Тонкопленочные конденсаторы

В заключение кратко остановимся на истории развития аппаратуры образования каналов телеграфной связи. До Великой Отечественной войны основным линейным средством такой связи был стальной провод. Каналы тонального телеграфа (ТТ) были распространены мало, и первые отечественные системы ТТ были изготовлены только в 1937 г. После 1945 г. тональное телеграфирование получило особенно широкое развитие. В это время были разработаны серийно выпускаемая аппаратура типа ТТ-12/16 с частотной модуляцией и аппаратура надтонального телеграфирования НТ-ЧМ-4. Большой вклад в создание аппаратуры тонального телеграфирования внесли В. Н. Амарантов и А. А. Дубовик. В конце пятидесятых годов были разработаны 17-канальная аппаратура на транзисторах типа ТТ-17П и одноканальная аппаратура на транзисторах ОТТ-2С. В шестидесятые годы была разработана и нашла широкое применение аппаратура частотно-временного телеграфирования ЧВТ.

Амплитудномодулированные сигналы переменного тока проходят через фильтр передачи, который служит для ограничения «спектра частот, передаваемых по данному каналу частотного телеграфирования (тонального телеграфирования ТТ). Чем меньше ширина полосы фильтра, тем большее число каналов ТТ можно организовать в отведенном для уплотнения частотном диапазоне. С другой стороны, уменьшение полосы пропускания фильтра приводит к искажению формы AM сигнала. Если на вход фильтра поступает сигнал переменного тока с прямоугольной огибающей (диаграмма в), то ток на его выходе появится не сразу, а через некоторое время и будет нарастать постепенно. Чем уже полоса пропускания фильтра, тем больше длительность неустановившегося процесса, тем больше искажается форма сигнала (диаграмма г).

В состав передающей части канала частотного (тонального) телеграфирования ( 2.1) входят генератор несущей частоты, частотный модулятор и полосовой фильтр передачи, а в состав приемной части — полосовой фильтр приема, усилитель-ограничитель, частотный дискриминатор, два амплитудных детектора, сравнивающее и выходное устройства.

Технические данные. Многоканальная аппаратура тонального телеграфирования ТТ-17ПЗ предназначена для вторичного уплотнения стандартных каналов ТЧ. С помощью частотного способа деления в одном четырехпроводном канале ТЧ организуется 17 дуплексных «прозрачных» телеграфных каналов с допустимой скоростью модуляции 75 Бод. В аппаратуре использована частотная модуляция. Согласно методике, изложенной в § 2.2, ширина одного канала ТТ выбрана Af=140 Гц, девиация частоты Af= =50 Гц, ширина полосы расфильтровки А1ррас=40 Гц. Соответственно расстояние между соседними несущими 2/70= 180 Гц. Номинальные значения несущих /Нес, выбранных в соответствии с (2.11), и характеристических частот /Верх и /ниж каналов ТТ-17ПЗ приведены в табл 5.1.

Аппаратура тонального телеграфирования ТНТ-6 предназначе^-на для уплотнения каналов ТЧ, а также для уплотнения физических стальных цепей и цепей из цветных металлов в тональном и надтональном спектрах частот. Аппаратура ТНТ-6 разработана на базе аппаратуры ТТ-17ПЗ и имеет с ней одинаковые параметры. Аппаратура ТНТ-6 выпускается следующих модификаций: ТТ-6„ ТТ-5, ТТ-5А/Б и НТ-4.

Технические данные. Многоканальная аппаратура тонального телеграфирования ТТ-48 предназначена для вторичного уплотнения стандартных каналов ТЧ. С помощью частотного деления аппаратура позволяет организовать в одном канале ТЧ: либо 24 канала с допустимой скоростью модуляции 50 Вод; либо 12 каналов с допустимой скоростью модуляции 100 Бод; либр 6 каналов с допустимой скоростью модуляции 200 Бод. В аппаратуре ТТ-48 используется частотная модуляция; каналы — «прозрачные». Рас-

При использовании канала ТЧ с частотным разделением влияние сдвига частот весьма ощутимо. Так, в системе тонального телеграфирования с ЧМ при Д^ = 30 Гц, 5 = 50 Бод, A.F = 80 Гц и том же сдвиге ±5 Гц имеем 6 = 10%.

