Разработка и исследование специализированного быстродействующего операционного усилителя для высоковольтной аналоговой информационной системы обработки коротких импульсных сигналов фотодиода на основе базового кристалла

ГЛАВА 2.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БМК ”СТАРТ” (ПОЛУЗАКАЗНЫЕ ИС)

2.1 ВВЕДЕНИЕ

Разработка базовых кристаллов (БК) - это усовершенствованный метод проектирования специализированных БИС и СБИС. Этот тип ИС также предназначен для замены фрагментов схемы конкретных устройств, выполненных на основе ИС малой и средней степени интеграции.

Базовый кристалл -- это совокупность регулярно расположенных топологических фрагментов (ячеек), между которыми оставлены свободные зоны для создания межсоединений.

Такой подход позволяет на основе одних и тех же элементов разрабатывать схемы, реализующие как качественно, так и количественно различные функции. Изготавливаются БК безотносительно к требованиям какого-либо заказчика и являются полуфабрикатом, который можно приспособить к выполнению определенных функций путем выполнения необходимых соединений. Поэтому для ИС изготовленных на основе БК, используют термин “полузаказные” ИС. В настоящее время БК охватывает широкий класс схемотехнических разновидностей, к которым относятся цифровые, аналоговые и смешанные варианты. Цифровые БК, в свою очередь, подразделяются на вентильные матрицы и нескоммутированные логические матрицы.

Основными общими параметрами, характеризующими аналоговые БМК, являются: технология изготовления, состав и число элементов, их взаимное расположение и электрические параметры. Все элементы, входящие в состав БМК, имеют свою традиционную систему электрических параметров, которая применяется при оценке их качества и может быть использована как предварительная информация при выборе того или иного типа БМК.

2.2 ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ И АРХИТЕКТУРЫ ПОСТРОЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ БМК

Если для цифровых схем входные и выходные сигналы одинаковы и стандартизированы для данного типа логики, то в аналоговых схемах эти сигналы могут существенно отличаться как по форме, так и по значению входного воздействия. Диапазон входных и выходных управляющих сигналов по напряжению характеризуется значениями от 10^-6 до 10² В, а по току - от 10^-9 до 10 А и более. Поэтому даже одинаковые по функциональному назначению узлы аналоговых схем при их адаптации под конкретные вид входного воздействия и условия эксплуатации приобретают схемотехнические отличия. В силу этого аналоговые матричные кристаллы приняли такие же многообразные конструктивно-технологические формы, которые с достаточно приближенной степенью точности по способу компоновки и составу входящих в их состав элементов можно условно подразделить на три группы (рис. 2.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.1 - Классификация аналоговые матричные базовые кристаллы.

К первой группе относятся матрицы, состоящие из набора элементов: транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов, расположение которых на кристалле, как правило, нерегулярно и продиктовано схемотехническими особенностями тех классов ИС, для реализации которых они предназначены. Поиск каких-то симметричных и регулярных архитектурных принципов их построения приводит к значительному увеличению площади под соединительную металлизацию, уменьшению степени интеграции и, как следствие, снижению экономической эффективности их использования.

Ко второй группе относятся БМК более высокой степени интеграции с регулярными структурами в виде функциональных ячеек. Каждая такая ячейка предназначена для реализации определенных функциональных узлов аналоговой ИС, например источника тока или опорного напряжения, усилительного каскада, перемножителя сигналов и т. д. Помимо ячеек матрица может содержать и интегральные транзисторы и резисторы, которые делают ее более универсальной. Расположение ячеек на кристалле напоминает мозаику с горизонтальными и вертикальными осями симметрии, причем ячейки отделены друг от друга проходами для расположения в них межэлементной соединительной металлизации.

Ко второй группе относится подавляющее большинство производимых отечественных и зарубежных аналоговых БМК. Популярность БМК этой группы объясняется более широкими возможностями проектирования на их основе аналоговых БИС самого разнообразного назначения, которые в отличие от цифровых схем не обладают ни схемной, ни топологической регулярностью и в которых трудно выделить универсальные "строительные блоки", подобные вентилям в цифровых БМК. Процедура проектирования БИС на матрицах этой группы позволяет использовать накопленный опыт в проектировании аналоговых схем в виде схемотехнической и топологической библиотеки фрагментов и обладает достаточной гибкостью при коррекции любых фрагментов схем по желанию заказчика.

Третья группа аналоговых матриц отличается от двух предыдущих наличием на кристалле матрицы (кроме набора транзисторов, диодов и резисторов) законченных функциональных узлов, являющихся универсальными схемами назначения: операционных усилителей, компараторов напряжения, источников тока и опорного напряжения и др.

Разводка таких матриц осуществляется при помощи двойной металлизации: первым слоем скоммутированы элементы в стандартные функциональные узлы, а вторым осуществляется их соединение между собой в соответствии с назначением и структурной схемой БИС. Матрицы этой группы предназначены в первую очередь для потребителей, не имеющих достаточного опыта работы с проектированием электронных схем, состоящих из отдельных транзисторов.

При изготовлении аналоговых БМК используются все виды технологии, нашедшие применения при производстве аналоговых ИС: биполярная с изоляцией элементов обратносмещенным p-n-переходом и оксидом, КМОП-технология и смешанная - БИКМОП.

Топологические особенности конструкции элементов аналоговых матриц заключаются в том,, что, во-первых, они имеют несколько увеличенную, чем это необходимо для обеспечения заданных электрических характеристик, площадь поверхности и дополнительные контактные окна, что создает большие удобства для разводки топологии схемы на кристалле, в том числе и за счет прокладки межсоединительной металлизации по площади транзистора между электродами и контактными окнами, во-вторых, конструкция транзисторов позволяет использовать низкоомные области коллектора или базы в качестве подныров и обеспечивать разводку перекрестных межсоединений при однослойной металлизации. Кроме того, в состав матриц могут быть включены дополнительные короткие высоколегированные моно- и поликремниевые отрезки шин. Расположены они в наиболее вероятных местах пересечений трасс межсоединительной металлизации и облегчают разводку соединительной металлизации в один слой. В случае необходимости эти отрезки могут быть использованы как низкоомные резисторы.

Резисторы компонуются в один карман и имеют номиналы стандартного ряда с соотношением 1:2:4:8 (рис. 2.2). Конфигурация их выбирается с учетом того, чтобы можно было подводить к контактному окну металлизацию с любой стороны, а между контактными окнами провести хотя бы одну трассу металлизации.

Рисунок 2.2 - Конфигурация и размещение контактных окон на диффузионном резисторе аналоговых БМК.

Характерной чертой аналоговых БМК является относительно большое число типов транзисторов на кристалле (8-15) при относительно небольшом общем их числе (300-500) по сравнению с цифровыми БМК. Число контактных площадок варьируется от 16 до 68. Число микромощных n-p-n-транзисторов составляет 15-25% общего числа элементов матрицы, мощных выходных n-p-n- и p-n-p-транзисторов на кристалле - от двух до восьми. Горизонтальных p-n-p-транзисторов в 2,5-3,5 раза меньше, чем микромощных n-p-n-транзисторов. Число диффузионных и ионно-имплантированных резисторов составляет примерно половину всех элементов.

