилучших характеристик транзисторов типа n-p-n, поэтому параметры ДР улучшают не варьированием технологических режимов, а выбором конфигурации и геометрических размеров резистора. Низкоомные (десятки ом) резисторы имеют малое отношение l/b. Форму и размеры контактов к ним выбирают такими, чтобы сопротивление приконтактных областей было значительно меньше сопротивления основной области резистора. Резисторы с сопротивлением от сотен ом до единиц килоом имеют однополосковую конструкцию. Здесь длина и ширина приконтактной области равны ширине резистора. Более высокоомные резисторы (до 60 кОм) имеют форму меандра (змейки) или изготовляются в донной части базовой области (пинч-резисторы). Длина однополоскового диффузионного резистора не может превышать размеров активной области кристалла (1 – 0,5 мм), ширина ограничена минимальной шириной окна под диффузию, определяемой возможностями фотолитографии (2,5 - 3 мкм), и боковой диффузией (уход примеси под окисел равен примерно глубине диффузионного р-n-перехода). Типичные значения сопротивления диффузионных резисторов, которые можно получить при данном значении ρs, лежат в диапазоне 4 ρs < R < 104 ρs. Нижний предел ограничивается сопротивлениями приконтактных областей, верхний – допустимой площадыо, отводимой под резистор.

Максимальное сопротивление ДР на основе базовой области приблизительно равно 60 кОм, если площадь, отведенная под резистор, не очень велика (не более 15% от площади кристалла). Воспроизводимость номинальных значений сопротивления обычно составляет 15 - 20% и зависит от ширины резистора (табл. 4).

Таблица 4

Точность изготовления диффузионных резисторов на основе базовой области и отношения их сопротивлений

Ширина резистора, мкм	Точность воспро- изведения номинала сопротивления, %	Точность отношения сопротивлений, %
		1:1	1:5
7	±15	±2	±5
25	±8	±0,5	±1,5

 

 

Отклонения от номиналов сопротивлений резисторов, расположенных на одном кристалле, за счет неточностей технологии имеют один и тот же знак, поэтому отношение сопротивлений сохраняется с высокой точностью (табл. 4). Аналогично, температурный коэффициент отношения сопротивлений мал по сравнению с ТКR для отдельного резистора [(1,5—3)·10-4 1/°С]. Эту особенность диффузионных резисторов учитывают при разработке полупроводниковых ИМС.

На основе эмиттерной области формируются резисторы небольших номиналов [3—100 Ом с TKR = (1 - 2)·10-4 1/°С], поскольку значение ρs эмиттерного слоя невелико (см. табл. 1).

12. Пинч-резисторы.

При необходимости создания в ИМС резисторов с сопротивлением более 60 кОм используют пинч-резисторы (синонимы: канальные, сжатые, закрытые резисторы). Их формируют на основе донной, слаболегированной базовой области, имеющей большее сопротивление и меньшую площадь сечения. Максимальное сопротивление таких резисторов составляет 200 - 300 кОм при простейшей полосковой конфигурации, ρs =2 - 5 кОм/ڤ. Пинч-резисторы имеют большой разброс номиналов (до 50%) из-за трудностей получения точных значений толщины донной части р - слоя, большого ТКR = (3 - 5) · 10-3 1/°С вследствие меньшей степени легирования донной части. У пинч-резистора п+- и р - слои закорочены металлизацией и соединены с выводом резистора, находящимся под большим положительным потенциалом, чем остальные области структуры. Такое соединение обеспечивает обратное смещение на всех переходах пинч-резистора. Этот резистор имеет линейный участок ВАХ только до напряжений 1 - 1,5 В, его пробивное напряжение равно 5 - 7 В (эмиттерный пepеход, см. табл. 2). 

13. Эпитаксиальные резисторы.

Из трех областей транзистора коллекторная область имеет наименьшую концентрацию легирующей примеси и максимальное значение ρs (500 -5000 Ом/ڤ). Поскольку эпитаксиальный слой легирован однородно, проводимость эпитаксиального резистора (ЭР) постоянна по всему его сечению в отличие от ДР. У ЭР поперечное сечение по форме существенно отличается от сечений ДР, ибо эпитаксиальный резистор формируется разделительной диффузией. Так как эта диффузия самая продолжительная и точная регулировка размеров диффузионных областей, особенно величины боковой диффузии, затруднена, разброс номиналов сопротивления ЭР значителен. Казалось бы, что большие значения ρs позволяют экономить площадь кристалла при формировании ЭР больших номиналов, однако значительная площадь области разделительной диффузии сводит на нет это преимущество. Эпитаксиальные резисторы имеют высокое напряжение пробоя (> 100 В) и большой TKR, поскольку коллекторная область легирована слабо.

