Разработка конструкции интегральной микросхемы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Разработка конструкции интегральной микросхемы



Техническое задание

схема ток транзистор диффузионный

Разработать конструкцию полупроводниковой интегральной микросхемы, в соответствии со схемой электрической принципиальной Приложения А.

Общие сведения о разработке.

Область применения: приемо-передающая и измерительная аппаратура

Назначение: устройство предназначено для генерации стабильного сигнала фиксированной частоты. Частота генерации задается емкостями подключаемыми к выводам 4, 5 микросхемы.

Наименование изделия: барьерный автогенератор.

Объект установки: электронный модуль первого структурного уровня.

Технические требования.

Микросхема должна быть изготовлена в соответствии с требованиями ГОСТ 18725-83.

Конструктивное исполнение - корпусное.

Номинальные значения и их предельные отклонения для конструируемых элементов схемы должны соответствовать перечню элементов ПИА.468751.000 ПЭ3 на барьерный автогенератор.

Требования к электрическим параметрам.

Номинальное значение питающего напряжения - 9 В ±10 % из ряда по ГОСТ 17230-71.

Волновое сопротивление вывода номер 9 должно соответствовать 50Ом.

Требования к устойчивости при климатических воздействиях.

Климатические воздействия по ГОСТ 18725-83.

Рабочая температура: -10 ч +75 °С.

Относительная влажность: 98 % при 35 °С.

При атмосферном давлении: 26 ч 294 кПа

Радиационное воздействие - среднее.

Требование к надежности в соответствии с ГОСТ 18725-83 и ГОСТ 25359-82.

Наработку: не менее 50000 ч.

Интенсивность отказов: 1·10-6 шт/ч.

Срок сохраняемости: 6 лет при г=95 % (хранение в условиях по ГОСТ 21493-76).

Обозначение микросхемы должно соответствовать

ГОСТ 17021-88.

На каждой микросхеме в соответствии с ГОСТ 25486-82 и ГОСТ 18725-83, должны быть нанесены:

товарный знак (код) предприятия-изготовителя;

обозначение типа микросхем;

дата изготовления (год, месяц) или код;

обозначение первого вывода микросхем;

порядковый номер сопроводительного листа.

Микросхемы должны быть упакованы в групповую тару по 10 шт. в соответствии с ГОСТ 23088-80.

Транспортирование микросхем в соответствии с ГОСТ 23088-80.

Хранение микросхем в соответствии с ГОСТ 21493-76.

Себестоимость изготовления уточняется в процессе производства.

Объем производства: крупносерийное 100 тыс. шт/г.



Содержание

1. Анализ технического задания

2. Анализ режима работы схемы по постоянному току

3. Последовательность операций планарно-эпитаксиальной технологии производства

4. Выбор вертикальной структуры

5. Выбор конструкции транзисторов в составе ИС

6. Расчет электрофизических параметров диффузионных структур

7. Расчет параметров обедненных слоев

8. Расчет удельного и поверхностного сопротивления слоев транзисторов

9. Расчет параметров ВАХ

10. Определение параметров диффузионных процессов

11. Проверочный расчет

12. Выбор конструкции резисторов

13. Выбор конструкции конденсаторов

Заключение

Список использованных источников

Приложения



1. Анализ технического задания

При анализе ТЗ необходимо рассмотреть применение и назначение интегральной микросхемы, заданные технические характеристики. Необходимо также учесть технологические и экономические ограничения.

Анализ применения и назначения интегральной микросхемы

Микросхема представляет из себя барьерный автогенератор, с частотой генерации - единицы МГц.

Функциональное назначение разрабатываемой микросхемы предполагает ее использование в радиоаппаратуре, в качестве стабильного источника гармонических колебаний.

Анализ технических требований на интегральную микросхему.

Технические требования на интегральную микросхему состоят из эксплуатационных и электрических.

Анализ эксплуатационных требований

В ТЗ указаны следующие климатические воздействия:

Рабочая температура: -10 ч +75 °С.

Относительная влажность: 98 % при 35 °С.

При атмосферном давлении: 26 ч 294 кПа

Учет этих параметров необходим для разработки радиоаппаратуры на основе этой микросхемы, поскольку климатические факторы оказывают большое влияние на надежность и срок службы радиоэлектронных приборов.

Рассмотрим воздействие температуры. Данная схема автогенератора не предполагает протекание больших токов. В следствии этого отсутствует сколько ни будь значительное тепловыделение на элементах схемы. Поэтому нет необходимости применять специальные методы для отвода тепла. Единственное требование, необходимо чтобы внешняя температура была в пределах установленных норм.

