Конденсаторы полупроводниковых микросхем

Они имеют следующие разновидности (рис. 1.17): диффузионные, металл-оксидно-полупроводниковые (МОП-конденсаторы) и тонкопленочные.

Диффузионные конденсаторы (рис. 1.17,а) образуются смещенным в обратном направлении P-N -переходом. Для данного материала емкость является функцией площади перехода, концентрации примесей и приложенного напряжения. Емкость P-N -перехода имеет линейную зависимость от напряжения. Точность диффузионных конденсаторов составляет ±20%. При использовании кремния можно получить конденсаторы емкостью до 1000 пФ и пробивным напряжением в 7... 10 В.

МОП-конденсаторы (рис. 1.17,6) обладают луч-шими характеристиками. Они создаются непосредственно на полупроводниковой пластине. Диэлектриком здесь является слой диоксида кремния, образованный на полупроводнике. Одним из электродов является область кремния N+ -типа, лежащая под оксидом, а другим — проводящая пленка алюминия, нанесенная на слой оксида. Такой конденсатор обладает хорошей линейностью, высоким пробивным напряжением (до 50 В), низким температурным коэффициентом. Удельная емкость МОП-конденсаторов составляет до 104пФ/см2. Практически это значение ограничивается пределами 300... 1000 пФ. МОП-конденсаторы обладают высокой стабильностью, их емкость не зависит от напряжения. Температурный коэффициент может быть получен меньше 0,03%. Основным недостатком МОП-конденсаторов является большая паразитная емкость относительно подложки.

Тонкопленочные конденсаторы (рис. 1.17, в) получаются путем осаждения пленки диэлектрика между двумя проводящими пленками из алюминия, образующими пластины конденсатора. Одна из них наносится на слой диоксида кремния. В качестве диэлектрика применяют диоксид кремния Si0₂ или оксид тантала Та₂О₅. Благодаря хорошей изоляции от подложки слоем Si0₂ конденсатор имеет высокое напряжение пробоя, достигающее сотен вольт. Емкость тонкопленочного конденсатора может достигатъ900 пФ/мм2, когда в качестве диэлектрика применяется SiO₂, и до 3500 пФ/мм2, если диэлектриком является Та₂0_5. Точность конденсатора составляет ± (5... 10) %.

Диоды

Диод ― это полупроводниковый элемент с односторонней проводимостью, образуется путем создания P-N -перехода между двумя областями разного типа проводимости. Работа его основана на свойствах электронно-дырочного перехода.

Электронно-дырочный переход и его свойства. Электронно-дырочным переходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая ― дырочную электропроводность. Технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление (сплавные диоды), диффузия одного вещества в другое (диффузионные диоды), эпитаксия ― ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (эпитаксиальные диоды) и др. По конструкции электронно-дырочные переходы могут быть симметричными и несимметричными, резкими и плавными, плоскостными и точечными и др. Однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом ― не пропускает.

Устройство электронно-дырочного перехода показано на рис. 1.18. Одна часть этого перехода легирована донорной примесью и имеет электронную проводимость (N -область). Другая часть, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (Р -область). Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Электроны в N -области стремятся проникнуть в Р -область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из Р -области перемещаются в N -область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает так называемый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через границу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препятствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие и при замыкании N- и Р -областей ток в цепи не протекает. Распределение плотности объемного заряда в переходе приведено в нижней части рис. 1.18.

При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное электрическое поле Е_собст,, направление которого показано на рис. 1.18. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда. На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным.

Высота потенциального барьера на P-N- переходе определяется контактной разностью потенциалов N- и Р -областей. Контактная разность потенциалов, в свою очередь, зависит от концентрации примесей в этих областях:

, (1.1)

где =kT/q ― тепловой потенциал, N n и Р p - концентрации электронов и дырок в N - и Р -областях, ni ― концентрация носителей зарядов в нелегированном полупроводнике.

Контактная разность потенциалов для германия имеет значение 0,6... 0,7 В, а для кремния ― 0,9... 1,2 В. Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряже-ния к P-N -переходу. Если внешнее напряжение создает в P-N -переходе поле, которое совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается; при обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшается. Если приложенное напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает полностью.

Вольт-амперная характеристика P-N -перехода представляет собой зависимость тока через переход при изменении на нем значения и полярности приложенного напряжения. Если приложенное напряжение снижает потенциальный барьер, то оно называется прямым, а если повышает его ― обратным. Приложение прямого и обратного напряжения к P-N -переходу показано на рис. 1.19.

Обратный ток в P-N -переходе вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попадают в область, где они уже являются основными носителями. Так как концентрация основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного дополнительного количества основных носителей практически не изменит равновесного состояния полупроводника. Таким образом, обратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда. Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Следовательно, обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера, т. е. он остается постоянным при изменении обратного напряжения на переходе. Этот ток называется током насыщения и обозначается I_обр= I_s.

