Проектирование интегральных микросхем

Размещено на http://www.allbest.ru

2

Размещено на http://www.allbest.ru

Курсовая работа

по дисциплине Электроника и электротехника

на тему

Проектирование интегральных микросхем

Задание выполнил

Бурмистров А.В.

2012г.

Задание курсового проекта и принцип работы схемы

ТТЛ со сложным инвертором. Минимальный размер 4 мкм.

Таблица истинности для элемента «И-НЕ»

Вх1	Вх2	Вых
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

В транзисторно-транзисторной логике применяется многоэмиттерный транзистор (Т1), реализующий логический элемент «И». За счёт его использования увеличивается быстродействие микросхемы, а также потребляемая мощность и сложность производства.

Схема работает на высокоуровневой логике, так как уровень логической «1» соответствует напряжению +5В, а уровень логического «0» - 0В (земле). Все транзисторы в схеме - npn-типа, то есть открываются высоким уровнем напряжения.

Рассмотрим 2 случая работы схемы:

Если хотя бы на один вход подаётся «0», то на эмиттере T1 будет «0» (земля), таким образом, между базой и эмиттером будет разность потенциалов, следовательно, весь ток будет стекать по переходу база-эмиттер (Б-Э) на землю. Переход база-коллектор (Б-К) будет открыт - транзистор Т1 работает в режиме насыщения (Б-Э - в прямом смещении, Б-К - в прямом смещении).

На базе Т2 - «0», следовательно транзистор Т2 - в режиме отсечки (закрыт). На коллекторе будет, таким образом, высокий уровень напряжения, тогда и на базе Т3 будет «1». Т3 - открыт, т.е. в нормальном активном режиме. В то же время на базе Т4 будет «0» (так как Т2 находится в закрытом состоянии), следовательно он тоже в режиме отсечки (закрыт). Его переход Б-К работает в обратном смещении, значит на коллекторе будет высокий уровень напряжения, и на выходе также будет «1». Напряжение не падает на верхней части этой ветки благодаря диоду.

Если на все входы подаётся «1», то переход Б-Э транзистора Т1 закрыт, так как нет разности потенциалов. Транзистор Т1 начинает работать в инверсном режиме, ток начинает течь через переход Б-К, формируя «1» на базе Т2. Т2 открывается, т.е. работает в активном режиме. Напряжение на R2 падает практически полностью, отчего на Т3 формируется «0», и транзистор закрывается (т.е. работает в режиме отсечки). Весь ток через Т1 стекает на базу Т4, таким образом открывая его. Т3 - закрыт, Т4 -открыт, следовательно весь ток стекает на землю через переход Б-Э Т4, а на его коллекторе будет «0», значит и на выходе будет «0».

Технология производства

Для производства микросхем с транзисторно-транзисторной логикой используется планарная технология. Её особенность состоит в том, что после завершения каждой технологической операции восстанавливается плоская (планарная) форма поверхности пластины, что позволяет создавать достаточно сложную структуру, используя конечный набор технологических операций. Планарная технология обеспечивает возможность одновременного изготовления в едином технологическом процессе огромного числа дискретных полупроводниковых приборов или интегральных микросхем на одной подложке, что позволяет существенно снизить их стоимость. Также в случае изготовления на одной пластине идентичных приборов параметры всех приборов оказываются близкими.

Выбор обусловлен следующими её преимуществами:

- высокая надёжность;

- высокая механическая прочность;

- низкая стоимость

Кроме того, минимальная толщина проводящего слоя не превышает 4 мкм и содержит активные элементы (биполярные транзисторы), что делает нецелесообразной применение гибридной технологии.

Также можно отметить то, что схема является типовой (ТТЛ со сложным инвертором), а потому и массовой, что также предполагает использование полупроводниковой технологии.

Для изготовления интегральной схемы используются пластины монокристаллического кремния p- и n-типа. В качестве легирующей примеси (для изменения проводимости слоя) могут использоваться соединения бора: сурьмы: мышьяка и т.д. Для создания межсоединений спользуется алюминий или золото.

Производство схемы можно разделить на шесть этапов:

1. Механическая обработка. От цилиндрического слитка кремния отрезается пластина нужной толщины, затем шлифуется для удаления неровностей и полируется (либо механически, либо травлением).

2. Эпитаксиальное наращивание, то есть осаждение слоёв испарённого кремния необходимого типа проводимости на подложку. Необходимую проводимость слоя получают за счёт добавления в пары кремния соединений бора или фосфора.

3. Окисление поверхности пластины (оксидом кремния) для защиты и маскировки поверхности кремния.