Большое значение относительной влажности позволяет применять микросхему без дополнительного покрытия лакокрасочными покрытиями.

Широкий диапазон атмосферных давлений дает возможность эксплуатации микросхемы на самых различных объектах без дополнительной защиты, что позволяет снизить конечную стоимость продукта.

Наработка 50000 ч является стандартной для микросхем такого типа.

Питающие напряжение составляет 9 В ±10 %. Это напряжение выбрано из рекомендуемого ряда напряжений для микросхем. Такой подход позволяет свести к минимуму количество номиналов питающих напряжений в электрической схеме.

Воздействие ионизирующего излучения - среднее. Следовательно необходимо предусмотреть защиту от этого фактора. Поскольку воздействие радиационного излучения невелико, целесообразно применить более стойкий метод изоляции элементов ИМС, и в тоже время использовать стандартный пластмассовый корпус. Такой выбор позволит получить лучшие электрические характеристики элементов и добиться защиты от радиации.

Анализ конструктивных требований

Поскольку в ТЗ указано, что микросхема должна иметь корпусное исполнение, необходимо подобрать корпус согласно ГОСТ 17467-88. Исходя из того, что ранее мы определил некоторые косвенные параметры, которые влияют на подбор корпуса (отсутствие тепловыделения микросхемой, защита от радиационного излучения методом изоляции). Выберем один из пластмассовых корпусов. Для данного случая подходят типы корпусов 1104.11-1 и 2148.10-1. Целесообразно выбрать корпус 2148.10-1 (вариант исполнения I) поскольку он меньше по высоте, позволяет экономить место на печатной плате и не имеет лишних контактов. Чертеж корпуса представлен в приложении Г.

Анализ способа изоляции элементов ИМС

Изоляция может быть осуществлена четырьмя способами (таблица 1).



Таблица 1 - Способы изоляции элементов ИМС.

Параметр	Способ изоляции
	Диодный	КИД	ЭПИК	ИЗОПЛАНАР
Удельная емкость изоляции, пФ/мм2	50-250	90-300	15-30	50-260
Емкость изоляции транзистора, пФ	0,5	0,3	0,06	0,1
Плотность тока утечки, мА/мкм2	1	1	1·10-4	1
Ток утечки изоляции транзистора, мкА	2	2	2·10-4	0,1
Пробивное напряжение изоляции, В	80-200	30-60	130-400	90-200
Стойкость к теплу и радиации	Низкая	Низкая	Высокая	Средняя
Стоимость	Низкая	Низкая	Высокая	Средняя

Выбор способа изоляции будем проводить исходя из следующих соображений:

Высокие изолирующие свойства;

Стойкость к радиационному воздействию.

Исходя из этих критериев можно сделать вывод, что наилучшим методом изоляции, в данном случае, будет ЭПИК. Так как он сочетает в себе хорошие изолирующие параметры получаемых полупроводниковых структур, обеспечивает хорошую защиту от радиации.

Выводы

Интегральная микросхема должна эксплуатироваться при следующих условиях:

Рабочая температура: -10 ч +75 °С.

Относительная влажность: 98 % при 35 °С.

Атмосферное давление: 26 ч 294 кПа

Напряжение питания: однополярное 9 В ±10 %.

Метод изоляции элементов: ЭПИК.

Выполнена в корпусе 2148.10-1

2. Анализ режима работы схемы по постоянному току

Для расчета полупроводниковой структуры транзисторов и ее проверки, необходимо провести моделирование работы схемы для определения напряжений и токов на транзисторе.

Проведем анализ режима работы схемы по постоянному току. В этом анализе можно использовать упрощенную схему. Все емкости в схеме заменяются разрывами, а все индуктивности - перемычками.

Моделирование будем проводить в системе MicroCap 9, она позволяет исследовать схемы при различных режимах работы, в том числе и на постоянном токе.

Результаты анализа представлены на рисунке 1, указаны все узловые потенциалы и токи протекающие через элементы.

Рисунок 1 - Анализ упрощенной схемы ИМС по постоянному току

По данным рисунка 1 видим, что наибольшее напряжение на переходе коллектор-база наблюдается на транзисторе Q4 и составляет 9 - 2,194 ? 6,8 В, именно это значение напряжения будем использовать в дальнейших расчётах.

