Стабилитрон со скрытой структурой

Стабилитрон со скрытой структурой (ССС, англ. buried zener) — интегральный кремниевый стабилитрон в котором, в отличие от обычных стабилитронов, под p-n-переходом создана скрытая область (островок) с высокой концентрацией акцепторных примесей. Благодаря тому, что ток пробоя такого стабилитрона концентрируется не в приповерхностных, а в скрытых слоях, его характеристики стабильны и предсказуемы. Прецизионные интегральные источники опорного напряжения (ИОН) на ССС — наиболее точные и стабильные из всех производимых типов ИОН. Лучшие ИОН на ССС приближаются по совокупности показателей точности к нормальному элементу Вестона.

Внутреннее устройство

Обычные, поверхностные, стабилитроны интегральных схем строятся на основе типовых транзисторных структур. Эмиттер npn-транзистора становится катодом стабилитрона, база — анодом. Напряжение пробоя перехода база-эмиттер при типовых концентрациях носителей составляет 6,2 В ±10 %, а температурный коэффициент этого напряжения (ТКН) равен +2,5 мВ/°C. Если последовательно соединить такой стабилитрон с прямо смещённым диодом (таким же переходом база-эмиттер, включенным в противоположном направлении), имеющим ТКН около −2,2 мВ/°C, то ТКН такого термокомпенсированного диода снизится до величины не более 0,5 мВ/°C, или 80 ppm/°C. Недостатки поверхностных стабилитронов — высокий уровень шума и высокий дрейф напряжения — обусловлены тем, что ток стабилитрона сосредоточен в приповерхностном слое кремния. Но там же сосредоточены дефекты кристаллической решётки и посторонние примеси, которые и порождают шум и нестабильность. Для того, чтобы избежать этого, следует загнать ток пробоя вглубь кристалла (в «скрытую структуру»), и не допускать пробоя перехода база-эмиттер в приповерхностном слое.

В основе ССС лежит обычная транзисторная структура, изготовленная по биполярной эпитаксиальной технологии с изоляцией p-n-переходом. Вначале на поверхности монокристаллической пластины с низкой концентрацией акцепторов (p⁻-тип проводимости) формируются широкие островки n⁺-типа — будущие скрытые слои коллекторов биполярных транзисторов. Затем на подложке выращивается эпитаксиальный коллекторный слой n⁻-типа проводимости и проводится глубокая диффузия p-примесей — изоляция p-n-переходом. На этом этапе в центре будущего стабилитрона создаётся островок p⁺-типа проводимости. Обычный изоляционный слой p⁺-типа проникает через эпитаксиальный слой насквозь, замыкаясь на p⁻-слой подложки, но под островком стабилитрона расположен скрытый слой n⁺-типа, не позволяющий замкнуть прокол.

Затем проводятся стандартные шаги базовой и эмиттерной диффузии и металлизации. Базовый слой p⁻-типа становится анодом стабилитрона, эмиттерный слой n⁺-типа — его катодом, а непосредственно под катодом по-прежнему лежит скрытый островок p⁺-типа. Таким образом, боковые стенки p-n-перехода имеют профиль проводимости p⁻-n⁺, а его дно — p⁺-n⁺. Напряжение пробоя p⁺-n⁺ перехода существенно ниже, чем напряжение пробоя p⁻-n⁺-перехода, поэтому весь ток пробоя стабилитрона сосредотачивается на его дне, а приповерхностные участки перехода анод-катод, неизбежно загрязнённые посторонними примесями и неоднородностями, ток не проводят. Именно поэтому, из-за перемещения зоны пробоя вглубь кристалла, стабилитрон со скрытой структурой стабилен, предсказуем, и меньше шумит, чем стабилитрон обычный.

ИОН LTZ1000 на стабилитроне со скрытым слоем имеет характерную концентрическую топологию. В центре кристалла расположен стабилитрон, непосредственно к нему примыкают транзисторы — датчики температуры, а вокруг них «уложена» спираль подогревателя, также выполненная по планарной технологии. При такой конфигурации градиент температуры кристалла направлен от спирали к внешнему краю, а внутри спирали, где и размещён стабилитрон, поддерживается практически однородная температура. Таким образом, стабилитрон защищён от термических «перекосов», увеличивающих нестабильность опорного напряжения.