14. Эпитаксиальные пинч-резисторы.

Конструкции этих резисторов отличаются от обычного ЭР тем, что их поперечное сечение уменьшено сверху на глубину базового слоя, что и предопределяет большие, чем у ЭР, значения ρs (ρs = 4 - 8 кОм/ڤ) и номиналы сопротивления при одной и той же площади. Пробивное напряжение этих резисторов определяется пробивным напряжением Uкб (см. табл. 2), TKR = 4·10-3 1/°C.

15. Ионно-легированные резисторы.

Структура этих резисторов такая же, как и у ДР, но глубина ионно-легированных слоев, в которых сформировано тело резистора, составляет лишь 0,1 - 0,3 мкм. Ионная имплантация может обеспечить малую концентрацию легирующей примеси в слое. При соответствующем выборе дозы легирования и параметров отжига (10 – 20 мин при 500 - 600°С) можно получить ρs = 0,5 - 20 кОм/ڤ. Могут быть достигнуты номиналы сопротивлений в сотни килоом со сравнительно низким ТКR и допуском ±10%. Ширина и толщина ионно-легированных резисторов с большими номиналами сопротивлений очень малы, что усложняет получение качественного омического контакта. Для формирования надежных контактов используют диффузионные р - или n - облаети, которые создают на стадии базовой или эмиттерной диффузии.

 

 

16. Характеристики интегральных резисторов.

Типичные характеристики интегральных резисторов приведены в табл. 5.

Таблица 5

Характеристики интегральных резисторов

Тип резистора	Толщина слоя, мкм	Поверхност- ное сопро- тивление ρs, Ом/ڤ	Допуск, %	TKR (αR), 1/°C	Паразитная емкость, пФ/мм2
Диффузионный резистор на основе базовой области	2,5 -3,5	100 - 300	± (5 - 20)	±(0,5 - 3)·10-3	150 – 350
Пинч-резистор	0,5 -1,0	(2 - 15)·103	±50	±(1,5 – 3)·10-3	1000 – 1500
Диффузионный резистор на основе эмиттерной области	1,5 - 2,5	1 - 10	±20	±(1 - 5)·10-4	1000 – 1500
Эпитаксиальный резистор	7-1,0	(0,5 -5)·103	±(15 - 25)	±(2 - 4)·10-3	80 – 100
Ионно-легиро-ванный резисторn-типа	0,1- 0,2	(5 - 10)·102	±50	±(1,5 - 5)·10-3	200 – 350

 

 

 

17. Тонкопленочные резисторы.

В совмещенных ИМС (в одной конструкции совмещены элементы, изготовляемые по полупроводниковой и пленочной технологии) поверх слоя защитного диэлектрика могут быть сформированы тонкопленочные резисторы. По сравнению с полупроводниковыми резисторами они обладают следующими преимуществами: имеют более высокие значения ρs, меньшие значения паразитных параметров, более высокую точность изготовления, низкий ТКR. Основной их недостаток - необходимость введения дополнительных операций в технологический маршрут изготовления ИМС и дополнительных мер защиты от внешних воздействий. Наиболее часто используемые материалы для тонкопленочных резисторов - нихром и тантал (табл. 6), наиболее распространенная форма - полосковая. Тонкопленочные резисторы располагают на гладкой поверхности защитного диэлектрика (обычно стекло или SiO2), не содержащей ступенек.

Таблица 6

Характеристнки тонкопленочных резисторов совмещенных ИМС

Материал	ρs , Ом/ڤ	TKR (αR)·10-4, 1/°C	Допуск, %	Разброс отношения сопротивлений, %
Нихром	40 – 400	1	±5	±1
Тантал	200 – 5000	1	±5	±1
Пленка SiO2	80 – 4000	0 – 15	±8	±2

 

 

 

18. Интегральные конденсаторы.

В интегральных полупроводниковых конденсаторах роль диэлектрика могут выполнять обедненные слои обратно смещенных р-n-переходов или пленка окисла кремния, роль обкладок - легированные полупроводниковые области или напыленные металлические пленки. Характеристики конденсаторов полупроводниковых ИМС невысоки. Кроме того, для получения сравнительно больших емкостей необходима значительная площадь схемы. Поэтому при проектировании электрической схемы полупроводниковой ИМС стремятся избегать применения конденсаторов.

19. Диффузионные конденсаторы.

В ИМС для формирования диффузионных конденсаторов (ДК) может быть использован любой из р-n-переходов: коллектор - подложка (C1), база - коллектор (С2), эмиттер - база (С3), переход р - области изолирующей диффузии и скрытого n+-слоя (С4). Варианты C1 и С4 не могут быть реализованы в ИМС с диэлектрической изоляцией.