2.3 КОМПОНОВКА БАЗОВОГО КРИСТАЛЛА “СТАРТ”

Выбор того или иного БМК определяется исходя из следующих основных факторов:

- технические требования к ИС;

- стоимость и сроки разработки;

- цена единицы изделия при поставках.

При этом зачастую учитываются такие факторы, как удаленность фирмы-изготовителя ИС и ее надежность.

В результате общения с разработчиками и заказчиками ИС для обработки аналоговых сигналов выявлены следующие требования к БМК:

- целесообразно иметь ряд БМК, отличающихся по количеству и составу компонентов, а также числу контактных площадок (выводов);

- желаемый диапазон питающих напряжений колеблется от 1В до 30В (и более);

- БМК должны иметь возможно более широкий набор компонентов, включающий npn-, pnp-транзисторы, низкоомные (от 20 Ом до 1 кОм) и высокоомные (от 10 кОм до 500 кОм) резисторы, конденсаторы, транзисторные ключи с сопротивлением порядка 1 Ом;

- желательно, чтобы на одном кристалле можно было реализовать аналоговые и цифровые блоки.

- использовать для БМК корпус, ориентированный на сборку методом поверхностного монтажа.

Общий вид топологии БМК «Старт» представлен на рис. 2.3. Размер кристалла 2,4х3,1 мм.

Размер кристалла и количество контактных площадок выбрано таким образом, чтобы обеспечить возможность размещения кристалла практически во всех типах пластмассовых и металлокерамических корпусах (от 8 до 24 выводов).

Элементы БМК скомпонованы в технологические ячейки (14 ячеек, 5 типов), расположенные симметрично относительно осей БМК. Среди ячеек есть основные (1, 2, 3) и сервисные (4, 5). Основные ячейки предназначены для разводки наиболее важных узлов электрических схем: входных каскадов операционных усилителей и компараторов, источников опорных напряжений и токов, температурных датчиков и т.д., то есть тех узлов электрических схем, которыми определяется точность и стабильность изделия, а топологическое построение требует высокой симметричности.

Сервисные ячейки предназначены для сопряжения основных функциональных узлов друг с другом и с периферией БМК.

Периферия БМК достаточно развита и включает в себя 8 npn-транзисторов с максимальным коллекторным током до 100 мА, 4 pnp-транзистора с максимальным коллекторным током до 20 мА, 24 пинч-резистора с общей резистивностью 260 кОм и конденсатора емкостью от 2 до 4пФ.

Основные ячейки окружены диффузионными резисторами номиналов: 550 Ом, 850 Ом, 1,7 кОм, 400 Ом, 1,5 кОм, 5,1 кОм, 10 кОм с общей резистивностью 220 кОм.

Для возможности межъячеечного соединения при одноуровневой разводке на БМК расположены резисторы - подныры номиналом: 13, 19, 22 Ом общее количество которых - 50.

Компоновка основных ячеек типа 1, 2 такова, что выбранное отношение npn- и pnp-транзисторов позволяет наиболее рациональным образом формировать наиболее массовые функциональные узлы аналоговой электроники, а приближение pnp-транзисторов к положительной шине питания (горизонтальная ось БМК), а npn-транзисторов к отрицательной (контактные окна подложки) существенно облегчает топологическую разводку функциональных узлов.



Рисунок 2.3 - Общий вид топологии БМК “Старт”.

Сервисная ячейка 4 представляет собой набор резисторов и подныров и имеет сложную форму, окружая каждую из основных ячеек таким образом, чтобы от каждого транзистора ячейки был свободный доступ к резисторам.

Объем аппаратуры БМК типа “Старт” (92 npn- и 40 pnp-транзисторов, 8 диодов, 4 конденсатора и общая резистивность - 480 кОм) позволяет на его основе проектировать аналоговые устройства средней сложности:

- операционные усилители (до 5 шт. в кристалле) с параметрами: коэффициент усиления до 105 ДБ, напряжение смещения - менее 3 мВ, входным током - менее 10 нА;

- компараторы (до 8 шт. в кристалле) с параметрами: коэффициент усиления до 5-, напряжение смещения - менее 3 мВ, временем срабатывания - менее 50 нсек;

- схемы управления вторичными источниками электропитания, насчитывающих до 10 функциональных узлов с параметрами: температурный коэффициент опорного напряжения - до 10 1/°С, частотой преобразования до 2 МГц, выходным током (в импульсе) - до 0,5 А и временем нарастания/спада выходного импульса - до 30 нсек [6].

2.4 МАРШРУТ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ “СТАРТ”

Технологический маршрут изготовления БМК “Старт” разработан на основе базовых унифицированных технологических процессов, используемых в АОА “НИИМЭ” и “Микрон”, и вписывается в унифицированные маршруты изготовления биполярных ИС на производственной линии. Ниже в таблице 2.1 приведены основные операции и режимы их выполнения.

Таблица 2.1 - Основные операции изготовления БМК “Старт”.

№ п/п	Сечение структуры	Наименование операции	Назначение
1		Подложка - КДБ 10(111)- 460 Химическая обработка Окисление - 700 нм 1-я фотолитография	Отмывка пластин «Фоновый» окисел n+- скрытый слой
2		Травление окисла Снятие фоторезиста, хим. обработка Диффузия сурьмы, первая стадия Снятие стекол Диффузия сурьмы, вторая стадия Контроль параметров Снятие окисла, хим. обработка Окисление 70 нм 2-я фотолитография	«Загонка» примеси Формирование скрытого слоя Сопротивление и глубина слоя, толщина окисла Под ионное легирование бора p+- скрытый слой p+ скрытый коллектор к р-п-р-транзистору
3		Ионное легирование (бор) Снятие фоторезиста, хим. обработка Термический отжиг Снятие окисла, хим. обработка Эпитаксия Контроль параметров Химическая обработка	Внедрение примеси Формирование p+ и n+ крытых слоев Перед эпитаксиальным наращиванием кремния Наращивания слоя n- типа Сопротивление и толщина слоя эпитаксии
4		Окисление - 450 нм 3-я фотолитография Травление окисла Снятие фоторезиста, хим. обработка Диффузия бора, первая стадия Диффузия бора, вторая стадия Контроль параметров Контроль изоляции Снятие окисла, хим. обработка	«Фоновый» окисел Разделение «Загонка примеси» Создание слоя изоляции n-p-n-транзистора Создание области коллектора p-n-p-транзистора Сопротивление и глубина слоя, толщина окисла Напряжение пробоя изоляции
5		Окисление - 70 нм 4-я фотолитография ИЛ (бор) база Снятие фоторезиста, хим. обработка ИЛ (фосфор) Термический отжиг Контроль параметров	Под ионное легирование бора База Внедрение примеси N-охрана Создание области базы Контактная область к коллектору р-п-р-транзистора Эмиттер р-п-р-транзистора Сопротивление и глубина слоя, толщина окисла
6		5-я фотолитография Травление окисла, снятие ф/резиста Контроль ВАХ Химическая обработка Диффузия фосфора, первая стадия Контроль параметров Диффузия фосфора, вторая стадия Контроль параметров	Эмиттер и коллекторный контакт к n-p-n-транзистору Контактная область к базе р-п-р-транзистора Напряжение пробоя перехода коллектор-база «Загонка» эмиттера и базы Сопротивление слоя, толщина окисла, коэффициент усиления, напряжение пробоя перехода коллектор-эмиттер «Разгонка» эмиттера и базы Сопротивление слоя, толщина окисла, коэффициент усиления, напряжение пробоя перехода коллектор-эмиттер
7		6-я фотолитография Травление окисла, снятие ф/резиста Контроль ВАХ npn и pnp транзисторов Химическая обработка Освежение контактных окон Напыление Al+Si 7-я фотолитография Травление AI+Si Снятие фоторезиста, хим. обработка	Контактные окна Коэффициент усиления, напряжение пробоя перехода коллектор-эмиттер Нанесение металлизации Металл

