Файл: Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие.pdf

Диффузионные резисторы (рис. 13.10,6) выполняют, используя соответствующий рисунок на фотомаске, ограничивающей диффу­ зионные области. Диффузионный резистор можно изготавливать одновременно с базовым или эмиттерным р-п-переходом транзи­ стора путем диффузии. Эквивалентная схема диффузионного рези­ стора должна состоять из емкости и элементов, имитирующих вы­ прямляющие свойства рщ-перехода. Переход на границе диффу­ зионной области обеспечивает изоляцию при постоянном токе меж­ ду сопротивлением и подложкой до тех пор, пока за счет поляр­ ности приложенного к подложке напряжения переход смещен в об­ ратном направлении. Малая толщина данного резистора позволяет получить необходимый ТКС и одновременно практически допусти­ мые значения поверхностного сопротивления. Введение дополни­ тельных примесей обоих типов электропроводности может умень­ шить ТКС, но при этом сохранится н^ужное значение поверхност­ ного сопротивления. Такой элемент называют резистором с ком­ пенсированной примесью.

В резисторах с эпитаксиальным слоем (эпитаксиальных рези­ сторах) (рис. 13.10, б) для ограничения требуемого участка эпи­ таксиального слоя осуществляют диффузию через р-я-переход. В поверхность эпитаксиальной области вплавляют контакты. Вели­ чина сопротивления определяется его геометрическими размерами. Эпитаксиальные резисторы отличаются от диффузионных в основ­ ном тем, что распределение примесей по слою у них почти одно­ родно.

Кремниевые резисторы, изготовленные осаждением из паровой фазы, практически ничем не отличаются от тонкопленочных, за исключением используемого материала — поликристаллического кремния. Процесс осаждения похож на выращивание монокристаллических эпитаксиальных слоев. Резисторы могут быть изолирова­ ны, так как они создаются на слое двуокиси кремния, пассивиру­ ющем базовый кремниевый кристалл. ТКС подобных слоев не­ сколько меньше, чем ТКС диффузионных резисторов, легирован­ ных до той дсе величины поверхностного сопротивления.

Полевые резисторы (рис. 13.10 г) имеют нелинейную вольт-ам- перную характеристику. В качестве полевого резистора использу­ ют область канала в полевой структуре с р-я-переходом или в по­ верхностной полевой структуре. В тех случаях, когда можно при­ менять линейные резисторы, полевые резисторы могут оказаться более удобными, так как у них значительно меньше габариты. Од­ нако полевые резисторы нельзя изготовить во время диффузион­ ных процессов, при получении диодов и биполярных транзисторов. Это является основным препятствием к значительному использо­ ванию полевых резисторов в схемах с биполярными транзисто­ рами.

Резисторы рис. 13.10,6 имеют нелинейные вольт-амперные характеристики. Трудности получения воспроизводимых пара­ метров резисторов с р-я-лереходом осложняют использование их в интегральных схемах.

380

К о н д е н с а т о р ы

При создании конденсаторов для кремниевых интегральных схем необходимо учитывать емкость на единицу поверхности, со­ противление, изоляцию, поляризацию, динамический диапазон, коэффициент потерь и температурный коэффициент. Имеющиеся методы позволяют изготавливать конденсаторы с необходимыми параметрами; основной трудностью является получение высоких значений емкостей на единицу поверхности кристалла (общий недостаток для всех методов). В монолитных схемах можно полу­ чить только малые значения емкостей, максимальная практически достижимая величина 100—200 пф с допуском ±20%.

Для интегральных схем выполняют три типа конденсаторов:

кремниевый с р-п-переходом, типа металл-окисел-полупроводник (МОП) и тонкопленочный.

Конденсаторы с р-п-переходами, т. е. такие, в которых исполь­ зуется емкость, существующая на границе между двумя типами кремниевого кристалла (например, в р-я-переходе),— наиболее распространенный тип. Это обусловлено, как и для диффузионных резисторов, возможностью создания таких элементов одновремен­ но с диффузионными р-я-переходами активных элементов. Коэф­ фициент потерь в конденсаторах с р-я-переходом зависит от сопро­ тивления электродов, от тока утечки p-я-перехода и от потерь на переменном токе в кремнии. Чтобы избежать некоторые трудности при изготовлении конденсаторов с р-п-переходами, можно изме­ нить варианты конструкций. Например, выполнить конденсатор, который будет работать при любой полярности, так как в нем ис­ пользуется транзистороподобная структура с р-я-переходами и разомкнутой базой.