Пример. Определить норму на сдвиг частот в канале ТЧ, предназначенном для тонального телеграфирования, методом ЧМ со скоростью В =50 Бод. Задаемся допустимой величиной преобладания от сдвига частот 6=4%. По ф-ле (9.17) получаем 4% = (df- 50/30 -80) -100%, откуда норма на сдвиг частот =2 Гц.

Для обеспечения устойчивой работы связи величина краевых искажений, вносимых различными участками тракта передачи, нормируется. Искажения в магистральных каналах тонального телеграфирования с ЧМ при номинальной скорости модуляции не должны превышать (в зависимости от количества переприемных участков по постоянному току) величин, указанных в табл. 9.4.

В случае резкого возрастания искажений в большинстве каналов данной системы тонального телеграфирования или в групповых каналах ЧВТ, резкого увеличения числа ошибок по большинству каналов или резкого изменения уровня приема, т. е. в случае явного нарушения нормальной работы канала ТЧ или физической цепи, техник ЦТК сдает канал ТЧ для настройки на международную телефонную станцию (МТС). При этом необходимо уведомить техника смежной (противоположной) станции.

8. Зоновая аппаратура тонального телеграфирования ТТ-12. — «Электросвязь», 1975, № 6, с. 13—19.

В структурах ИМС применяются только трехслойные конденсаторы. Величина удельной емкости С0 обычно не превышает 100... 1000 пФ/мм2, поэтому осуществление даже небольшого числа конденсаторов ограниченной емкости требует значительной площади поверхности подложки микросхемы. По этой причине конструкторы микросхем стараются не применять конденсаторы, особенно в полупроводниковых микросхемах. Находят применение конденсаторы на основе обратно смещенного р — п-перехода и тонкопленочные конденсаторы.

Тонкопленочные конденсаторы — это миниатюрные конденсаторы, которые можно реализовать в полупроводниковых микросхемах как структуры МДП (1.17, а, б), а в пленочных — в виде традиционных структур металл — диэлектрик — металл , ( 1.17, в). В МДП-конденсаторах диэлектриком является тонкий слой двуокиси кремния, его толщина выбирается обычно в пределах 1000...2000 А, что обеспечивает относительно низкую плотность опасных дефектов в этом слое. Нижняя обкладка должна обладать максимально возможной проводимостью, поэтому образование этого слоя совпадает с эмиттерной диффузией.

1.15. Частотно-избирательное микроэлектронное устройство, содержащее пьезоэлектрический фильтр на ПАВ, и транзисторы полупроводниковые, интегральные микросхемы, тонкопленочные конденсаторы, резисторы и элементы коммутации

Современная технология позволяет получать тонкопленочные конденсаторы любой конструкции (см. 4.6) с емкостью 100-Ю3 пФ, допуском ±(5-=-20)%, t/p = 6-M5B, ТКС = ( —0,2-ь -=-+5)°СГ', добротностью Q=10-M00 и /СотС<5-10~~5 ч~'. При этом форма конденсатора может быть не только прямоугольной, но и фигурной для наилучшего использования площади подложки.