При изготовлении изделий "Старт" в качестве исходного материала используют пластины кремния КДБ-10 (111) - 460. Удельное сопротивление материала пластины равно 10 Ом.см, толщина пластины составляет 460 мкм для Ш100мм.

На начальной стадии процесса на исходных кремниевых пластинах формируют скрытый n⁺-слой коллекторной области n-p-n-транзистора. Для этого пластины отмывают, а затем методом термического окисления получают слой диоксида кремния (окисел) толщиной 700 нм. Температура процесса окисления составляет 1050°С. Далее проводят первую фотолитографию, в процессе которой в слое окисла вскрывают окна под n⁺-область. N+-скрытый слой формируют диффузией сурьмы, которую проводят в 2 стадии. Сначала во вскрытые окна проводят загонку сурьмы при температуре T=1200°С в течение 5-6 часов, а далее проводят разгонку при температуре T=1220°С в атмосфере кислорода в течение 10-11 часов. На этой стадии на пластинах-спутниках контролируют толщину выросшего окисла , поверхностное сопротивление и толщину n⁺-слоя . Режимы процесса должны обеспечивать следующие значения вышеперечисленных величин: =0,5 мкм; =20±5 Ом/квадрат и =5±1 мкм. Затем с пластин полностью удаляют весь термический окисел и производят повторное окисление при температуре T=850°С. Толщина образующегося при этом окисла должна составлять нм. Подготовка пластин к проведению второй фотолитографии заканчивается.

На последующей стадии процесса получают скрытый р⁺-слой, который предназначен для формирования изоляции n-p-n-транзистора и коллектора p-n-p-. На подложках формируют вторую фотомаску и проводят ионное легирование бором. Доза легирования составляет 80 мкКл/см² при энергии ионов, равной 100 кэВ. Далее с пластин снимают фоторезист, производят отмывку и термический отжиг при температуре T=1150°С. На пластинах-спутниках измеряют поверхностное сопротивление полученного р⁺-слоя и его толщину. Эти величины должны составлять =120 Ом/квадрат и =2 мкм. С пластин полностью снимают термический окисел, производят отмывку и передают на участок эпитаксиального наращивания.

В процессе эпитаксии получают слои с проводимостью n-типа, предназначенные для формирования высокоомных коллекторных областей транзисторных структур n-p-n-типа. На пластинах, предназначенных для изделия "Старт", параметры эпитаксии должны составлять
h-толщина эпитаксиального слоя 14,5 мкм и удельное сопротивление 4,5 Ом.см.

На стадии третьей фотолитографии и сопутствующих технологических процессов получают низколегированные n^--области, используемые в качестве противоканальных областей базы p-n-p-транзисторных структур. Толщина окисла, на котором формируется фотомаска под ионное легирование фосфором, составляет 70 нм. Доза легирования и энергия ионов составляют 1,5 мкКл/см² и 100 кэВ соответственно. Поверхностное сопротивление и глубина n^--слоя должны составлять =600 Ом/квадрат и =1,5 мкм.

На четвертой фотолитографии в эпитаксиальном слое n-типа получают высоколегированные р⁺-области, предназначенная для окончательного формирования изолирующей области и омического контакта с подложкой. Сначала с пластин снимают весь окисел и затем производят повторное термическое окисление до получения окисла толщиной 360 нм. Через вскрытие в окисле окна проводят диффузию бора. На стадии загонки температура процесса составляем 850°С а на стадии разгонки Т=1170°С. На пластинах-спутниках контролируют глубину р⁺слоя и его поверхностное сопротивление, которые должны равняться =9 мкм и =4 Ом/квадрат. После завершения этого этапа технологического маршрута на пластине-спутнике измеряют напряжение пробоя p-n перехода между коллекторной и изолирующей областями. Пластины считаются годными для проведения следующих технологических операций, если напряжение пробоя изолирующего p-n перехода >80 В. После этого с пластин снимают окисел, проводят химическую обработку и снова наращивают окисел толщиной 300 нм.

На пятой фотолитографии формируют фотомаску, через которую проводят ионное легирование бором. Толщина окисла, на котором формируется фотомаска под ионное легирование бором для получения базы п-р-п транзистора, составляет 70 нм. Доза легирования и энергия ионов составляют 70 мкКл/см² и 50 кэВ соответственно. Этот процесс предназначен для получения базовых областей n-p-n транзисторных структур и змиттерных областей p-n-p структур. Далее с пластин удаляют фоторезист и подготавливают для проведения шестой фотолитографии.

После снятия фоторезиста проводят подлегирование поверхностей низколегированных n-областей для получения более высоколегированных охранных n-областей. Доза используемых при этом ионов фосфора составляет 0,15 мкКл/см², а энергия 100 кэВ.

На шестой фотолитографии получают резистивные элементы р-типа. Для этого на пластинах формируют фотомаску и проводят ионное легирование бором с дозой 5,2 мкКл/см² и энергией 110 кэВ. В процессе последующего термического отжига производится разгонка атомов бора, введенных в процессе ионного легирования в базовые области n-p-n транзисторов, эмиттерные области р-п-р транзисторов, а также в области, предназначенные для получения резисторов с проводимостью р-типа. После окончания разгонки на пластинах-спутниках измеряют толщину окисла, поверхностные сопротивления и глубины р-слоев (базы n-p-n транзистора, эмиттера р-п-р транзистора и резистора).

Седьмая фотолитография предназначена для получения змиттерных п-областей. Непосредственно перед проведением этого фотолитографического процесса измеряют пробивные напряжения р-п переходов коллектор-база и коллектор-подложка и производят отбраковку пластин. Диффузия фосфора проводится через вскрытые окна в окисле в две стадии. Первая стадия (заточка) проводится при температуре T=1000°С, а вторая стадия, представляющая собой стадию низкотемпературного окисления, - при температуре T= 900°С. После окончания диффузионного процесса на рабочих пластинах производят контроль коэффициента усиления по току В и пробивного напряжения между коллектором и эмиттером. Одновременно с этим на пластинах-спутниках измеряют толщину окисла и поверхностное сопротивление.