История выпуска

Первый дискретный ССС был выпущен в 1974 году. Существовавшие в то время ИОН типа бандгап (первого поколения) и ИОН на обычных стабилитронах вполне удовлетворяли конструкторов стабилизаторов напряжения, но в середине 1970-х годов начался выпуск первых интегральных аналого-цифровых преобразователей, и требования к точности ИОН многократно возросли. В 1976 году National Semiconductor выпустила разработанную Бобом Добкиным LM199 — первый интегральный ССС на 6,95 В. Благодаря встроенному подогревателю с терморегулятором, который поддерживал стабильную температуру кристалла (+90 °C), конструкторы и технологи National добились революционных для своего времени показателей. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) серийных LM199 не превышал 1 ppm/°C, а типичный ТКН составлял всего 0,3 ppm/°C при уровне шума в звуковом диапазоне частот не более 7 мкВ скв. LM199 и её аналоги, при всех их достоинствах, были дороги и непригодны для использования в низковольтных и микромощных устройствах. Высокая цена прецизионных ССС определяется длительной заводской электротермотренировкой.

За LM199 последовала экономичная, лишённая терморегулятора LM129, а затем выпуск усовершенствованных схем на ССС начали Analog Devices, Burr-Brown и Linear Technology. Абсолютный рекорд точности серийных ИОН, не побитый и в XXI веке, поставил в 1980-е годы тот же Боб Добкин. Его ИОН LTZ1000, выпущенный на Linear Technology, гарантировал ТКН не более 0,05 ppm/°C при среднесрочном дрейфе не более 2 ppm/месяц и уровне шума в 2 мкВ (от пика до пика). Лучшие показатели точности среди всех твердотельных ИОН, сравнимые с показателями нормального элемента Вестона (долгосрочный дрейф 2 ppm/год и ТКН в 0,1 ppm/°C), декларирует компания Fluke Corporation. Эталоны напряжения Fluke строятся на серийных LTZ1000, отобранных по минимальной нестабильности, при этом термостат поддерживает температуру стабилитрона +50 °C — существенно меньше, чем в типовых решениях на LTZ1000. По утверждению компании, меньшая температура термостабилизации позволяет снизить длительный дрейф в два раза.

Типичные прецизионные ИОН на ССС, восходящие к разработкам 1980-х годов, имеют начальный допуск от 0,01 до 0,05 %, ТКН от 0,05 до 10 ppm/°C и долгосрочный дрейф не более 25 ppm за первые 1000 часов эксплуатации, что удовлетворяет требованиям 14-разрядных измерительных АЦП. В 1980-е и 1990-е годы ни одна конкурирующая технология не могла приблизиться к этим характеристикам. Лучшие усовершенствованные бандгапы по схеме Брокау имели на один-два порядка худшие показатели точности и шума. Однако в начале XXI века на рынок вышли супербандгапы и прецизионные приборы, построенные на фундаментально других принципах: XFET компании Analog Devices и FGA компании Intersil. К 2005 году супербандгапы и ИОН типа FGA приблизились к ССС, превзойдя психологически важный рубеж — ТКН в 1 ppm/°C. Однако по совокупности всех точностных и шумовых параметров стабилитрон со скрытым слоем по прежнему не имеет равных.

Источники

• Авербух, В. [www.platan.ru/article/at116.pdf Прецизионные источники опорного напряжения] // Додэка. — 2000.
• Микросхемы для линейных источников питания и их применение. — 2-е изд.. — Додэка, 1998. — ISBN 5878350211.
• Шитиков, А. [www.rtcs.ru/article_detail.asp?id=92 Выбор источника опорного напряжения] // Электронные компоненты. — 2002. — № 3.
• Camelzind, H. [ebookee.org/go/?u=www.designinganalogchips.com/_count/countdown.pl?designinganalogchips.pdf Designing Analog Circuits]. — Virtualbookworm Publishing, 2005. — 244 p. — ISBN 9781589397187.
• Harrison, L. Current Sources & Voltage References. — Newnes, 2005. — 569 p. — (Electronics & Electrical). — ISBN 9780750677523.
• Mitchell, L. [cds.linear.com/docs/Application%20Note/an82f.pdf Understanding and Applying Voltage References] // Linear Technology. — 1999. — № Application Note 82.

