2.8.10. Интегральные диоды

Диоды в ИМС находят широкое применение для выведения транзисторов из насыщения (фиксация транзисторов) и ускорения процессов включения и выключения, для выполнения логических операций (основные – И, ИЛИ) и вспомогательных функций: смещения и фиксации уровней напряжения, расширителей по входу и др.

В качестве диода можно использовать любой из двух p-n-переходов транзисторной структуры, но только два перехода эмиттерный и коллекторный удобны для схемных применений, можно так же использовать их комбинации. Поэтому по существу интегральный диод представляет собой диодное включение интегрального транзистора.

Диоды в полупроводниковых ИМС изготовляют на основе тех же диффузионных (эпитаксиальных) слоев и переходов, что и биполярные транзисторы.

Поэтому на практике в качестве диодов принято использовать транзисторные структуры n-p-n⁺-типа. Это означает, что транзисторы и диоды формируются одновременно.

Пять возможных вариантов структур и схем диодного включения транзисторов представлены на рис. 2.48.

Рис.2.48. Структуры и схемы диодного включения планарно-эпитаксиальных транзисторов, изолированных p-n-переходом: а - на основе перехода база — эмиттер с коллектором, закороченным на базу (БК-Э); б - на основе перехода коллектор - база с эмиттером, закороченным на базу (БЭ-К); в — с использованием эмиттерного и коллекторного переходов, когда эмиттерные и коллекторные области соединены (Б-ЭК);

г - на основе перехода база - эмиттер с разомкнутой цепью коллектора (Б-Э), д - на основе перехода база - коллектор с разомкнутой целью эмиттера (Б-К); - основной; - паразитный транзистор

Оптимальными для микросхем вариантами являются БК-Э и Б-Э, причем чаще используется БК-Э. Пробивные напряжения (7...8 В) достаточны для использования этих вариантов в. низковольтных микросхемах.

В ИМС широкое применение нашли и диоды Шоттки. Для них характерным является низкое значение прямого напряжения (0,35-0,4 В) при прямом токе 1 мА, что почти вдвое меньше падения напряжения на эмиттерном переходе. Постоянная времени восстановления обратного сопротивления для диодов Шоттки не превышает 0,1 нс, тогда как для диодов на p-n-переходе, легированных золотом, оно составляет более 0,5 нс.

В цифровых ИМС, как отмечалось (разд. 2.8.4), диоды с барьером Шоттки используют для ограничения насыщения транзисторов. Особенно перспективно применение диодов с барьером Шоттки в ИМС СВЧ - диапазона.

Помимо диодов в ИМС часто используются интегральные стабилитроны, которые формируются на базе структуры интегрального транзистора в различных вариантах в зависимости от необходимого напряжения стабилизации и температурного коэффициента.

Если необходимы напряжения, 5-10 B, то используют обратное включение диода Б-Э в режиме лавинного пробоя; при этом температурная чувствительность составляет + (2-5) мВ/°С. Если необходимы напряжения 3-5 В, то применяют либо обратное включение диода БЭ-К, используя эффект прокола базы (температурная чувствительность 2-3 мВ/ºС), либо обратное включение p-n-перехода, специально образованного в разделительном слое (рис. 2.49, а). В последнем случае n⁺-слой получают на этапе эмиттерной диффузии. Поскольку приповерхностная часть разделительного слоя сильно легирована, переход имеет структуру p⁺-n⁺ и ему свойствен туннельный - низковольтный пробой. Температурная чувствительность составляет - (2-3) мВ/°С.

Один или несколько последовательно включенных в прямом направлении диодов БК-Э могут быть использованы как источники напряжения, равного напряжению на открытом переходе (около 0,7 В) или кратного ему. Их температурная чувствительность - 2 mВ/ºС.

Если в базовом слое осуществить два p-n-перехода (рис. 2.49, б), то при подаче напряжения между n⁺-слоями один из переходов работает в режиме лавинного пробоя, а второй - в режиме прямого смещения. Такой вариант привлекателен малой температурной чувствительностью (± 1 мВ/°С и менее), так как температурные чувствительности при лавинном пробое и при прямом смещении имеют разные знаки.

Рис. 2.49. Интегральные стабилитроны:

а - на основе разделительного слоя; б - на основе базового слоя

(с применением температурной компенсации)

Все более широкое использование поликристаллического кремния позволило создать горизонтальные диоды из ППК. Такие диоды можно формировать над окислом (рис. 2.50).

Рис. 2.50. Поперечное сечение горизонтального поликремниевого диода: 1 - подложка; 2 - пленка SiO₂; 3 - легированный поликремний p-типа; 4 - легированный поликремний n-типа электропроводности; 5 - защитный диэлектрик

При узких полосках поликристаллического кремния легко получить активные площади переходов диодов всего лишь в несколько квадратных микрометров. Прямые напряжения этих диодов, как правило, слишком высоки для фиксации биполярных транзисторов. Однако времена переключения у них очень малы благодаря малым временам жизни неосновных носителей. Следовательно, диоды этого типа, очень удобны для переключения в логических схемах.