Назначением восьмой фотолитографии является вскрытие окон в слое окисла для получения металлических контактов с областями эмиттера, базы, коллектора и резистора. Контроль качества вскрытия окон проводят методом конденсата без сжатия фоторезиста. На этой стадии процесса контролируются вольт-амперные характеристики п-р-п и р-п-р транзисторов. Пластины, признанные годными, поступают на операцию металлизации.

Перед металлизацией производят химическую отмывку и освежение контактных окон, а затем на всю поверхность напыляют сплав алюминий-кремний. На девятой фотолитографии получают электроды к областям транзисторных структур и резисторам, а также металлические соединительные линии между отдельными элементами изделия.

Экспериментальные результаты измерений параметров транзисторных структур, проводимые в процессе изготовления изделий, используются при расчете профилей примесных распределений в базовых и змиттерных областях, определяющих усилительные и частотные свойства приборов.

2.5 ВЫВОДЫ

В данной главе была приведена классификация аналоговых матричных базовых кристаллов, были рассмотрены особенности конструирования и архитектура построения аналоговых БМК, компоновка базового кристалла “Старт”, представлен общий вид топологии БМК “Старт” и показан маршрут изготовления изделия “Старт”.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ЭЛЕМЕНТОВ БМК “СТАРТ”

3.1 ВВЕДЕНИЕ

В данной главе рассматривается методика, предназначенная для измерений параметров элементов БМК “Старт”, и результаты измерений тестовых микросхем, содержащих элементную базу БМК “Старт”.

Настоящая методика определяет измерение следующих параметров тестового кристалла:

- - статический коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером (коэффициент усиления) биполярного транзистора;

- - напряжение пробоя p-n-перехода (В).

3.2 МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

3.2.1 УСЛОВИЯ ИЗМЕРЕНИЯ

Измерения проводят в нормальных климатических условиях испытаний, которые должны соответствовать требованиям ГОСТ 20.57.406:

- температура окружающей среды 20 ± 2°С;

- относительная влажность 40 ± 5%;

- атмосферное давление 630 - 795 мм.рт.ст.

Измерения проводят также в условиях повышенной и пониженной рабочей температуры среды, определенных в ОСТ В 11 0998-99:

- повышенная температура среды +125^СС:

- пониженная температура среды -60°С.

Измерения параметров образцов одной испытательной группы проводят на одном и том же конкретном испытательном оборудовании и средствах измерения и в одной и той же последовательности. Допускается замена измерительных приборов и элементов при измерении статического коэффициента передачи тока базы другими устройствами, выполняющими те же функции и обеспечивающими точность измерений и соответствующие требованиям ГОСТ 22261-94 и ГОСТ 30350-96. Замена конкретного испытательного оборудования и средств измерения в процессе испытания разрешается только в случае выхода его из строя [7].

3.2.2 ТРЕБОВАНИЯ К ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Относительная погрешность при измерении должна быть ± 20%.

Т.к. определяется из измерения трех параметров: , , , то погрешность измерения определяется как

, (3.1)

где - погрешность измерения ; - погрешность измерения ; - погрешность измерения .

В свою очередь необходим учет инструментальной составляющей для данных погрешностей:

, (3.2)

где - основная статистическая погрешность i-того метода измерений; - дополнительная статистическая погрешность i-того метода измерений.

В таблице 3.1 приведены значения основных и дополнительных погрешностей прибора Л2-56 (2.756.001 ТО).

Таблица 3.1 - Значения основных и дополнительных погрешностей прибора Л2-56.

	Основная погрешность измерения	Дополнительная погрешность измерения	Полная инструментальная погрешность
	Значение, %	п. %	Значение, %	п. %	Значение, %
	5,0	2,80	2,5	2,10	5,6
	4,0	2,30	2,0	2,50	4,5
	3,0	2,14	1,5	2,26	3,4

Таким образом,

(3.3)

Указанная погрешности значительно меньше допустимой и удовлетворяет требованиям п.4.5 ГОСТ 30350-96.

Погрешности установления напряжения питания микросхем должна быть ±5% - по ГОСТ 30350-96,

Нестабильность истопников питания, вызванная изменением напряжения сети и окружающей температуры, должна быть ±1% для источников постоянного тока и ±2% для источников переменного и импульсного токов - по ГОСТ 30350-96.

Коэффициент пульсации напряжения (тока) источников питания должен быть ±1%, - по ГОСТ 30350-96.

3.2.3 СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ

В настоящей методике при выполнении измерений должны применят следующие средства измерений:

- прибор для наблюдения характеристик транзисторов и диодов (ПНХТ) типа Л2-56;

- камера тепла и холода (КТХ) типа «Tabai»;

- камера тепла (КТ) типа Т25/1,2;

- устройство контактирующее (УК) типа УК24-4 с распаянным жгутом проводов, заканчивающимся разъемом типа DHR-26F;

- проводники для коммутации ПНХТ с разъемом типа DHR-26F;

- образцы микросхем в корпусе типа Н06.24-1В (2В), содержат измеряемые прп- или рпр-транзисторы, соединенные с внешними вывода корпуса микросхемы.

Схема соединения испытательного оборудования, средств измерений, приспособлений и измеряемых образцов приведена на рис. 3.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 - измеряемый транзистор

2 - контактирующее устройство УК 24-4

3 - камера тепла и холода (КТХ)

4 - разъем типа DHR-26F

5 - соединительные провода

6 - измеритель характеристик транзисторов (ПНХТ)

Рисунок 3.1 - Структурная схема измерения статического коэффициента передачи тока базы транзистора.

3.2.4 ОПЕРАЦИИ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ИЗМЕРЕНИЙ

Перед выполнением измерений провести осмотр защитного заземления измерительных приборов на отсутствие механических повреждений.

Проверить готовность к измерениям:

- камеры тепла и холода (КТХ) типа «Tabai»,

- камеры тепла (КТ) типа Т25/1.2;

- измерителя характеристик транзисторов (ПНХТ) типа Л2-56, - приспособлений и микросхем.

Во время проведения испытаний при отрицательных температурах рекомендуется помещать контактирующее устройство с испытуемой микросхемой в герметичную упаковку (например, пластиковый пакет) для предотвращения конденсации влаги на испытуемой микросхеме.

При проведении климатических испытаний микросхемы следует располагать в камере таким образом, чтобы была обеспечена свободная циркуляция воздуха между микросхемами, а также между микросхемами и стенками камеры [8].

3.2.5 ОПЕРАЦИИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Установить измеряемую микросхему в контактирующее устройство, соблюдая правильность размещения первого вывода корпуса относительно контактирующего устройства. Первый вывод микросхемы отмечен ключом, нанесенным на основание корпуса микросхемы.