Отрывок, характеризующий Стабилитрон со скрытой структурой

Предчувствие Анны Павловны оправдалось, и в городе все утро царствовало радостно праздничное настроение духа. Все признавали победу совершенною, и некоторые уже говорили о пленении самого Наполеона, о низложении его и избрании новой главы для Франции.
Вдали от дела и среди условий придворной жизни весьма трудно, чтобы события отражались во всей их полноте и силе. Невольно события общие группируются около одного какого нибудь частного случая. Так теперь главная радость придворных заключалась столько же в том, что мы победили, сколько и в том, что известие об этой победе пришлось именно в день рождения государя. Это было как удавшийся сюрприз. В известии Кутузова сказано было тоже о потерях русских, и в числе их названы Тучков, Багратион, Кутайсов. Тоже и печальная сторона события невольно в здешнем, петербургском мире сгруппировалась около одного события – смерти Кутайсова. Его все знали, государь любил его, он был молод и интересен. В этот день все встречались с словами:
– Как удивительно случилось. В самый молебен. А какая потеря Кутайсов! Ах, как жаль!
– Что я вам говорил про Кутузова? – говорил теперь князь Василий с гордостью пророка. – Я говорил всегда, что он один способен победить Наполеона.
Но на другой день не получалось известия из армии, и общий голос стал тревожен. Придворные страдали за страдания неизвестности, в которой находился государь.
– Каково положение государя! – говорили придворные и уже не превозносили, как третьего дня, а теперь осуждали Кутузова, бывшего причиной беспокойства государя. Князь Василий в этот день уже не хвастался более своим protege Кутузовым, а хранил молчание, когда речь заходила о главнокомандующем. Кроме того, к вечеру этого дня как будто все соединилось для того, чтобы повергнуть в тревогу и беспокойство петербургских жителей: присоединилась еще одна страшная новость. Графиня Елена Безухова скоропостижно умерла от этой страшной болезни, которую так приятно было выговаривать. Официально в больших обществах все говорили, что графиня Безухова умерла от страшного припадка angine pectorale [грудной ангины], но в интимных кружках рассказывали подробности о том, как le medecin intime de la Reine d'Espagne [лейб медик королевы испанской] предписал Элен небольшие дозы какого то лекарства для произведения известного действия; но как Элен, мучимая тем, что старый граф подозревал ее, и тем, что муж, которому она писала (этот несчастный развратный Пьер), не отвечал ей, вдруг приняла огромную дозу выписанного ей лекарства и умерла в мучениях, прежде чем могли подать помощь. Рассказывали, что князь Василий и старый граф взялись было за итальянца; но итальянец показал такие записки от несчастной покойницы, что его тотчас же отпустили.
Общий разговор сосредоточился около трех печальных событий: неизвестности государя, погибели Кутайсова и смерти Элен.
На третий день после донесения Кутузова в Петербург приехал помещик из Москвы, и по всему городу распространилось известие о сдаче Москвы французам. Это было ужасно! Каково было положение государя! Кутузов был изменник, и князь Василий во время visites de condoleance [визитов соболезнования] по случаю смерти его дочери, которые ему делали, говорил о прежде восхваляемом им Кутузове (ему простительно было в печали забыть то, что он говорил прежде), он говорил, что нельзя было ожидать ничего другого от слепого и развратного старика.
– Я удивляюсь только, как можно было поручить такому человеку судьбу России.
Пока известие это было еще неофициально, в нем можно было еще сомневаться, но на другой день пришло от графа Растопчина следующее донесение:
«Адъютант князя Кутузова привез мне письмо, в коем он требует от меня полицейских офицеров для сопровождения армии на Рязанскую дорогу. Он говорит, что с сожалением оставляет Москву. Государь! поступок Кутузова решает жребий столицы и Вашей империи. Россия содрогнется, узнав об уступлении города, где сосредоточивается величие России, где прах Ваших предков. Я последую за армией. Я все вывез, мне остается плакать об участи моего отечества».
Получив это донесение, государь послал с князем Волконским следующий рескрипт Кутузову:
«Князь Михаил Иларионович! С 29 августа не имею я никаких донесений от вас. Между тем от 1 го сентября получил я через Ярославль, от московского главнокомандующего, печальное известие, что вы решились с армиею оставить Москву. Вы сами можете вообразить действие, какое произвело на меня это известие, а молчание ваше усугубляет мое удивление. Я отправляю с сим генерал адъютанта князя Волконского, дабы узнать от вас о положении армии и о побудивших вас причинах к столь печальной решимости».


