6. Конденсаторы

В ИС применяются конденсаторы двух видов:

1. диффузионные конденсаторы на основе р-п перехода;

2. конденсаторы с диэлектриком на основе двуокиси кремния (МДП-структура).

Диффузионные конденсаторы создаются в процессе диффузии примеси р-типа (базовая диффузия) в изолированной области п-типа. Обычно формирование осуществляется с изготовлением транзисторных структур. Наиболее часто для этих целей используется р-п переход коллектор-база, характеризующийся удельной ёмкостью 250-350 пф/мм² при нулевом смещении и рабочем напряжении до 20-50 В. нижней обкладкой конденсатора является относительно слаболегированный коллекторный слой, поэтому сопротивление нижней обкладки достаточно велико (30-50 Ом), что существенно ухудшает частотные характеристики конденсаторов. При проектировании ИС, использующих конденсаторы этого типа, необходимо учитывать наличие паразитной ёмкости нижней обкладки конденсатора на подложку через переход коллектор-подложка. В ряде случаев, например, при проектировании конденсаторов, одна из обкладок которых заземлена, целесообразно использовать ёмкость р-п перехода коллектор-подложка, имеющего удельную ёмкость150-250 пф/мм² при нулевом смещении и весьма высокое пробивное напряжение.

Конденсаторы на основе р-п перехода эмиттер-база характеризуются наиболее высокой удельной ёмкостью (1400-1500 пф/мм² при нулевом смещении), но используются сравнительно редко вследствие низкого пробивного напряжения (5-7В).

Конденсаторы на основе ёмкости р-п перехода полярны и требуют для нормальной работы подачи на р-п переход запирающего напряжения. Температурный коэффициент ёмкости имеет порядок 10^-3 град^-1. Параметры конденсатора изменяются при изменении напряжения смещения, под действием радиоактивного излучения, освещения и других факторов. Частотный диапазон конденсаторов этого типа ограничен высоким сопротивлением обкладок и без принятия специальных мер к снижению этого сопротивления не превышает нескольких сотен кГц.

Из-за несовершенства диффузионных конденсаторов в ИС всё шире применяются конденсаторы со структурой МДП(рис.14а). эквивалентная схема такого конденсатора (рис.14б) состоит из полярной ёмкости С₁, небольшого сопротивления r ≈ ≤ 10 Ом , диода Д с его ёмкостью С₂ относительно подложки.

Н ижней обкладкой таких конденсаторов является сильно легированная п⁺ область, формируемая в процессе эмиттерной диффузии, верхней обкладой служит плёнка алюминия, напыленная на поверхность покрывающей подложку плёнки диэлектрика –двуокиси кремния. Параметры конденсаторов определяются в основном качеством и толщиной оксидной плёнки под верхней обкладкой.

Рис.14. Структура а) и эквивалентная схема б) МДП конденсатора

Хотя для изготовления конденсатора со структурой МДП можно использовать ту же оксидную плёнку, которая покрывает все области п⁺ -типа, обычно для этих целей используется специально выращенная плёнка меньшей толщины (800-1000 Å). Удельная ёмкость конденсаторов с такой плёнкой лежит в пределах 350-450 пф/см², рабочее напряжение порядка 50 В.

Конденсаторы со структурой МДП неполярны, более стабильны, чем конденсаторы на основе ёмкости р-п перехода, ёмкость конденсатора не зависит от величины приложенного напряжения. За счёт диффузии примесей п-типа величина поверхностного сопротивления снижается до 2-3 Ом/□.

Такое поверхностное сопротивление значительно меньше поверхностного сопротивления в области , расположенной вблизи р-п - перехода , что приводит к уменьшению последовательного сопротивления. Добротность конденсаторов со структурой МДП значительно выше диффузионных конденсаторов, частотный диапазон шире.

В то же время применение конденсаторов этого типа существенно увеличивает стоимость изготовления микросхемы, так как для выращивания тонкой пленки окисла требуется дополнительная технологическая операция. Кроме того, применение тонкой оксидной пленки накладывает дополнительные ограничения на качество напыления слоя алюминия.

Конденсаторы со структурой МДП весьма чувствительны к электростатическим зарядам, которые могут накапливаться на верхней обкладке. Для предотвращения накопления статических зарядов на верхней обкладке часто используют обратносмещенные диоды, включенные между верхней обкладкой конденсатора и подложкой. Применение таких диодов улучшает надежность и срок службы конденсатора, но увеличивает его габариты и накладывает ограничения на полярность приложенного напряжения.