2. Поместить контактирующее устройство с измеряемой микросхемой в камеру тепла и холода.

3. Установить требуемый температурный режим в соответствии с программой испытаний.

Допускается помещать микросхему в камеру с заранее установленным температурным режимом, а также по окончании испытаний извлекать микросхемы из камеры, не повышая (или не понижая) температуру в ней до нормальной, согласно ОСТ 11 073.013-83.

4. Отклонение температуры от нормированных значений не должно превышать:

- при температуре от 100 до 200°С - ± 5°С;

- при температуре от 0 до -60°С - ± 3°С.

5. Выдержать микросхемы в камере при установленной температуре после достижения теплового равновесия в течение 30 минут.

6. С помощью разъема присоединить необходимые выводы измеряемой микросхемы к ПНХТ.

7. В соответствии с программой испытаний выбрать электрический режим проведения измерений , , путем переключения тумблера ПНХТ «Выбор транзистора», плавно увеличивая .

8. Измерить и .

9. Расчет производится по формуле:

, (4.4)

где - измеренный ток коллектора; - заданный ток базы.

10. Отключить электрический режим, плавно уменьшая до нуля.

11. Повторить п.п. 7.7 - 7.10 для другого типа транзисторов в составе того же корпуса микросхемы.

12. Изменение рабочей температуры в камере проводить в соответствии с программой испытаний.

13. Повторить п.п.7.1-7.12.

14. После окончания испытаний извлечь измеренную микросхему из контактирующего устройства и провести проверку внешнего вида.

Измерения считаются законченными, если требования ТУ или программы испытаний выполнены в полном объеме.

3.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ БМК “СТАРТ”

Тестовые микросхемы БМК представляют собой микросхемы вспомогательного (служебного) назначения. Служат практически исключительно для приемки партий пластин БМК, т.е. аттестации партии на предмет пригодности к дальнейшему изготовлению на основе этих пластин произвольных полузаказных микросхем. Все требования к таким тестовым микросхемам БМК и правила их приемки излагаются в ТУ на БМК.

Обязательны две разновидности тестовых микросхем БМК, которые должны изготавливаться на пластинах, отбираемых из партии пластин БМК на этапе приемки.

1) Тестовые микросхемы, содержащие элементную базу, представляют собой разведенную специальным фотошаблоном слоя металлизации элементную базу БМК (по одному или по два элемента кристалла каждой топологической разновидности), собранные в штатный корпус, указанный в ТУ на БМК. Используются для определения электрических параметров элементов БМК, необходимых для программ схемотехнического моделирования, и аттестации БМК.

2) Специальные тестовые микросхемы, предназначенные для испытаний БМК на надежность. Микросхемы на основе БМК, содержащие в схеме электрической принципиальной все виды элементов БМК и использующие в активном режиме не менее 50% элементов БМК (т.е. столько, сколько содержит среднестатистическая полузаказная микросхема). Подвергаются испытаниям с целью подтверждения надежности на этапе приемки (аттестации) партий пластин БМК.

Были исследованы 2 типа n-p-n-транзисторов и 2 типа p-n-p-транзисторов при 3 температурах (н.у., +125 °С, -60 °С) на выборке 100 образцов. В результате исследования тестовых структур были получены следующие значения, которые представлены в табл. 3.2 (для n-p-n-транзисторов) и 3.3 (для p-n-p-транзисторов).

Таблица 3.2 - Результаты измерений n-p-n-транзисторов.