Девять дней после оставления Москвы в Петербург приехал посланный от Кутузова с официальным известием об оставлении Москвы. Посланный этот был француз Мишо, не знавший по русски, но quoique etranger, Busse de c?ur et d'ame, [впрочем, хотя иностранец, но русский в глубине души,] как он сам говорил про себя.
Государь тотчас же принял посланного в своем кабинете, во дворце Каменного острова. Мишо, который никогда не видал Москвы до кампании и который не знал по русски, чувствовал себя все таки растроганным, когда он явился перед notre tres gracieux souverain [нашим всемилостивейшим повелителем] (как он писал) с известием о пожаре Москвы, dont les flammes eclairaient sa route [пламя которой освещало его путь].
Хотя источник chagrin [горя] г на Мишо и должен был быть другой, чем тот, из которого вытекало горе русских людей, Мишо имел такое печальное лицо, когда он был введен в кабинет государя, что государь тотчас же спросил у него:
– M'apportez vous de tristes nouvelles, colonel? [Какие известия привезли вы мне? Дурные, полковник?]
– Bien tristes, sire, – отвечал Мишо, со вздохом опуская глаза, – l'abandon de Moscou. [Очень дурные, ваше величество, оставление Москвы.]
– Aurait on livre mon ancienne capitale sans se battre? [Неужели предали мою древнюю столицу без битвы?] – вдруг вспыхнув, быстро проговорил государь.
Мишо почтительно передал то, что ему приказано было передать от Кутузова, – именно то, что под Москвою драться не было возможности и что, так как оставался один выбор – потерять армию и Москву или одну Москву, то фельдмаршал должен был выбрать последнее.
Государь выслушал молча, не глядя на Мишо.
– L'ennemi est il en ville? [Неприятель вошел в город?] – спросил он.
– Oui, sire, et elle est en cendres a l'heure qu'il est. Je l'ai laissee toute en flammes, [Да, ваше величество, и он обращен в пожарище в настоящее время. Я оставил его в пламени.] – решительно сказал Мишо; но, взглянув на государя, Мишо ужаснулся тому, что он сделал. Государь тяжело и часто стал дышать, нижняя губа его задрожала, и прекрасные голубые глаза мгновенно увлажились слезами.
Но это продолжалось только одну минуту. Государь вдруг нахмурился, как бы осуждая самого себя за свою слабость. И, приподняв голову, твердым голосом обратился к Мишо.
– Je vois, colonel, par tout ce qui nous arrive, – сказал он, – que la providence exige de grands sacrifices de nous… Je suis pret a me soumettre a toutes ses volontes; mais dites moi, Michaud, comment avez vous laisse l'armee, en voyant ainsi, sans coup ferir abandonner mon ancienne capitale? N'avez vous pas apercu du decouragement?.. [Я вижу, полковник, по всему, что происходит, что провидение требует от нас больших жертв… Я готов покориться его воле; но скажите мне, Мишо, как оставили вы армию, покидавшую без битвы мою древнюю столицу? Не заметили ли вы в ней упадка духа?]
Увидав успокоение своего tres gracieux souverain, Мишо тоже успокоился, но на прямой существенный вопрос государя, требовавший и прямого ответа, он не успел еще приготовить ответа.
– Sire, me permettrez vous de vous parler franchement en loyal militaire? [Государь, позволите ли вы мне говорить откровенно, как подобает настоящему воину?] – сказал он, чтобы выиграть время.
– Colonel, je l'exige toujours, – сказал государь. – Ne me cachez rien, je veux savoir absolument ce qu'il en est. [Полковник, я всегда этого требую… Не скрывайте ничего, я непременно хочу знать всю истину.]
– Sire! – сказал Мишо с тонкой, чуть заметной улыбкой на губах, успев приготовить свой ответ в форме легкого и почтительного jeu de mots [игры слов]. – Sire! j'ai laisse toute l'armee depuis les chefs jusqu'au dernier soldat, sans exception, dans une crainte epouvantable, effrayante… [Государь! Я оставил всю армию, начиная с начальников и до последнего солдата, без исключения, в великом, отчаянном страхе…]
– Comment ca? – строго нахмурившись, перебил государь. – Mes Russes se laisseront ils abattre par le malheur… Jamais!.. [Как так? Мои русские могут ли пасть духом перед неудачей… Никогда!..]