3. Последовательность операций планарно-эпитаксиальной технологии производства

Подготовка поверхности подложки ;

Обезжиривание в парах спирта;

Обезжиривание поверхности при температура 80°С и в течении 10-15 мин. Обезжиривание производится в растворе NH4OH:H2O2:H2O=1:1:4;

Удаление частиц с поверхности азотной кислотой (HNO3);

Отмывка в деионизированной воде в кистевых мойках;

Сушка в парах азота или спирта;

Вскрытие окон в слое окисла с помощью фотолитографии для формирования разделительных канавок;

Окна в слои окисла кремния вытравливают на глубину 20-30 мкм с помощью анизотропного травления. Ширина разделительных канавок создается примерно 50-80 мкм;

На поверхности эпитаксиального слоя и вытравленных канавок методом термического оксидирования создают изолирующий слой диоксида (SiO2) кремния толщиной около 0,5 мкм при температуре 1100°С. Время оксидирования занимает примерно 20 мин;

Наносится пленка нитрида кремния Si3N4 толщиной 0,3-0,8 мкм;

Осаждение поликристаллического кремния толщиной 200-250 мкм;

Шлифовка и полировка со стороны исходной пластины до вскрытия карманов;

Отмывка и сушка;

Рисунок 2 - Структура метода изоляции ЭПИК

Следующие операции производиться со стороны вскрытой поверхности.

Термическое окисление поверхности (T = 1100 °C, t = 20 мин,

h = 0,5 мкм, в сухом кислороде);

Фотолитография в слое SiO2 для базовой диффузии;

Диффузия акцепторной примеси (формирование области базы). Двух стадийная диффузия. Первая стадия - загонка: диффузия из неограниченного источника, вид диффузанта - бор, T = 1150 °C,

t = 1,65 час. Вторя стадия - разгонка: диффузия из ограниченного источника, T = 900 °C, t = 19,9мин;

См. пункт 9;

Фотолитография в слое SiO2 для эмиттерной диффузии;

Диффузия доноров (формирование области эмиттера и подлегирование приконтактных областей коллектора). Параметры диффузии: диффузия из неограниченного источника, вид диффузанта - фосфор, T = 1100 °C,

t = 17,36 мин;

См. пункт 9;

Фотолитография в SiO2 для контактов;

Вакуумно-термическое напыление алюминия толщиной 1 мкм;

Фотолитография в алюминии для формирования соединительных проводников и контактных площадок;

Отмывка и сушка;

Формирование защитного слоя SiO2 толщиной 0,6 мкм (пиролиз тетраэтоксисилана при T = 750 °C, t = 20 мин).

4. Выбор вертикальной структуры

Интегральные микросхемы обычно изготавливаются на кремниевых подложках. При этом тип проводимости может быть, как n, так и p.

В методе изоляции ЭПИК, исходной берется подложка n-типа, которая в дальнейшем становиться областью коллектора. Необходимо так же отметить, что при ЭПИК-процессе локализация скрытого слоя не требуется, и он может располагаться по все площади подложки.

Металлургическая промышленность поставляет уже готовые эпитаксиальные кремниевые структуры, это позволяет существенно сократить количество операций технологического цикла, и снизить цену конечной продукции.

Рисунок 3 - Зависимость удельного сопротивления кремния p- и n- типа от концентрации примесей N при 300 К

Структуры представляют собой пластину кремния p- (примесь бор) или n-типа (примесь фосфор, сурьма, мышьяк), на которой выращен эпитаксиальный слой кремния p- или n-типа заданной толщины, вида и уровня легирования.

Выбор уровня легирования подложки учитывает сопротивление скрытого n+-слоя, которое должно быть малым. Обычно достаточное удельное поверхностное сопротивление сs ? 10 - 80 Ом/квадрат при толщине dскр = 3-10 мкм, что отвечает удельному объемному сопротивлению

.

Меньшие значения сs следует принимать для ИС с большими токами и высоким быстродействием. Выбираем толщину dскр = 3 мкм, при концентрации Ns = 1*1020 см-3 тогда по графику (рисунок 3) , а сs = 3,3 Ом/квадрат. Легирующая примесь обычно сурьма.

Уровень легирования коллекторной n-области (подложка) определяет величину последовательного сопротивления коллектора rк, а с другой стороны - емкость и напряжение пробоя перехода «коллектор-база». Для обеспечения малой емкости и высокого напряжения пробоя степень легирования эпитаксиального n-слоя, должна быть малой. Обычно принимают

, чаще - в пределах 1,5-2,5 Ом·см. Значения меньше 1,5 оправданы при больших токовых нагрузках. Выберем толщину dк = 5 мкм, при концентрации Ns = 1*1016 см-3 тогда по графику (рисунок 3) . Легирующая примесь - мышьяк.