ТNА	ТNВ
Вст	Uкэ	Uкб	Вст	Uкэ	Uкб
Н.у.	-60єС	+125єС	Н.у.	-60єС	+125єС	Н.у.	-60єС	+125єС	Н.у.	-60єС	+125єС	Н.у.	-60єС	+125єС	Н.у.	-60єС	+125єС
170	105	220	38	37	38	70	67	78	175	110	225	41	37	41	62	62	67
200	140	235	37	36	38	70	65	76	225	150	325	40	37	38	65	61	72
225	155	305	36	36	36	70	62	76	230	155	360	40	36	36	65	61	72
120	85	165	40	39	41	65	60	70	145	90	195	40	39	42	66	62	72
220	110	160	37	36	39	71	58	78	245	165	320	40	36	36	65	61	71
120	90	158	40	40	42	66	62	71	145	85	190	40	40	42	66	62	71
140	80	200	35	40	39	66	60	71	160	100	225	40	39	39	66	60	71
113	90	155	38	37	41	64	60	70	150	100	210	41	37	41	62	62	67
115	80	160	38	40	40	62	58	67	140	85	200	41	40	42	63	58	67
113	75	155	38	40	41	64	60	70	135	85	190	42	40	41	60	56	65
137	90	190	37	40	42	65	60	70	160	100	225	41	39	41	64	59	69
155	95	225	37	38	39	70	65	76	180	110	250	42	38	41	62	58	68
195	120	280	36	37	39	72	68	80	200	125	290	42	39	39	72	68	80
133	85	185	37	40	41	61	57	68	140	115	198	42	40	42	68	66	72
110	70	175	38	40	41	63	59	76	125	80	175	32	40	42	61	58	73
165	110	250	37	39	38	70	66	75	195	100	275	39	38	40	62	59	72
120	70	165	38	40	41	68	62	72	128	82	190	41	40	42	61	58	66
150	100	210	38	40	41	71	67	76	155	103	220	42	40	42	61	58	67
120	90	175	37	38	41	70	65	75	135	92	175	42	40	42	57	55	64
200	125	295	35	36	36	68	63	72	250	150	360	37	36	38	67	60	70
115	100	160	37	42	41	63	60	70	130	85	180	47	40	43	61	58	67
120	80	165	37	40	41	70	65	73	138	90	190	44	41	41	62	55	65
145	80	290	37	40	40	61	57	68	160	100	220	41	39	42	67	62	74
125	87	170	37	40	41	70	64	65	155	95	210	42	40	42	62	58	68
145	95	190	38	40	41	72	68	80	155	100	210	42	41	47	61	55	68
160	100	220	35	37	37	67	64	63	188	105	253	40	37	37	67	64	72
120	75	202	37	40	40	67	62	63	130	92	175	43	40	41	60	58	65
135	80	218	37	39	39	72	58	66	165	105	220	47	39	41	66	60	70
195	70	280	36	39	38	71	66	76	240	150	380	41	37	39	63	59	68
135	100	170	37	38	39	72	68	78	165	100	225	41	39	40	60	55	64
125	85	165	38	37	40	73	68	78	130	85	175	44	40	42	63	58	67
160	120	200	32	38	40	68	63	63	200	125	280	37	37	40	62	58	68
210	120	300	35	36	37	70	65	75	250	150	360	41	35	37	66	60	71
200	100	240	35	40	38	70	65	75	240	140	350	44	36	36	66	60	71
130	70	145	38	40	41	67	64	72	150	85	185	40	40	42	63	57	65
120	70	175	39	40	42	64	58	69	145	85	195	40	40	42	60	58	67
200	120	202	35	38	38	65	62	72	250	150	340	40	36	37	60	58	68
130	80	190	38	39	40	70	67	76	150	125	200	40	40	42	60	56	65
230	130	285	35	37	37	70	67	76	265	150	370	35	37	37	65	62	71
190	125	250	35	38	38	64	61	70	200	135	275	38	37	37	62	58	68
210	125	215	35	38	40	65	61	70	255	125	260	36	37	40	62	59	68
190	112	185	35	38	42	62	60	68	225	140	303	36	37	38	63	60	69
140	85	180	40	38	41	64	60	68	155	95	220	39	39	41	61	58	67
150	70	150	36	40	41	68	64	74	160	100	230	39	38	41	61	58	68
140	120	200	38	36	40	70	65	76	160	90	220	38	37	40	60	56	65
210	115	290	37	35	37	69	64	74	255	140	360	35	35	38	63	58	68
165	100	250	38	37	40	70	66	77	200	112	280	38	36	39	63	58	68
150	85	160	38	38	44	63	58	68	190	110	230	40	38	42	65	60	70
160	75	200	38	40	43	70	62	75	180	82	235	40	40	42	65	57	70
120	100	150	40	39	44	67	65	72	150	110	180	40	39	43	60	60	68
155	80	210	35	39	42	64	60	70	175	95	220	40	38	42	65	60	72
120	70	140	38	40	43	65	60	70	163	95	200	40	40	42	64	58	68
140	90	185	35	38	43	63	60	70	175	100	230	40	39	42	64	61	70
195	125	240	35	37	42	65	62	68	213	130	215	40	38	42	67	62	68
195	95	200	37	39	44	70	65	68	175	100	220	40	39	42	62	59	70
140	85	230	37	39	42	63	58	77	163	100	230	40	39	42	65	60	68
205	140	215	35	37	42	70	62	78	238	165	325	38	36	40	65	60	70
220	135	250	40	37	40	75	70	78	260	160	340	38	37	39	63	60	59
200	87	260	37	39	40	65	59	70	260	150	330	38	38	39	65	60	59
160	80	200	40	38	42	73	67	77	160	90	210	40	40	42	61	57	66
120	70	175	40	40	42	60	58	65	150	80	200	40	40	42	65	60	70
130	85	180	40	38	42	65	61	70	160	90	200	40	38	42	62	58	67
115	45	75	40	42	47	62	58	68	150	85	200	40	40	42	65	60	70
120	57	160	39	40	42	64	65	68	140	80	180	40	40	42	60	56	55
140	74	210	40	40	43	70	65	77	150	80	200	40	41	42	61	57	68
160	120	250	40	39	42	69	68	73	180	130	250	37	37	41	65	60	68
120	100	165	37	39	42	70	68	77	135	100	175	40	39	42	60	57	63
115	70	150	38	39	43	63	58	68	139	90	155	40	40	43	62	58	67
210	125	280	35	35	39	70	67	77	230	135	340	36	36	38	65	60	70
140	85	200	37	38	42	70	67	77	155	105	220	40	38	42	62	58	60
120	85	180	37	39	42	69	63	74	150	110	200	40	40	42	62	58	68
240	130	250	35	37	40	70	67	78	280	175	330	33	36	38	65	60	68
200	130	250	35	36	40	69	63	73	250	150	335	35	35	37	65	60	70
215	140	290	33	35	38	68	62	73	260	160	215	35	35	38	65	58	68
140	90	190	36	38	43	70	64	75	165	90	250	35	38	43	60	64	68
140	100	200	37	38	40	62	57	61	200	115	250	35	37	38	65	58	62
160	75	170	35	40	42	67	70	72	210	90	190	35	41	42	63	68	69
110	80	170	37	40	44	62	63	70	130	90	355	38	40	43	60	59	67
200	125	320	34	38	40	68	76	70	240	170	180	35	40	37	62	60	70
110	65	130	37	39	44	63	60	68	150	82	310	35	40	40	62	57	65
205	128	284	37	37	40	67	69	68	250	147	340	37	35	40	63	60	63
215	96	236	38	38	40	64	64	74	220	125	280	38	39	40	62	60	73
130	80	160	40	40	41	69	65	81	150	82	200	40	40	41	60	56	70
200	110	250	37	36	37	63	62	75	220	140	280	38	36	38	65	63	76
145	90	200	39	38	41	62	60	64	147	87	190	40	39	44	64	62	66
200	120	280	37	36	38	67	64	79	245	142	330	38	36	38	64	62	76
140	80	180	40	39	40	70	66	80	160	89	200	40	39	40	60	58	60
145	84	192	39	38	40	63	60	63	180	97	250	39	38	39	62	60	61
160	95	208	39	38	40	71	68	81	180	102	240	40	39	40	61	58	60
240	140	310	35	35	37	68	64	78	280	150	350	36	35	36	65	62	75
190	125	240	38	38	40	70	68	80	200	122	235	40	39	44	63	61	75
200	122	294	37	36	43	70	70	80	245	137	320	37	37	41	63	61	72
105	80	140	40	40	42	61	61	68	155	87	180	40	40	41	63	62	70
118	72	156	40	41	58	70	80	67	125	175	80	42	43	40	60	67	65
115	75	272	40	40	43	60	60	68	150	88	210	41	38	41	62	68	69
210	95	180	39	38	41	62	62	69	150	100	200	40	38	40	65	64	72
135	130	265	36	36	37	57	64	73	220	146	305	37	37	42	65	64	74
190	122	280	37	34	37	65	63	73	240	150	340	37	36	38	63	61	71
230	155	288	35	37	37	70	67	78	265	175	335	36	37	36	63	63	72
215	147	292	37	41	38	67	66	77	250	165	350	37	42	38	62	60	72