Конденсаторы емкостью порядка 10 пФ на основе МДП-структур используются в некоторых аналоговых микросхемах, обладающих частотной избирательностью сигналов (например, в активных фильтрах). На высоких частотах МДП-конденсаторы имеют низкую добротность, так как одной из обкладок служит полупроводниковый слой со значительным сопротивлением. Высокую добротность обеспечивают тонкопленочные конденсаторы. Такие конденсаторы емкостью 0,1 ... 1 пФ, а также тонкопленочные индуктивные элементы (доли наногенри) применяют в полупроводниковых аналоговых арсенид-галлиевых СВЧ-микросхемах. На более низких частотах индуктивные элементы не используют. В некоторых случаях индуктивный эффект получают схемным путем (применяя операционные усилители с 7?С-цепями обратной связи, активные фильтры и др.). Для других случаев применения, где индуктивности необходимы, используют катушки, находящиеся вне корпуса микросхемы.

При квадратной конфигурации г « 2 Ом, тогда для С = 10 пФ и / = 10 МГц имеем Q = 750. На более высоких частотах из-за скин-эффекта г возрастает. Так как толщина скин-слоя б ~ 1/VT, то г ~ ~ yj и Q ~ /~3/2, т. е. добротность уменьшается быстрее, чем по закону 1//. Например, на частоте 1 ГГц получаем г =20 Ом и Q = 0,75. Поэтому МДП-конденсаторы неприменимы в диапазоне СВЧ — надо использовать тонкопленочные конденсаторы. В отдельных случаях в качестве конденсаторов в полупроводниковых микросхемах на биполярных транзисторах применяют р-п переходы. Такие конденсаторы могут работать только при одной полярности приложенного напряжения (обратном напряжении на р-п переходе). Добротность мала как на низких частотах (из-за влияния обратного сопротивления р-п перехода), так и на высоких (сопротивления обкладок больше, чем в структуре 6.7).

В кремниевых полупроводниковых микросхемах тонкопленочные конденсаторы формируются на поверхности пластин, покрытых слоем SiO2, а в арсенид-галлиевых микросхемах — непосредственно на поверхности нелегированной подложки. В качестве диэлектрика применяют слои SiO2 или Si3N4 (С„ — 6-10~4 пФ/мкм2), наносимые методом химического осаждения из газовой фазы.

Влияние влаги на тонкопленочные конденсаторы проявляется в возрастании емкости, тангенса угла диэлектрических потерь, утечек в связи с изменением диэлектрических свойств материалов при сорбировании влаги и возникновении ионной проводимости в диэлектрике. С понижением температуры существенно увеличивается относительная влажность газовой среды и может происходить даже выпадение росы на внутренних элементах МЭ и ИМ, что особенно опасно для хромосилицид-ных и нихромовых резисторов, алюминиевой металли-

Указанным способом изготавливаются тонкопленочные микросхемы. Тонкие пленки очень чупствительны к изменениям таких параметров процесса осаждения, как температура источника, скорость осаждения, остаточная атмосфера, температура подложки и состояние ее поверхности, состав напыляемого материала. Все это делает осаждение тонких пленок одним из наиболзе сложных промышленных технологических процессов. Однако в тс нкопленочных • микросхемах обеспечиваются более узкие допуски на номиналы резисторов, конденсаторов и индуктивностей и большая стабильность свойств элементов. Плотность межсоединений и элементов (за исключением резисторов) здесь может быть значительно выше. Тонкопленочная технология позволяет получать пленки со свойствами, близкими к объемным свойствам материала, поэтому тонкопленочные конденсаторы обладают меньшим 28

14-1. Тонкопленочные конденсаторы и их конструкции

14-1. Тонкопленочные конденсаторы и их конструкции . . 256 14-2. Материалы для тонкопленочных конденсаторов . . 258 14-3. Технология тонкопленочных конденсаторов . . . 261 14-4. Пример типового технологического процесса получения RC интегральных микросхем...... 267

Современные тонкопленочные .конденсаторы позволяют получить емкость от единиц пикофарад до микрофарад (с точностью ±5... 15%) на рабочие напряжения до 20 В. Подгонять величину емкости можно механически, используя специфичный для пленочных схем процесс — выжигание. При необходимости получения больших емкостей применяют дискретные конденсаторы.