При выборе уровней легирования базовой и эмиттерной областей, необходимо также учитывать несколько других требований. Для снижения паразитного сопротивления растекания необходимо обеспечить высокий уровень легирования базы, однако это снижает инжекцию носителей из эмиттера в базу и уменьшает электрическую прочность перехода «эмиттер-база».

Чтобы получить хорошие усилительные свойства, толщину слоя базы нужно уменьшать, но в транзисторах с тонкой базой, при высоких коллекторных напряжениях появляется опасность смыкания ОПЗ коллекторного и эмиттерного переходов.

Распределение акцепторной примеси после базовой диффузии должно быть «пологим» (dб = 2,5 мкм), при невысокой поверхностной концентрации Nsб = 1*1019 см-3. Поэтому обычно базовая диффузия производиться в две стадии. В качестве примесей используют бор или алюминий. В данном случае выбирается бор. А удельное сопротивление для базового слоя выбирается из диапазона от 100 до 300.

Уровень легирования эмиттера и подлегирование колллектора желательно иметь более высокий, однако вблизи предела растворимости диффузантов, в кремнии сильно возрастает дефектность структуры. Концентрацию доноров на поверхности обеспечивают равной Nsэ = 1*1022 см-3, а толщину слоя dэ = 1,5 мкм. При этом поверхностное сопротивление соответствует сs = 2-15 Ом/квадрат. Для получения резкого профиля эмиттерной диффузии процесс проводят из постоянного источника в течении малого времени.

Для снижения трудоемкости производства ИС выбираем готовую эпитаксиальную кремниевую структуру. Полупроводниковые пластины и эпитаксиальные структуры поставляются заказчику с окисленной поверхностью, защищенной от воздействия окружающей среды, поэтому дополнительной обработки их перед фотолитографией в слое SiO2 не требуется.

Кремниевые однородные пластины-подложки для изготовления ИС называются структурами с комбинированным диэлектриком. В данном случае выбирается структура такого вида:

При наличии на поверхности структуры диэлектрического покрытия в обозначении присутствует сокращение КСКД (кремниевая структура с комбинированным диэлектриком) и добавляется характеристика диэлектрика (в данном случае SiO2 толщиной 0,5 мм). Расшифруем данную структуру. Кремниевая структура с диэлектрической изоляцией элементов диаметром 60 мм. Толщина структуры 200 мкм из кремния КДБ1 (кремний дырочный, легированный бором, с удельным сопротивлением 1 Ом·см). 3КЭС0,01 расшифровывается так: кремний электронный, легированный сурьмой, с удельным сопротивлением 0,01 Ом/квадрат и толщиной пленки 3 мкм. Данная структура имеет кристаллографическую ориентацию в плоскости (111).

Для защиты элементов будем использовать пленку SiO2 толщиной 0,6 мкм, а для выполнения коммутации элементов ИС - пленку алюминия толщиной 1 мкм.

Таблица 2 - Параметры вертикальной структуры

Наименование слоя	Тип проводимости	N, см-3	Толщина, мкм	с, Ом·см	сs, Ом/квадр
Подложка	p	1·1016	200	1	-
Скрытый слой	n+	1•1020	3	0,001	3,3
Коллекторный	n	1•1016	5	1	-
Базовый	p	1•1019	2,5	-	100-300
Эмиттерный	n+	1,5•1022	1,5	-	2-15
Диэлектрический	-	-	0,6	-	-
Проводящий	-	-	1,0	2,7·10-6	0,06-0,1

Рисунок 4 - Исходный профиль легирования



5. Выбор конструкции транзисторов в составе ИС

Параметры транзисторов характеризуются свойствами диффузантов. При этом наилучшие качества структур получаются при формировании n-p-n транзисторов. Соответственно для них осуществляется разработка вертикальной структуры ИС и поочередное проектирование топологии.

Конструкцию транзисторов разделяют по основному параметру, рассеиваемой мощности P. Различают транзисторы маломощные (< 3 мВт), средней (от 3 до 25 мВт) и большой (от 25 до 250 мВт) мощности. Как видно из анализа схемы по постоянному току, наши транзисторы относятся к категории маломощных (падение напряжения коллектор-эмиттер ? 0,7 В, ток через коллектор ? 0,0022 А, данные рисунка 1, транзистор Q1).

Поскольку количество элементов схемы невелико, и отсутствует необходимость плотного размещения компонентов на подложке, можно применить простую конструкцию показанную на рисунке 5.