Конденсатор типа МОП. Структура конденсатора состоит из нижней обкладки, представляющей диффузионный слой в крем­ нии, из диэлектрика (двуокиси кремния) и верхней обкладки (ме­ таллического проводника). При использовании в качестве диэлект­ рика окисной пленки толщиной 500 А можно изготовить конден­ сатор с емкостью 50 пф/см2. При толщине пленки SiC>2 1000 А диа­ пазон емкости конденсаторов 10—30 пф/см2. Коэффициент потерь в конденсаторе типа МОП зависит от последовательного сопро­ тивления электродов интегральной схемы.

Тонкопленочный конденсатор состоит из слоя диэлектрика, рас­ положенного между двумя металлическими электродами. В каче­ стве диэлектрика наиболее часто используют моноокись кремния и окись тантала. Емкость тонкопленочного конденсатора имеет зна­ чение 10 пф — 1 мкф на 1 см2. Применяя многослойные структуры, можно значительно увеличить емкость при заданной площади структуры.

И н д у к т и в н о с т и

Обычно интегральные схемы проектируют так, чтобы исключить индуктивные элементы (например, схемы для ЭВМ), но в ряде

381

случаев эт© сделать невозможно. Функции, эквивалентные индук­ тивностям, могут выполнять различные полупроводниковые эле­ менты. Среди полупроводниковых приборов, обладающих индук­ тивными свойствами, наиболее простым является плоскостной диод, смещенный в прямом направлении, с помощью которого можно получать индуктивности величиной до нескольких миллигенри. Из­ вестно, что инжекция носителей в базовую область из высокоом­ ного кремния приводит к увеличению проводимости. Это в свою очередь вызывает увеличение тока, протекающего через диод в прямом направлении в течение времени, необходимого носителям для прохождения базы до рекомбинации. Так как ток имеет тен­ денцию отставать от входного напряжения, то в результате соз­ дается индуктивный сдвиг по фазе. Чем длиннее область базы с высоким сопротивлением, тем дольше протекает ток. Для повы­ шения добротности индуктивного элемента на основе полупровод­ никового диода в нем создают отрицательное сопротивление. С этой целью базу элемента легируют примесью, создающей глу­ бокие уровни. Толщину базы выбирают такой, что при приложе­ нии обратного напряжения происходит полное перекрытие ее объ­ емным зарядом. В интервале частот 400—20000 гц индуктивность может достигать нескольких миллигенри, добротность — несколь­ ких единиц.

Анализ индуктивных эффектов в транзисторных схемах с об­ щим эмиттером показал, что имеются возможности создания новых элементов с более сильным индуктивным эффектом. Эти транзи­ сторы работают при напряжениях выше того, которое соответству­

быть использованы приборы с переменным пробивным напряже­ нием. Такой прибор можно применять в различных электронных схемах: усилителях, генераторе, частотном модуляторе, измерите­ ле частоты и др. Кроме того, в качестве индуктивных элементов можно использовать канальные тетроды, которые изготавливают обычно по эпитаксиальной технологии с индуктивностью 300 мгн, добротностью 40 на частоте 1 Мгц при нагрузочной емкости 100 пф. В качестве элементов индуктивности в схемах микроволнового диапазона применяют полосковые линии, осаждаемые непосред­ ственно на монолитные интегральные схемы.

Широко применяют конструкцию тонкопленочного интегрально­ го фильтра, который может быть использован в частотноизбирательных контурах. В качестве катушек индуктивности может при­ меняться спиральная линия, полученная методом осаждения ме­ талла на подложку. Добротность катушек индуктивности, осажден­ ных на кремнии, ниже добротностей катушек, осажденных на стек­ ле или керамике, и еще ниже, если кремний обладает низким удельным сопротивлением. Индуктивность таких тонкопленочных спиралей лежит в пределах 40—1 мгн, добротность равна 100 на частоте 100 Мгц. Разрабатываются катушки индуктивнести по раз­

382

ПРИЛОЖЕНИЯ

П р и л о ж е н и е I

Основные физические свойства полупроводниковых материалов

384

Приложение It

Электрофизические свойства германия и кремния

Рис. П.1. Температурная зависимость концентрации соб­ ственных носителей заряда в германии и кремнии

Рис. П.З. Зависимость удельного сопротивления от кенцентрации примеси

для Ge, Si и GaAs

387

Рис. П.4. Температурная зависимость проводимости германия с различным содержанием примеси

Рис. П.5. Зависимость дрейфовой подвижности электронов (а) и ды­ рок (б) в германии от температуры и степени легирования

388

Рис. П.6. Температурная зависимость проводимости кремния с различным содержанием примеси

Рис. П.7. Зависимость дрейфовой подвижности электронов (а) и ды­ рок (б) в кремнии от температуры и степени легирования

389-