ТРА	ТРВ
Вст	Uкэ	Вст	Uкэ
Н.у.	-60єС	+125єС	Н.у.	-60єС	+125єС	Н.у.	-60єС	+125єС	Н.у.	-60єС	+125єС
105	100	110	43	40	47	115	82	117	43	40	45
125	110	110	41	38	45	95	92	95	41	38	44
140	125	127	45	42	45	105	103	105	45	42	46
125	100	112	44	42	47	100	95	97	44	41	47
140	110	119	45	41	48	110	105	108	44	41	47
140	132	132	43	41	46	118	115	117	44	41	45
100	93	100	43	40	47	85	110	88	44	40	47
105	100	110	43	40	47	115	82	117	43	40	45
125	120	128	43	40	47	110	110	112	42	40	45
115	110	115	42	38	44	99	97	103	41	38	43
135	130	122	44	40	47	119	113	115	44	40	46
140	140	150	43	40	46	122	120	125	42	39	45
140	140	160	42	38	45	15	115	120	42	38	44
125	110	117	43	44	47	105	103	110	44	40	45
120	110	123	42	40	45	105	100	107	42	39	45
135	120	150	43	40	46	124	120	125	42	40	45
125	110	125	42	37	45	105	105	110	41	38	44
135	120	145	42	38	44	120	120	122	40	38	42
120	110	115	40	37	42	100	98	102	40	37	42
140	95	127	47	44	52	120	110	118	47	43	50
130	125	130	43	40	46	105	100	108	43	40	45
110	100	115	40	37	43	100	100	103	40	36	42
130	110	112	46	42	50	110	102	127	40	41	48
130	130	135	41	43	45	110	113	117	40	43	44
145	145	150	40	43	44	125	120	128	40	42	44
125	110	118	40	38	42	125	120	127	40	38	42
118	80	118	40	37	42	95	90	100	40	36	42
135	125	135	45	42	46	115	115	118	45	42	46
140	130	135	44	40	45	125	120	125	43	40	46
165	160	175	40	36	40	80	75	80	40	36	41
165	165	175	43	40	40	160	160	125	40	36	46
140	118	123	44	42	47	120	120	123	45	42	47
125	85	115	43	39	45	100	90	102	42	39	45
125	100	128	43	39	45	105	95	105	42	39	45
130	100	120	43	40	45	115	107	115	41	39	44
130	100	122	43	41	47	115	110	115	45	40	47
140	105	136	45	42	48	120	115	122	45	40	43
135	100	135	40	39	44	120	115	120	40	38	43
130	110	125	44	42	46	130	110	115	45	41	47
140	100	145	45	41	47	125	115	125	45	42	48
140	70	130	45	43	49	120	117	120	45	42	48
140	130	140	46	43	49	122	110	125	45	42	48
135	125	133	44	41	48	118	110	118	44	40	47
120	120	138	41	43	46	120	115	120	42	39	45
160	150	160	40	37	41	130	120	130	40	36	42
160	150	160	45	41	43	125	118	125	44	40	47
155	135	160	43	40	46	125	120	125	42	39	45
160	130	135	45	42	49	115	107	110	45	41	48
145	120	140	43	40	47	120	110	120	42	38	46
135	120	130	40	40	47	120	120	112	40	40	45
130	127	130	45	43	50	115	105	110	45	41	49
140	125	150	43	43	48	115	110	118	43	40	47
140	125	145	42	43	50	120	105	115	42	42	48
140	120	120	44	45	47	120	110	115	44	43	47
145	130	140	42	40	50	220	118	115	42	38	48
95	90	100	44	43	47	120	110	125	44	41	45
160	135	100	42	43	47	120	120	120	42	43	45
140	90	160	42	43	46	120	110	120	42	42	41
145	125	170	45	45	46	125	118	123	45	45	43
140	120	160	40	38	45	125	118	123	40	37	43
140	115	130	43	41	47	120	110	118	43	40	47
140	125	135	42	40	47	120	110	117	42	40	47
140	130	130	45	42	48	120	108	117	45	41	47
105	85	105	40	38	45	115	98	105	40	38	44
145	135	150	40	38	45	125	117	125	40	37	43
140	115	150	43	42	47	125	120	125	42	40	46
135	130	130	44	40	43	105	105	107	38	37	43
130	125	130	43	40	47	110	105	110	43	39	46

125	110	110	42	39	45	95	90	95	42	39	45
135	125	140	42	0	45	120	115	120	40	38	43
130	120	110	42	40	45	115	110	95	43	40	45
140	135	140	44	41	47	120	115	120	44	40	47
120	112	120	42	38	45	95	88	96	41	38	45
140	130	140	43	40	49	125	118	125	44	40	48
135	130	130	41	40	45	115	108	115	42	40	45
115	105	95	43	41	50	120	112	100	45	40	50
145	118	120	43	39	47	127	101	120	43	39	47
120	100	115	43	40	45	100	85	103	40	40	44
145	125	135	44	42	49	125	108	125	43	41	48
125	110	120	43	41	44	120	105	128	44	42	43
145	118	118	45	40	38	125	100	102	43	40	50
140	100	116	45	42	50	123	100	100	43	40	50
132	105	108	40	38	45	115	92	95	39	37	44
140	100	118	45	45	51	120	100	100	45	45	52
127	104	110	45	43	52	110	90	90	44	42	52
140	110	118	47	45	54	120	98	100	45	44	54
135	110	117	41	39	45	115	78	112	40	40	45
140	110	105	45	41	48	120	95	110	45	41	49
145	110	120	43	39	47	125	100	118	43	40	47
125	108	108	42	40	47	108	73	115	42	42	48
160	126	126	43	45	47	130	102	106	42	41	46
140	120	120	43	40	50	120	96	100	42	40	48
135	110	130	43	43	47	115	92	115	43	42	47
125	115	120	40	43	47	107	102	105	38	37	44
133	120	130	44	43	46	115	110	115	43	41	48
117	100	115	45	45	46	100	93	100	44	43	48
132	118	132	45	38	45	118	110	115	45	44	50
135	130	138	47	41	47	122	115	125	45	43	50
120	118	120	43	40	47	110	103	108	43	43	48
150	135	140	44	42	48	125	120	125	43	42	49

На основании полученных данных были рассчитаны средние значения электрических параметров элементов БМК, которые были включены в параметры модели при моделировании ОУ. Результат расчета приведен в табл. 3.4.

Таблица 3.4 - Электрические параметры тестовой микросхемы при приемке.

Наименование параметра	Буквенное обозначение параметра, единица измерения	Среднее значение параметра	Температура среды, Сє
n-p-n биполярный транзистор одноэмиттерный TNA:
1. Статический коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером		160 98 211	25 Минус 60 125
2. Напряжение пробоя p-n-перехода коллектор-эмиттер	, В	37	25
3. Напряжение пробоя p-n-перехода коллектор-база	, В	67	25

Наименование параметра	Буквенное обозначение параметра, единица измерения	Среднее значение параметра	Температура среды, Сє
n-p-n биполярный транзистор многоэмиттерный TNB:
4. Статический коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером		186 114 300	25 Минус 60 125
5. Напряжение пробоя p-n-перехода коллектор-эмиттер	, В	39	25
6. Напряжение пробоя p-n-перехода коллектор-база	, В	63	25
p-n-p биполярный транзистор одноэмиттерный TPA
7. Статический коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером		134 117 129	25 Минус 60 125
8. Напряжение пробоя p-n-переходов коллектор-эмиттер и коллектор-база	, В	43	25
p-n-p биполярный транзистор многоэмиттерный TPB
9. Статический коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером		116 107 113	25 Минус 60 125
10. Напряжение пробоя p-n-переходов коллектор-эмиттер и коллектор-база	, В	43	25

Анализируя полученные данные, было замечено, что n-p-n- и p-n-p-транзисторы имеют разную температурную зависимость: коэффициент усиления n-p-n-транзисторов очень сильно зависит от температуры, в то время как коэффициент усиления p-n-p-транзисторов практически не зависит от изменений температуры окружающей среды. Рассмотрим это на примере TNA и TPA транзисторов. На рис. 3.2 и 3.3 показаны гистограммы распределения коэффициента усиления разных элементов БМК “Старт”, полученные экспериментальным путем [9]. Для построения гистограмм и расчета значения была выбрана программа Sigma Plot как одна из широкодоступных и простых в применении, позволяющая быстро получить требуемый результат.