Рисунок 5 - Конструкцию биполярного транзистора (сплошная линия - границы диффузионных областей, пунктирная - окна в защитном слое, штрихпунктирная - скрытый n+-слой)

6. Расчет электрофизических параметров диффузионных структур

Для проектирования ИС необходимо знать связь профилей легирования N(x) каждой операции диффузии с электрическими параметрами получаемых структур для того, чтобы по известным технологическим режимам (температура, время, параметры диффузионного процесса) найти параметры структуры, определяющие свойства транзисторов.

Вычислим характеристические длины эмиттерной и базовой диффузии dЭО и dБО, обеспечивающие заданные глубины залегания коллекторного и эмиттерного переходов dК и dЭ.

Тогда, по формуле (3.3) из [1] характеристическая длина базы:

Концентрация промежуточного распределения на глубине залегания эмиттерного перехода по формуле (3.4) из [1]:

Характеристическая длина эмиттера:

Ширина металлургической базы по формуле (3.5) из [1]:



7. Расчет параметров обедненных слоев

Для проведения дальнейших расчетов необходимо вычислить контактную разность потенциалов области пространственного заряда (ОПЗ), что по определению есть:

где Nб, Ng - концентрации доноров и акцепторов на границах ОПЗ, ni2 - концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике.

Однако, для практических расчетов это выражение не пригодно, поскольку неизвестны соответствующие концентрации Nб, Ng. Поэтому воспользуемся ориентировочными значениями приведенными в [1].

Контактная разность потенциалов для перехода коллектор - база:

Контактная разность потенциалов для перехода эмиттер - база:

Нормированная глубина залегания перехода коллектор-база:

Нормированная глубина залегания перехода эмиттер-база:

Поскольку концентрация по обе стороны металлургический границы на переходе коллектор-база будет иметь резкое изменение, данный переход будет являться резким. Тогда для резкого перехода полная ширина ОПЗ p-n-перехода будет определяться по формуле (3.10) из [1]:

где Uполн - полное напряжение на переходе Uполн = ?ц - U. Величина U - внешнее напряжение приложенное к переходу, которое при прямом смещении перехода подставляется со знаком плюс, а при обратном - со знаком минус. Данные расчетов приведены в разделе 2 (рисунок 1).

Тогда:

Так как концентрации примеси по обе стороны перехода эмиттер-база сравнимы, такой переход называются плавными. Для определения полной ширины области пространственного заряда необходимо рассчитать градиент концентрации для перехода эмиттер-база:

Тогда, полная ширина обедненного слоя перехода эмиттер-база равна:

Теперь по известной толщине ОПЗ можно определить составляющие ?dn и ?dp. Для плавного симметричного эмиттерного перехода, когда оба слоя сформированы диффузией:



Для определения области пространственного заряда перехода коллектор-база необходимо рассчитать характеристическую длину диффузии. Коэффициент диффузии определяется выражением (2.3) в [1]:

где D0 - коэффициент диффузии (для атомов бора 5,1 м2/с ), EA - энергия активации (для атомов бора 3,7 эВ).

Найдем характеристическую длину:

где - характерная длина диффузии.

Тогда:

Для перехода коллектор-база толщина ОПЗ равна:

Рассчитаем перехода коллектор-база:

Вычислим толщину базы:



Толщиной ОПЗ ?d определяется барьерная, или зарядная емкость p-n-перехода. Удельная емкость:

8. Расчет удельного и поверхностного сопротивления слоев транзисторов

Удельное поверхностное сопротивление слоя сs (Ом/квадрат), представляет собой эффективное, или эквивалентное сопротивление области слоя.

Необходимо определить удельное сопротивление области базы. Так как базовый слой является ограниченным, то для расчета удельного сопротивления используется следующая приближенная формула:

где подвижность основных носителей м может быть аппроксимирована выражением:

где для дырок K = 2,46·106, б = -0,237.

Одним из необходимых параметров для расчета удельного поверхностного сопротивления базового слоя является средняя концентрация акцепторов в базовом слое, определяемая как:



где максимальная концентрация примеси в базовой области на максимальной глубине определяется выражением:

а максимальная глубина:

Максимальная концентрация примеси в базовой области (отсчет от металлургический границы):

Тогда:

Найдем удельное поверхностное сопротивление базового слоя:

Для расчета удельного поверхностного сопротивления эмиттерного слоя будем использовать выражение:



9. Расчет параметров ВАХ

Напряжение пробоя Uпр p-n-перехода определяется в основном лавинными процессами размножения носителей заряда в сильном электрическом поле, которое происходит при напряженности Emax ? 3·105 В/см. Поэтому для приблизительных расчетов можно принимать:

Более точные значения, учитывающие характер p-n-перехода, позволяют найти следующее выражение для резкого перехода коллектор-база:

Для плавного перехода база-эмиттер:

Вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода описывается выражением:

Либо:

где - температурный потенциал (0,0259), U - внешнее приложенное напряжение, m - коэффициент не идеальности ВАХ (для кремния m = 1,2).

