В качестве конденсаторов в интегральных схемах на биполярных транзисторах обычно используются ёмкости p-n переходов (диффузионные конденсаторы). При использовании перехода база-коллектор удельная ёмкость (Су) составляет 150 пФ/мм2, а напряжение пробоя (Uпр) около 50 В. Переход база-эмиттер обладает Су = 1000 пФ/мм2 и пробивным напряжением Uпр = 7 В. Ёмкости, выполненные на основе переходов МОП- транзисторов, имеют Uпр = 20 В, а Су = 300 пФ/мм2. Конденсаторы на p-n переходах работают только при напряжении обратной полярности, и их ёмкость зависит от значения приложенного напряжения. Изменение ёмкости при изменении приложенного напряжения (вольт-фарадная характеристика) может быть рассчитано как: Су={[0.5 eeoeN]*[Uкр+|U|]-1}1/2,
где e - диэлектрическая проницаемость полупроводника, e - заряд электрона,e 0- электрическая постоянная, N - концентрация примеси в слаболегированном слое p-n перехода, Uкр - контактная разность потенциалов, U - приложенное к переходу напряжение.
Для кремния можно воспользоваться приближенным выражением: Су = 3.10-16{N/|U|}1/2 и при концентрации примеси в слаболегированном слое N = 1016 см-3 и напряжении на p-n переходе U = = 4 В, Су = 150 пФ/мм2. Такие нелинейные конденсаторы применяются в специальных узлах радиотехнической аппаратуры, где нелинейность полезна (в колебательных контурах, параметрических усилителях, умножителях частоты и др.).
Специфической особенностью диффузионных конденсаторов как элемента интегральных схем является наличие у них паразитной ёмкости. При использовании в качестве конденсатора перехода база - коллектор паразитной ёмкостью является ёмкость перехода коллектор - подложка (Скп). Наличие паразитной ёмкости приводит к неполной передаче напряжений через диффузионный конденсатор (С) в нагрузку. Диффузионный конденсатор С вместе с паразитной ёмкостью (Скп) образуют емкостный делитель напряжения, и поэтому на выход приходит только часть входного напряжения.
Коэффициент передачи напряжения можно вычислить: Uвых/Uвх = С/(С + Скп). Коэффициент передачи будет близок к единице, если Скп много меньше С. Однако площади обоих p-n переходов почти одинаковы, и поэтому Скп оказывается меньше С только благодаря меньшей удельной ёмкости перехода коллекторный слой - подложка. Реально не удаётся сделать Скп меньше, чем (0.15) С, и соответственно коэффициент передачи не превышает (0.87).
Конденсаторы с линейными характеристиками выполняются в виде плёночных структур металл - диэлектрик - металл (МДМ-конденсаторы). В качестве обкладок используется Al или Ta, а диэлектриком служат Al2O3 либо Ta2O5. Их недостатками являются удлиненный технологический маршрут изготовления и необратимый отказ в случае пробоя диэлектрика. Кроме МДМ применяются конденсаторы на структурах металл - диэлектрик - полупроводник (МДП-конденсаторы). Нижней обкладкой в них служит эмиттерный слой, верхней – плёнка алюминия, а диэлектриком – тонкие слои SiO2 или Si3N4 толщиной 0.05 - 0.1 мкм. Недостатком МДП-конденсаторов в составе биполярных микросхем является дополнительная операция создания тонкого диэлектрика (и, естественно, дополнительная операция фотолитографии).
В полупроводниковых интегральных схемах межэлементные соединения (проводники) выполняются двумя способами (рис.5). Либо это металлический плёночный проводник с изоляцией диэлектриком, либо сильно легированный (n+ или p+) слой с изоляцией за счёт p-n перехода. Среди различного рода задержек сигнала, определяющих быстродействие интегральных схем, значительную роль играет задержка сигнала на соединительных проводниках. Это особенно важно учитывать в больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схемах с очень малыми размерами элементов.
Рис. 5. Сечения соединительных проводников.
а – металлический проводник с изоляцией диэлектриком;
б – проводник с изоляцией p-n переходом
|
В идеальном случае назначение проводника состоит в том, чтобы обеспечить равенство потенциалов в двух или более точках. Однако в интегральных схемах это требование выполняется приближенно, что объясняется наличием у проводников сопротивления и паразитной ёмкости. Для обеих структур, показанных на рис. 5, методика расчёта характеристик передачи сигнала аналогична методике, применяемой в случае линий с распределёнными параметрами.
Базовыми элементами в цифровых логических интегральных схемах являются логические вентили (цифровые инверторы), основой которых является электронный ключ. В микроэлектронике применяются ключи на n-p-n биполярных транзисторах или n-канальных МДП-транзисторах. Схема инвертора в виде ключа на n-p-n транзисторе с последовательно соединенной нагрузкой RК приведена на рис. 6. Нагрузка может быть не только линейной пассивной (резистивной), но и нелинейной активной. В качестве нелинейной нагрузки чаще используются полевые транзисторы, что повышает быстродействие схемы.
Рабочими состояниями биполярного транзистора в схеме (рис. 6) являются режимы отсечки и насыщения.
Режиму отсечки соответствуют область А на входных характеристиках (рис.6,б) и точка А' на выходных характеристиках транзистора (рис.6,в). При этом на вход подаётся напряжение
Uвх ≤ Uп, где Uп – напряжение база- эмиттер, при котором транзистор ещё остаётся надёжно закрытым. Базовый и коллекторный токи близки к нулю, а напряжение на выходе ключа максимально Uвых = Еп – (Iко Rк) где Iко – обратный ток коллектора.
Для перехода в режим насыщения (режим двойной инжекции) на вход подаётся положительное напряжение Uвх > Uп, обеспечивающее быстрый рост базового и коллекторного тока. Максимальное значение коллекторного тока ограничивается сопротивлением в коллекторной цепи - Rк и напряжением источника питания - Еп ( Iкн = (Еп - Uкн)/Rк ). В этом режиме выходное напряжение минимально и равно напряжению насыщения транзистора Uкн.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.