При прямом смещении P-N -перехода появляется диффузионный ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер. Пройдя P-N -переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которой они являются неосновными носителями. Концентрация неосновных носителей при этом может существенно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Такое явление носит название инжекции носителей.

Таким образом, при протекании прямого тока через переход из электронной области в дырочную будет происходить инжекция электронов, а из дырочной области будет происхо-дить инжекция дырок. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально:

, (1.2)

где U ― напряжение на P-N -переходе.

Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, протекающий в противоположном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении P-N -перехода будет равен разности диффузионного тока (1.2) и тока проводимости:

. (1.3)

Уравнение (1.3) называется уравнением Эберса ― Молла, а соответствующая ему вольт-амперная характеристика P-N -перехода приведена на рис. 1.20. Поскольку при T=300oК тепловой потенциал j т =25 mB, то уже при U=0,1B можно считать, что

. (1.4)

Дифференциальное сопротивление P-N- перехода можно определить, воспользовавшись формулой (1.3):

,

откуда получаем

. (1.5)

Так, например, при токе I = 1 А и j т= 25 мВ дифференциальное сопротивление перехода равно 25мОм.

Предельное значение напряжения на P-N -переходе при прямом смещении не превышает контактной разности потенциалов y к. Обратное напряжение ограничивается пробоем P-N -перехода. Пробой перехода возникает за счёт лавинного размножения неосновных носителей и называется лавинным пробоем. В этой ситуации ток через переход ограничивается лишь сопротивлением питающей P-N -переход электричексой цепи (рис. 1.20).

Полупроводниковый P-N -переход имеет емкость, которая в общем случае опре-
деляется как отношение приращения заряда на переходе к приращению падения на-
пряжения на нем, т.е. C = dq/du. Емкость перехода зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения.

Полупроводниковым диодом называют прибор (рис.1.21), который имеет два вывода и содержит один P-N -переход, обеспечивая одностороннюю проводимость. Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства P-N -переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади P-N -перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгаллиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

При большом токе через P-N -переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. С учетом выражения (1.4) вольт-амперная характеристика выпрямительного диода приобретает вид

,

где R — сопротивление объёма полу-проводникового кристалла, которое называют последовательным сопро-тивлением.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода приведено на рис. 1.22,а, а его структура на рис. 1.22,б. Электрод диода, подключенный к области Р, называют анодом (по анологии с электровакуумным диодом), а электрод, подключенный к области N, — катодом. Статическая вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 1.22, в.

Силовые диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

•падение напряжения U_пр на диоде при некотором значении прямого тока;

•обратный ток I_обр при некотором значении обратного напряжения;

•среднее значение прямого тока I_пр.ср;

•импульсное обратное напряжение U_обри.

К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

•время восстановления t_вос обратного напряжения;

•время нарастания прямого тока I_нар;

•предельная частота без снижения режимов диода f_max.

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода, которая приведена на рис. 1.22, в. Типовые значения статических параметров силовых диодов приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Статические параметры силовых выпрямительных диодов

Тип диода	Технология изготовления	I обр. мА (при Uобр, В)	Unp, В (при Iпр, А)
Д247	сплавной	3,0		1,5
КД213	диффузионный	0,2		1,0
КД2998	эпитаксиальный с барьером Шотки	20,0		0,6

Диоды с барьером Шотки. Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки (ДШ). В этих диодах вместо P-N -перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником. В месте контакта возникают обедненные носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с P-N -переходом по следующим параметрам:

•более низкое прямое падение напряжения;

•имеют более низкое обратное напряжение;

•более высокий ток утечки;

•почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми при проектировании низковольтных высокочастотных выпрямителей: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих времени на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

В диодах с барьером Шотки прямое падение напряжения является функцией обратного напряжения. Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 150 В. При этом напряжении прямое напряжение ДШ меньше прямого напряжения диодов с P-N -переходом на 0,2...0,3В.

Преимущества диода Шотки становятся особенно заметными при выпрямлении малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4...0,6В, а при том же токе диод с P-N -переходом имеет падение напряжения 0,5... 1,0В. При понижении обратного напряжения до 15В прямое напряжение уменьшается до 0,3...0,4В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10...15%. Максимальная рабочая частота ДШ превышает 200 кГц при токе до 30 А.

Специальные типы полупроводниковых диодов. К специальным полупроводниковым диодам относятся приборы, в которых используются особые свойства P-N -переходов: управляемая полупроводниковая емкость ― варикапы и варакторы; зенеровский и лавинный прибой ― стабилитроны; туннельный эффект ― туннельные и обращенные диоды; фотоэффект ― фотодиоды; фотонная рекомбинация носителей зарядов ― светодиоды; многослойные диоды ― динисторы. Кроме того, к диодам относят некоторые типы приборов с тремя выводами, такие, как тиристоры и двухбазовые диоды. Из всего этого многообразия рассмотрим стабилитроны.