а)

б)



в)

Рисунок 3.2 - Гистограммы распределения коэффициента усиления

для микросхем ТС БМК "Старт" транзистор TNA

а) при н.у.; б) при Т=-60; в) при Т=+125.

а)



б)

в)

Рисунок 3.3 - Гистограммы распределения коэффициента усиления

для микросхем ТС БМК "Старт" транзистор TPA

а) при н.у.; б) при Т=-60; в) при Т=+125.

Зависимость транзистора (коэффициент усиления транзистора по току) от температуры может стать источником появления температурного дрейфа. Усиление постоянного тока базы увеличивается с ростом температуры, но транзисторов не равны друг другу и увеличиваются не с одинаковой скоростью при увеличении температуры. Это приводит к тому, что токи смещения будут различными для каждого из транзисторов; в результате появляется изменяющийся с температурой входной ток смещения. Это приводит к появлению сдвига выходного напряжения.

а) б)

Рисунок 3.5 - Гребенчатая структура (а) и температурно-градиентная компенсация (б).

Приборы, обладающие большим разбросом, будут, вообще говоря, давать больший сдвиг (напряжение разбаланса), если их применять в качестве дифференциальных пар. В целях уменьшения сдвига имеет смысл затратить некоторые дополнительные усилия для изготовления согласованных пар. Проектировщики ИС пользуются такими приемами как перемежающаяся (гребенчатая) структура (два прибора разделяют между собой один и тот же участок подложки ИС) и выравнивание температурных градиентов в схеме между приборами (рис. 3.5) [10].

Такое сильное различие между температурными зависимостями транзисторов n-p-n-типа и p-n-p-типа объясняется технологией изготовления транзисторов. При создании эмиттера транзистора n-p-n-типа для образования омического контакта алюминия к полупроводнику n-типа приходится сильно легировать приповерхностную область, в результате чего эта область, шириной ~0,7 мкм, получается дефектная и вырожденная и в дальнейшем не участвует в формировании заряженных частиц в эмиттере, ширина которого равна ~1,3 мкм. При увеличении температуры граница сильнолегированной вырожденной области может сдвигаться к поверхности подложки, а при уменьшении температуры - в глубь эмиттерной области, что приводит к сильному изменению количества частиц, участвующих в процессе переноса заряда, вследствие чего у n-p-n-транзисторов сильнее выражена температурная зависимость. А эмиттер p-n-p-транзистора делается в одном технологическом цикле, что и база n-p-n-транзистора. При формировании омического контакта к полупроводнику р-типа не требуется производить подлегирование. В связи с этим у p-n-p-транзисторов тепловая зависимость коэффициента усиления выражена слабо.

3.4 ВЫВОДЫ

В результате проделанной работы была изучена методика проведения измерений, исследованы тестовые микросхемы, содержащие элементную базу БМК “Старт”, определена температурная зависимость элементов БМК для включения в параметры модели, построены гистограмма распределения коэффициента усиления для разных транзисторов (TNA и TPA) при различных температурах. Было рассмотрено влияние большого разброса параметров, в результате которого может появляется входной ток смещения и напряжение разбаланса, изменяющиеся с температурой, и методы уменьшения напряжения разбаланса (гребенчатая структура и температурно-градиентная компенсация), которыми пользуются проектировщики ИС.

ГЛАВА 4.

РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

4.1 ВВЕДЕНИЕ

Целю проекта является разработка принципиальной электрической схемы и эскиза топологии специализированного ОУ на основе базового кристалла.

Рисунок 4.1 - Структурная схема БИС-2:

А1 - регулируемый усилитель импульсов тока;

А2 - усилитель цепи АРУ;

А3 - контрольный усилитель;

D/A - аналогово-цифровой преобразователь.

Быстродействующий узел (блок) биполярной высоковольтной БИС предназначен для обработки коротких импульсных сигналов фотодиода (рис. 4.1).

БИС предназначена для использования в специальных применениях и эксплуатируется при повышенных напряжениях питания (до +/-17 В) в жестких климатических условиях и при воздействии других, в том числе специальных дестабилизирующих факторов.

4.2 ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Разработать принципиальную электрическую схему и топологию (эскиз) специализированного ОУ (рис. 4.2) на основе биполярного базового кристалла. Предназначение разрабатываемого узла в БИС - выполнение функции контрольного усилителя.

Рисунок 4.2 - Контрольный усилитель.

4.3 ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Основные электрические параметры ОУ (при напряжении питания от +/- 10 до +/-17 В)

1. Максимальное выходное напряжение, В не менее 6

2. Напряжение смещения нуля, мВ не более 50

3. Потребляемый ток, мА не более 5

4. Входной ток, мкА не более 15

5. Коэффициент усиления напряжения:

5а. С разомкнутой обратной связью, дБ не менее 50

56. С замкнутой отрицательной обратной связью минус (5 +/- 0.25)

6. Коэффициент влияния нестабильности напряжения источников питания на напряжение смещения нуля, мВ/В не более 2

7. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс не менее 75

Режимы измерения параметров:

Полярность входных импульсов напряжения отрицательная

Форма входных импульсов трапецеидальная

Длительность входных импульсов

по уровню половины их амплитуды, нс 100

Длительность фронта (спада) входных импульсов, нс 20

Диапазон рабочих температур - от минус 60 до + 85 град. Со.

4.4 РАЗРАБОТКА СХЕМЫ

На рис. 4.3 представлена эквивалентная электрическая схема разрабатываемого операционного усилителя.

Рисунок 4.3 -Эквивалентная электрическая схема операционного усилителя.

Спроектированный контрольный ОУ выполняет три задачи: инвертирование входного сигнала, усиление по напряжению и привязка к нулю. ОУ состоит из 2 составных частей: усилительного и выходного каскадов. Усилительный каскад реализован на транзисторе , по схеме включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), с цепью активной нагрузки. Активная нагрузка выполнена в виде источник постоянного тока (токового зеркала, реализованного на транзисторах , и резисторах , ). Далее следует составной эмиттерный повторитель (транзисторы и ), являющийся выходным каскадом, который обеспечивает усиление по току в раз. Резисторы и осуществляют отрицательную обратную связь и определяют коэффициент усиления ОУ. Конденсатор является разделительным конденсатором; с его помощью происходит привязка к нулю. Резистор предназначен для уменьшения напряжения смещения, возникающего при прохождении тока базы транзистора через резистор . Конденсатор является корректирующим конденсатором, которая вместе с корректирующим резистором позволяет предотвратить появление генерации. Транзисторы , , и образуют многоканальное токовое зеркало.