4. Фотолитография. На поверхность пластины кремния наносится фоторезист толщиной около 1мкм, который засвечивается через фотошаблон. Затем пластина обрабатывается слабым раствором щёлочи для вскрытия «окон» на поверхности оксида кремния. В этих окнах SiO₂ стравливается.

5. Диффузия примеси в кремний.

6. Создание межсоединений. На схему осаждается слой алюминия (толщиной 0,5-2 мкм), который затем стравливается после заключительной операции фотолитографии.

Структура транзистора (npn)

1. Формирование подложки

2. Диффузия скрытого слоя

2. Эпитаксия n-слоя

4. Окисление поверхности

5. Формирование p+-карманов

5.1. Экспозиция фоторезиста через шаблон

5.2 Травление

5.3. Образованные окна

5.4 Диффузия (с последующим окислением)

6. Формирование p-базы

6.1. Экспозиция фоторезиста через шаблон

6.2. Травление

6.3. Образованное окно

6.4. Диффузия (с последующим окислением)

7. Формирование n-слоёв эмиттера и коллектора

7.1. Экспозиция фоторезиста через шаблон

7.2.Травление

7.3 Образованные окна

7.4 Диффузия (с последующим окислением)

8. Формирование окон под металлизацию выводов

1.1. Экспозиция фоторезиста через шаблон

8.2Травление слоя оксида кремния

8.3 Покрытие алюминием

8.4 Экспозиция фоторезиста через шаблон (для травления алюминия)

8.5 Травление алюминия

8.6 Образование выводов

Помимо биполярных транзисторов в ТТЛ-схеме со сложным инвертором используются многоэмиттерный транзистор, диод (в качестве диодов в ПИМС используют транзисторные n-p-n структуры в диодном включении) и набор различных резисторов. Многоэмиттерный транзистор отличается от обычного наличием большего числа независимых изолированных эмиттерных областей, примыкающих к базе. В данном случае таких областей две, и при технологическом процессе производства стандартного транзистора, вместо одной эмиттерной области формируются две, при этом расстояние между областями должно быть не меньше топологической нормы (в данном случае 4 мкм). Готовый многоэмиттерный транзистор имеет следующий вид:

Полупроводниковые резисторы изготовляют одновременно с активными элементами. Они обычно выполняются в виде прямоугольного слоя полупроводника и называются диффузионными. В таких резисторах используется объемное сопротивление материала, имеющего определенную степень легирования. Диффузионные резисторы могут иметь номинальные значения сопротивлений от нескольких ом до двух десятков килоом. Они имеют следующий вид:

Чтобы использовать диффузионную область в качестве резистора, необходимо сместить ее p-n переход в обратном направлении. Для этого подложку необходимо подключить к самому высокому потенциалу в схеме, т.е. к положительному источнику питания E+.

Все элементы схемы выполняются на одной пластине и имеют следующий вид:

Расчет параметров элементов схемы

Минимальный размер = 4 мкм.

1. Расчёт параметров транзисторов

Параметр	Значение	Обозначениев Mathcad	Описание
Заданные параметры
xjк	2*10-6	xjk	Глубина залегания p-n перехода база-коллектор
xjэ	1.5*10-6	Xjэ	Глубина залегания эмиттерного p-n перехода
Wб	0.5*10-6	Wб	Толщина активнои? базы
wэпи	8*10-6	Wэпи	Толщина эпитаксиального слоя
xjn	5*10-6	Xjn	Толщина скрытого n+ слоя
NДЭ	5*1026	Nдэ	Концентрация донорнои? примеси в эмиттернои? области: на поверхности
NдэXjk	1*1023	NдэXjk	Концентрация донорнои? примеси в эмиттернои? области: у эмиттерного перехода
Nаб	5*1024	Nаб	Поверхностная концентрация акцепторов в базе
Nдк	9*1022	Nдк	Концентрация донорнои? примеси в эпитаксиальнои? пленке коллектора
сэпи	0.001	сэпи	Удельное объемное сопротивление коллекторнои? области
Сба	5*103	Сба	Удельное поверхностное сопротивление активнои? области базы (под эмиттером)
Сбп	200	Сбп	Удельное поверхностное сопротивление пассивнои? области базы (вне эмиттера)
Lpэ	5*10-6	Lpэ	Диффузионная длина дырок в эмиттере
Lnб	5*10-6	Lnб	Диффузионная длина электронов в базе
Lpк	5*10-6	Lpк	Диффузионная длина дырок в коллекторе
ni	1.5*1016	ni	Концентрация носителеи? зарядов в собственном полупроводнике
Si	12	Si	Относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника
0	8.85*10-12	0	Относительная диэлектрическая проницаемость
q	1.6*10-19	q	Заряд электрона
мn	0.11	мn	Подвижность электронов
мp	0.06	мp	Подвижность дырок
цT	0.025	цT	Тепловой потенциал
M	2	M	Число эмиттеров многоэмиттерного транзистора
LЭ	12*10-6	LЭ	Ширина слоя эмиттера
dЭ	12*10-6	dЭ	Длина эмиттерной области
LБ	20*10-6	LБ	Ширина области базы
ZБ	44*10-6	ZБ	Длина области базы
LКК	20*10-6	LКК	Ширина коллекторной области
dКК	12*10-6	dКК	Длина коллекторной области
з	2	з	Коэффициент, учитывающии? градиент примеси в базе
dЭБ	4*10-6	dЭБ	Расстояние между выводами коллектора и базы