Начальный ток I0 в общем случае включает в себя диффузионную, рекомбинационную и генерационную компоненты:

Диффузионная составляющая обусловлена встречным движением электронов и дырок и может быть рассчитана:

где S - площадь p-n-перехода, Dn, фn и Dp, фp - коэффициенты диффузии и времена жизни электронов и дырок соответственно (Dn = 34 см2/с, Dp = 12 см2/с), NД, Nа - концентрация доноров и акцепторов.

Рекомбинационная составляющая:

где Nt - поверхностная концентрация рекомбинационных центров ((1ч5)·1010 см-2).

Генерационная составляющая:

где ?d - ширина ОПЗ.

где Vp, Vn ? 107 см/с - средние тепловые скорости электронов и дырок, Sp, Sn ? 10-15 см2 - сечение захвата рекомбинационных центров для электронов и дырок, S = 20 мкм2.

Для перехода коллетор-база (Na = Nsб, Nд = Nk):

Рассчитаем диффузионную составляющую:

Рекомбинационная составляющая, учитываемая только при прямом смещении:

Тогда начальный ток коллектора:

По полученным данным можно построить ВАХ рассчитанного транзистора (рисунок 6).



Рисунок 6 - Вольтамперная характеристика проектируемого транзистора включенного по схеме с общим эмиттером

10. Определение параметров диффузионных процессов

Для изготовления п/п интегральной микросхемы необходимо знать режимы диффузионных процессов, обеспечивающие требуемую структуру.

Для формирования области эмиттера используем фосфор. Параметры для фосфора: T = 1100 °C, E = 3,7 эВ, D0 = 10,5 см2/с.

N0 = Nsб, Ns = Nsэ, x = 1,1·dэ

По таблице приложения 2 в [1] находим значение аргумента функции erfc(Z).

Решая это уравнение относительно ф находим время диффузии.



Для формирования области базы используем бор. Параметры для бора: T = 1100 °C, E = 3,7 эВ, D0 = 5,1 см2/с.

N0 = Nк, Ns = Nsб, x = 1,1·dб.

Разгонка:

По таблице приложения 2 в [1] находим значение аргумента функции erfc(Z).

Решая это уравнение относительно ф находим время диффузии.

Загонка:

По таблице приложения 2 в [1] находим значение аргумента функции erfc(Z).



Решая это уравнение относительно ф находим время диффузии.

Исходя из этих данных, на проведение диффузии всех слоев, суммарно потребуется 137 мин.

11. Проверочный расчет

Цель проверочного расчета - проверить, обеспечивают ли принятые конфигурации и размеры элементов топологии n-p-n_транзисторов, а также технологические режимы из формирования, заданный электрические характеристики.

Коэффициенты передачи тока в схемах с общей базой б и общим эмиттером в связаны друг с другом коэффициентом инжекции г и переноса ч соотношениями:

Коэффициент инжекции в плавном p-n-переходе может быть записан в виде:

где Dp и Dn - коэффициенты диффузии неосновных носителей - дырок и электронов, щ - толщина собственной базы, p(xб) и n(xэ) - концентрация основных носителей на границах обедненного слоя эмиттерного перехода (соответственно дырок в базе и электронов в эмиттере).

Глубина ОПЗ в области базы и эмиттера:

Рассчитаем концентрацию основных носителей:

Диффузионная длина дырок в n-эмиттере, определяемая соотношением:

где

Коэффициент переноса ч определяется:

где

диффузионная длина электронов в p-базе:



Рассчитаем коэффициент инжекции:

Коэффициент переноса:

Тогда коэффициент передачи (усиления) тока в схеме с общей базой б будет равен:

Коэффициент усиления тока в схеме с общим эмиттером равен:

Сравнивая полученное значение с исходными данными в таблице 3 приложения В видим, что оно попадает в допустимый диапазон значений. Следовательно можно сделать вывод, что расчеты проведены верно.

12. Выбор конструкции резисторов

Резисторы полупроводниковых интегральных микросхем представляют собой участки легированного полупроводника с двумя выводами. Сопротивление такого резистора зависит от удельного сопротивления полупроводника и геометрических размеров резисторов. Сопротивления резисторов обычно не превышают нескольких килоом.

