Исследование характеристик и параметров интегральных резисторов Исследование характеристик и параметров интегральных диодов. Исследование характеристик инвертора на биполярных интегральных транзисторах. Исследование характеристик инвертора на полевых интегральных транзисторах, страница 2

Ёмкость диода С_д (ёмкость между катодом и анодом) зависит от площади использованных p-n переходов. Эта ёмкость максимальна при параллельном соединении p-n переходов (вариант Б-ЭК). Паразитная ёмкость (С₀) подключена к подложке и шунтирует анод или катод диода. Эта ёмкость, как правило, совпадает с ёмкостью коллекторный слой - подложка (С_кп - смотри рис.1,а). У варианта диодного включения транзистора (Б-Э) ёмкости С_кп и С_к (где С_к - ёмкость коллекторного перехода) включены последовательно и результирующая паразитная ёмкость С₀ минимальна. Время переключения диодов из открытого в закрытое состояние минимально у варианта БК-Э, потому что переход коллектор - база закорочен, и в этом случае заряды накапливаются только в базовом слое.  Оптимальными вариантами диодных включений транзистора являются БК-Э и Б-Э. Малые пробивные напряжения этих вариантов не играют существенной роли в низковольтных
интегральных схемах.

Рис.2. Диодные включения интегрального транзистора.

С_д – ёмкость диода; С₀ – паразитная ёмкость

Кроме диодов на p-n переходах в интегральных схемах используются диоды Шоттки на контакте металл-полупроводник. Существенное отличие диодов Шоттки состоит в том, что ток переносится только основными носителями, а следовательно, их быстродействие выше, чем быстродействие диодов на p-n переходах.

Интегральные стабилитроны также выполняются в нескольких вариантах, в зависимости от необходимого напряжения стабилизации.  Если необходимо напряжение стабилизации 5-10 вольт то используют диод Б-Э в режиме пробоя. При необходимом напряжении 3-5 вольт  используют переход БЭ-К или специально сформированный p-n переход в разделительном слое [1]. Стабилитроны, рассчитанные на напряжения, равные или кратные напряжению на открытом p-n переходе, выполняются на одном или нескольких последовательно включенных диодах БК-Э, работающих при прямом напряжении.

Пассивные элементы интегральных схем. Для изготовления резисторов интегральных схем широко используется структура интегрального n-p-n транзистора.

Следует иметь в виду, что удельное сопротивление резистивного слоя в интегральных схемах (R_s) выражается в единицах “Ом на квадрат” (Ом/o). Для пояснения запишем: R=r с/S = r с/аb = R_s (с/a), где r - удельное сопротивление материала, R_s - удельное сопротивление слоя, Ом/o, с - длина резистивного слоя,S - площадь его поперечного сечения, a, b - ширина и толщина резистивного слоя соответственно. При условии с = а прямоугольная полоска принимает квадратную форму, а её сопротивление делается равным R_s. Значит, величину R_s можно определить как продольное сопротивление слоя квадратной конфигурации, отсюда размерность Ом/o. Зная величину R_s , легко рассчитать сопротивление слоя прямоугольной конфигурации по известным значениям длины и ширины слоя.

Рис.3. Структура резистивных элементов  биполярных интегральных схем. R₁, R₂ – выводы резисторов, Р – вывод подачи смещения; а – базовый резистор, R_s = 50-300 Ом/o; б – эмиттерный резистор, R_s = 5- -15 Ом/o; в – коллекторный резистор, R_s = 1000 Ом/o; г – высокоомный диффузионный резистор, R_s = 5-20 кОм/o

Резисторы в биполярных интегральных схемах могут быть выполнены на основе базовых, эмиттерных и коллекторных слоёв, а также в виде структуры полевого транзистора, управляемого p-n переходом (рис.3). Для получения диффузионных резисторов с малыми номиналами сопротивлений используют низкоомный эмиттерный слой (рис.3,б). При значениях R_s= 5-15 Ом/o, свойственных этому слою, удаётся получить минимальные сопротивления 3-5 Ом. Сопротивления номиналом от сотен  до единиц килоом получают на основе базового слоя (рис.3,а) с R_s= 50-300 Ом/o. Коллекторный слой, обладающий  удельным поверхностным сопротивлением  порядка R_s= 1000 Ом/o (рис.3,в), позволяет получать номиналы сопротивлений десятки килоом. Для получения более высоких номиналов сопротивлений используется диффузионный резистор с управляемым каналом, представляющий собой, по сути, полевой транзистор, управляемый p-n переходом. Менять сопротивление в широких пределах можно, подавая обратное, смещение на управляющие p-n переходы (рис.3,г). Однако характеристики таких сопротивлений нелинейны и точный подбор сопротивлений затруднителен.

В гибридных интегральных схемах и некоторых полупроводниковых (например, аналоговых диапазона СВЧ на GaAs) используются плёночные резисторы. Плёночные резисторы из нихрома толщиной менее 0.1 мкм получают  осаждением  в  вакууме  с  поверхностным  сопротивлением     R_s=50-300 Ом/o. Плёнки из сплавов обеспечивают R_s= 10-20 кОм/o, из керметов (смеси различных диэлектриков с металлами, например SiO-Cr) –  R_s= 50 кОм/o.

Характерной особенностью любого интегрального резистора является наличие у него паразитной ёмкости относительно подложки или изолирующего кармана. Например, в базовом резисторе такой паразитной ёмкостью является ёмкость перехода между рабочим p-слоем и эпитаксиальным n-слоем кармана. Совокупность резистора и паразитной ёмкости представляет собой RC-линию с распределёнными параметрами (рис.4,а). Однако для приближённых расчетов удобнее пользоваться эквивалентными схемами с сосредоточенными постоянными: Т-образной или П-образной (рис.4,б,в).

Рис. 4. Эквивалентные схемы интегрального резистора:   а – лестничная схема с распределенными RC постоянными;        б – эквивалентная схема Т-образное звено; в – эквивалентная схема  П-образное звено.

На таком резисторе при скачкообразном изменении тока будет происходить плавное изменение напряжения.

 Постоянная времени (t), определяющая длительность переходного процесса t = ¹/₂ RC, а соответствующая граничная частотаf =1/(2pt) = 1/(pRC).  Например, для R=10 кОм и С =1.3 пФ получаем f = 24.5 МГц. Это значит, что резистор имеет чисто активное сопротивление только до частот 10-15 МГц. При более высоких частотах его сопротивление становится комплексным и параметры схемы могут существенно измениться. Типичными значениями удельных ёмкостей (С_у) являются: для перехода база-коллектор 150 пФ/мм²; для перехода база-эмиттер 1000 пФ/мм²; для МОП-структур 300 пФ/мм².