I. Расчеты, полученные с помощью данных параметров.

1. Ток насыщения:

2. Коэффициент усиления тока базы в нормальном режиме:

3. Сопротивление базы:

4. Сопротивление коллектора:

5. Время пролета базы:

6. Коэффициент передачи тока базы в инверсном режиме:

7.Потенциальный барьер p-n - перехода при нулевом смещении:

Ёмкость коллекторного p-n перехода при нулевом смещении:

Ёмкость эмиттерного p-n перехода при нулевом смещении:

Общая площадь коллекторного p-n - перехода:

Общая площадь эмиттерного p-n - перехода:

Площадь области базы:

Площадь области эмиттера:

II. Расчет диффузионных резисторов

Исходные параметры:

Полученная длина резисторов:

Для экономии места на кристалле резистор R1 необходимо изогнуть, то есть резистор выполняется в виде меандр. В моем случае он состоит из двух участков по 40 мкм каждый и одной области излома R_изл .

4. Расчеты входных и выходных ВАХ биполярного транзистора с помощью программы LTSpice

I. Схема измерения входных ВАХ биполярного транзистора:

II. Схема измерения выходных ВАХ биполярного транзистора:

5. Расчет статических параметров схемы ТТЛ с помощью программы LTSpice

Передаточная характеристика:

Характеристики логического нуля и логической единицы :

U⁰=0.163B U¹=4.213B

Пороги переключения помехоустойчивости при положительной и отрицательной помехам:

UП⁰=0.63В UП¹=1.71В

UП⁺= UП⁰-U⁰=0.63-0.163=0.467В UП^-=U¹- UП¹=4.213-1.71=2.503В

транзисторная логика микросхема

Ток потребления:

Определяем потребление тока по напряжению логического нуля и логической единицы по графику тока потребления:

IПОТР¹=4.57мА IПОТР⁰=1.82мА

Статическая мощность рассчитывается по следующей формуле:

Входная характеристика:



Определяем входной ток при помощи напряжения логического нуля и логической единицы:

I_ВХ⁰=1.86мА IВХ¹=0.024мА

5. Расчет динамических параметров схемы ТТЛ с помощью программы LTSpice

График для расчета динамических характеристик:

Расчет параметров по данному графику:

Время фронтов находят по разнице значений времени в точках графика, ограниченного U_0,9 и U_0,1:



t_ф⁰¹=3.37нс ; t_ф¹⁰=1.22нс.

Для определения времени задержек значения времени берутся в U_0,5.

Время задержек:

t_з⁰¹=0.93нс и t_з¹⁰=1.95нс

Среднее время задержки:

t_з=1.44нс

Максимальная частота схемы:

Динамическую мощность можно найти по формуле:

Топология схемы ТТЛ

В итоге получаем следующую топологию, где белые участки соответствуют p-областям, темно-серые - n-областям и светло-серые - металлические дорожки на поверхности схемы.

Сравнение с аналогами

Сравнение параметров микросхем:

Параметр	Исследуемая микросхема	SN 7400
Уровень логической единицы, U1	3,4 В	3,4 В
Уровень логического нуля, U0	0,25 В	0,2 В
Порог переключения из 0 в 1, UП0	0,63 В	0,8 В
Порог переключения из 1 в 0, UП1	1, 71 В	2 В
Входной ток в логической единице, IВХ1	1,86 мА	1,6 мА
Входной ток в логическом нуле, IВХ0	-0,024 мА	-0,04 мА
Помехоустойчивость по + помехе, UП+	0,467 В	0,6 В
Помехоустойчивость по - помехе, UП_	2,503 В	1,4 В
Ток потребления в логической единице, IПОТР1	4,57 мА	8 мА
Ток потребления в логическом нуле, IПОТР0	1,82 мА	22 мА
Время задержки переключения из 0 в 1, tз01	1,127 нс	11 нс
Время задержки переключения из 1 в 0, tз10	1,62 нс	7 нс
Потребляемая статическая мощность, PСт	15,9 мВт	19,7 мВт

Размещено на Allbest.ru