Исходными данными для проектирования полупроводниковых резисторов являются: номинальное сопротивление R; допустимое отклонение сопротивление (допуск на номинал); рассеиваемая мощность P; в особых случаях, температурный коэффициент сопротивления.

Для резисторы биполярных ИС существует несколько технологий изготовления:

Диффузионные резисторы (ДР);

Эпитаксиальные резисторы (ЭР);

Пинч-резисторы (ПР).

Для создания диффузионных резисторов используется объемное сопротивление слоев, которые получают в процессе базовой («базовый» резистор, рисунок 7) или эмиттерной («эмиттерный» резистор, рисунок 8) диффузии. При этом с одной стороны ДР ограничен поверхностью подложки и слоем окисла, а с другой - сформированным p-n-переходом.

Рисунок 7 - Структура «базового» резистора

Рисунок 8 - Структура «эмиттерного» резистора

Эпитаксиальные резисторы (рисунок 9), в отличии от ДР, используют постоянную по объему величину удельного сопротивления с. Из-за низкого легирования эпитаксиального слоя ЭР позволяет получать большие номиналы сопротивления. Поперечное сечение ЭР формируется разделительной диффузией, в следствии этого ЭР отличает низкая точность.

Рисунок 9 - Структура эпитаксиального резистора

Сжатые или пинч-резисторы (рисунок 10) выполняются на основе двух слоев структуры, так что тело резистора оказывается заключенным между двумя p-n-переходами.

Рисунок 10 - Структура пинч-резистора

Из-за изменения толщины обедненного слоя изолирующих p-n-переходов и, как следствие, изменение поперечного сечения при изменении напряжения пинч-резисторы обладают большей погрешностью сопротивления по сравнению с диффузионными.

При изготовлении, важна простота технологических операции, а для работы ИМС - точность получаемых значений сопротивлений. С учетом этих требований, целесообразно применить диффузионные базовые резисторы. Поскольку именно они наиболее полно отвечают представленным требованиям и позволяют получать большие номиналы сопротивлений, которые используются в схеме (от едениц килоом до сотен килоом).

В плане конфигурации исполнения, при расчете, можно выбрать любую из представленных на рисунке 11.

Рисунок 11 - Конфигурация резисторов

13. Выбор конструкции конденсаторов

Роль конденсаторов в полупроводниковых интегральных схемах выполняют обедненные слои р-n-переходов, запертые обратным постоянным напряжением или пленка окисла кремния. Роль обкладок - легированные полупроводниковые области или металлические пленки. Максимальная практически достижимая емкость таких конденсаторов лежит в пределах 100--200 пФ, а во многих микросхемах она ограничена значением 50 пФ, что является следствием малой площади используемых р-n-переходов (обычно 0,05 мм2 и менее). Отклонение емкости конденсатора от но­минальной обычно составляет ±20%.

Конденсаторы в ИС обычно выполняются на основе барьерной емкости p-n-прехода (диффузионные конденсаторы), реже - структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Оба вида реализуются в техпроцессе p-n-p транзисторных структур без введения дополнительных операций.

ДК могут быть выполнены на любом p-n-переходе структуры

(рисунок 12): «коллектор-подложка» (К-П); «коллектор-база» (К-Б); «эмиттер-база» (Э-Б); эмиттерном и коллекторном, включенном параллельно (ЭК-Б). Наибольшее распространение получили конденсаторы типа К-Б.

Рисунок 12 - Структура конденсаторов

В структуре МДП-конденсатора (рисунок 13), одной его обкладкой является n+-слой эмиттерной диффузии, второй - алюминиевая пленка на поверхности ИС. Диэлектриком является комбинация обедненного слоя, индуцированного в приповерхностном слое полупроводника, и диэлектрика (SiO2 или Si3N4) толщиной 0,05-0,12 мкм.

Рисунок 13 - Структура МДП конденсатора

Сравнительные данные этих двух технологий приведены в таблице 3. Исходя из этой информации можно сделать вывод, что в нашем случае целесообразно применить диффузионные конденсаторы типа Э-Б, поскольку номинал применённых в схеме элементов лежит в диапазоне сотен пикофарад.