Стабилитроны ― это полупро-водниковые диоды, работающие в режиме лавинного пробоя. При обратном смещении полупроводникового диода возникает электрический лавинный пробой P-N- перехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление. Если в режиме пробоя мощность, расходуемая в нём„ не превышает предельно допу-стимую, то в таком режиме стабилитрон может работать неограничено долго. На рис.1.23,а показано схематическое изображение стабилитронов, а на рис.1.23,б приведены их вольт-амперные характеристики.

•Напряжение стабилизации стабилитронов зависит от температуры. На рис. 1.23,б штриховой линией пока-зано перемещение вольт-амперных ха-рактеристик при увеличении температуры. Очевидно, что повышение температуры увеличи-вает напряжение лавинного пробоя при U_ст >5В и уменьшает его при U_ст <5B. Иначе говоря, стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5 В имеют положительный температур-ный коэффициент напряжения (ТКН), а при U_ст <5В ― отрицательный. При U_ст = 6...5В ТКН близок к нулю.

• Иногда для стабилизации напряжения используют прямое падение напряжение на диоде. Такие приборы в отличие от ста- билитронов называют стабисто-рами.. В области прямого смеще-ния P-N -перехода напряжение на нем имеет значение 0,7...2В и мало зависит от тока. В связи с этим стабисторы позволяют стабилизи-ровать только малые напряжения (не более 2В). Для ограничения тока через стабистор пос-ледовательно с ним также включают сопротивление. В отличие от стабилитронов при увели-чении температуры напряжение на стабисторе уменьшается, так как прямое напряжение на диоде имеет отрицательный ТКН. Схема включения стабилитрона приведена на рис. 1.24,а, а стабистора ― на рис. 1.24,б.

•Приведенный выше характер температурной зависимости напряжения стабилитронов обусловлен различным видом пробоя в них. В широких переходах при напряженности поля в них до 5٠104 В/см имеет место лавинный пробой. Такой пробой при напряжении на переходе >6В имеет положительный температурный коэффициент.

•В узких переходах при большой напряженности электрического поля (более 1,4٠10⁶ В/см) наблюдается пробой, который называется зенеровским. Такой пробой имеет место при низком напряжении на переходе (менее 5 В) и характеризуется отрицательным температурным коэф-фициентом. При напряжении на переходе от 5 до 6 В одновременно существуют оба вида пробоя, поэтому температурный коэффициент близок к нулю.

•Основными параметрами стабилитронов являются:

• напряжение стабилизации U_ст;

•температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН_ст;

• допустимый ток через стабилитрон I_ст.доп;

-дифференциальное сопротивление

стабилитрона r _ст.

Кроме того, для импульсных ста-

билитронов нормируется время включе-

ния стабилитрона t_вкл, а для двухсторон-

них стабилитронов нормируется несим-

метричность напряжений стабилизации

DU_ст=U_ст1-U_ст2...

Дифференциальное сопротивление ста-билитрона ― это параметр, который ха-рактеризует наклон вольт-амперной характеристики в области пробоя. На рис. 1.25,а приведена линеаризованная характеристика стабилитрона, с помощью которой можно определить его дифференциальное сопротивление и построить схему замещения, приведенную на рис. 1.25,б.

Используя приведенную на рис. 1.25, б схему замещения, можно рассчитать простейший стабилизатор напряжения, изображенный на рис. 1.26,а. Заменяя стабилитрон его схемой замещения, получим расчетную схему, изображенную на рис. 1.26,б. Для этой схемы можно написать систему уравнений

. (1.6)

В результате решения системы уравнений (1.6) получим напряжение на выходе стабилизатора

, (1.7)

где - ток нагрузки.

Подставив значение I н, получим окончательно

. (1.8)

Из выражения (1.8) следует, что выходное напряжение стабилиза-тора зависит от напряжения на входе стабилизатора U_вх, сопротив-лений нагрузки R_н и ограничения тока R₁., а также параметров стабилитрона U_ст и r_ст..

Условное обозначение стабилитрона включает: материал полупроводника (К ― кремний); обозначение подкласса стабилитронов (букву С); цифру, указывающую на мощность стабилитрона; две цифры, соответствующие напряжению стабилизации, и букву, указывающую особенность конструкции или корпуса. Например, стабилитрон КС 168А соответствует маломощному стабилитрону (ток менее 0,3 А) с напряжением стабилизации 6,8 В, в металлическом корпусе. Кроме стабилизации напряжения стабилитроны также используются для ограничения импульсов напряжения и в схемах защиты различных элементов от повышения напряжения на них.