Таблица 3 - Характеристики конденсаторов

Тип	Удельная емкость, пФ/мм	Cmax, пФ	Uпроб, В	tg(д)
	донной части	боковой части
К-П	100	250	300	40 ч 70	0,01
К-Б	150	350	300	40 ч 70	0,01 ч 0,02
Э-Б	600	100	1200	7 ч 8	0,05 ч 0,5
ЭК-Б	-	-	1500	7 ч 8	0,1 ч 0,5
МДП (SiO2)	400 ч 600	-	500	30 ч 50	0,01 ч 0,04
МДП (Si3N4)	800 ч 1600	-	1200	30 ч 50	0,01 ч 0,02



Заключение

В ходе работы были решены следующие задачи: обоснован и выбран тип корпуса (2148.10-1); выбран вид изоляции элементов микросхемы (ЭПИК); проведен анализ принципиальной схемы по постоянному току, определены потенциалы напряжений в узлах и номиналы токов в ветвях; описана последовательность операций планарно-эпитаксиальной технологии производства; выбран тип вертикальной структуры (); выбрана конструкция транзисторов, резисторов и конденсаторов в составе интегральной микросхемы; рассчитаны основные параметры диффузионных структур, необходимые для изготовления интегральной микросхемы.



Список использованных источников

1. Семенова, О. В. Проектирование интегральных микросхем: уч. пособие / О. В. Семенова. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2012. - 45 с.



Приложение 1

Транзисторы кремниевые эпитаксиально-планарные структуры p-n-p усилительные с нормированным коэффициентом шума на частоте 1кГц.

Предназначены для применения в усилителях, генераторах низкой и высокой частот, переключающих устройствах.

Выпускаются в пластмассовом корпусе с гибкими выводами.

Таблица 1 - Параметры транзистора КТ3107Е

Параметр	Значение
Коэффициент усиления по току в схеме ОЭ	120-220
Сопротивление области базы, Ом	150
Сопротивление области коллектора, Ом	150
Максимальный прямой ток, мА	100
Мощность рассеивания, мВт	300
Емкость коллекторного перехода , пФ	7
Емкость эмиттерного перехода , пФ	12
Обратные ток эмиттера, мкА	0,1
Обратные ток коллектора, мкА	0,1
Граничная частота, МГц	200
Напряжение насыщения К-Э, В	0,5
Напряжение насыщения Б-Э, В	0,8
Коэффициент шума, дБ	4
Постоянное напряжение К-Б, В	25
Постоянное напряжение К-Э, В	20
Постоянное напряжение Э-Б, В	5
Постоянный ток Б, мА	50
Постоянный ток К, мА	100

Транзистор VT2 КТ3102Б

Транзисторы кремниевые эпитаксиально-планарные структуры n-p-n усилительные с нормированным коэффициентом шума на частоте 1кГц.

Предназначены для применения в усилителях, генераторах низкой и высокой частот, переключающих устройствах.

Выпускаются в пластмассовом корпусе с гибкими выводами.

Таблица 2 - Параметры транзистора КТ3102Б

Параметр	Значение
Коэффициент усиления по току в схеме ОЭ	200-500
Сопротивление области базы, Ом	150
Сопротивление области коллектора, Ом	150
Максимальный прямой ток, мА	100
Мощность рассеивания, мВт	300
Емкость коллекторного перехода , пФ	6
Емкость эмиттерного перехода , пФ	10
Обратные ток эмиттера, мкА	10
Обратные ток коллектора, мкА	0,05
Граничная частота, МГц	30
Напряжение насыщения К-Э, В	0,5
Напряжение насыщения Б-Э, В	0,8
Коэффициент шума, дБ	10
Постоянное напряжение К-Б, В	50
Постоянное напряжение К-Э, В	50
Постоянное напряжение Э-Б, В	5
Постоянный ток Б, мА	50
Постоянный ток К, мА	100

Транзисторы VT3-VT4 КТ315Б

Транзисторы кремниевые эпитаксиально-планарные структуры n-p-n. Предназначены для использования в низкочастотных устройствах аппаратуры широкого применения.

Таблица 3 - Параметры транзистора КТ315Б

Параметр	Значение
Коэффициент усиления по току в схеме ОЭ	50-350
Сопротивление области базы, Ом	130
Сопротивление области коллектора, Ом	130
Максимальный прямой ток, мА	100
Мощность рассеивания, мВт	150
Емкость коллекторного перехода , пФ	7
Емкость эмиттерного перехода , пФ	10
Обратные ток эмиттера, мкА	3-50
Обратные ток коллектора, мкА	0,5-0,6
Граничная частота, МГц	250
Напряжение насыщения К-Э, В	0,4
Напряжение насыщения Б-Э, В	1
Коэффициент шума, дБ	-
Постоянное напряжение К-Б, В	20-40
Постоянное напряжение К-Э, В	20-60
Постоянное напряжение Э-Б, В	6
Постоянный ток Б, мА	50
Постоянный ток К, мА	100



Приложение 2

Чертеж корпуса 2148.10-1

Размещено на Allbest.ru