Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Описание проектируемой интегральной схемы и ее конструктивно - технологической реализации

Схема представляет собой логический элемент «И-НЕ», реализованный на модифицированной диодно-транзисторной логике (МДТЛ). Принцип действия ДТЛ заключается в следующем: ток базы транзистора VT₁ протекает через резистор R₁ при запертых входных диодах VD₁ и VD₂, то есть, когда все входные напряжения находятся в состоянии логической «1», транзистор VT₁ открыт и находится в состоянии логического «0». Таким образом, реализуется функция «И-НЕ». Отличие МДТЛ от обычной ДТЛ заключается в том, что сдвоенный диод VD₃ заменен стабилитроном. В результате уровень переключения по входу поднят до 6 В, и при напряжении питания 12 В запас помехоустойчивости достигает 5 В. Чтобы повысить коэффициент разветвления по выходу, элементы медленнодействующей помехоустойчивой логики (МПЛ) снабжаются двухтактным оконечным каскадом, представляющим собой эмиттерный повторитель. При запирании транзистора VT₂ выходной ток протекает через эмиттерный повторитель VT₃. Как только VT₂ начинает проводить ток, потенциал его коллектора становится низким. В случае омической выходной нагрузки выходное напряжение также падает. При емкостной нагрузке через через транзистор VT₂ должен протечь ток разряда конденсатора. Чтобы в таком случае транзистор VT₃ был заперт, предусмотрен диод VD₄, пропускающий ток разряда через проводящий транзистор VT₂. Транзисторы, обладающие малым быстродействием, позволяют искусственно увеличить время переключения, а применение внешних конденсаторов делает его еще большим. Благодаря этому короткие импульсы помех не страшны даже тогда, когда их амплитуда превышает запас помехоустойчивости.



Рис.1 - схема логического элемента МПЛ И-НЕ

Моделирование схемы

Для проверки работоспособности схемы проведем моделирование в среде Orcad (рис.2).

Рис.2 - Модель ЛЭ в среде OrCAD.

На рис.3 представлен выходной сигнал, по которому можно судить о работоспособности схемы.

Рис.3 - Результаты моделирования, напряжение на выходе



Рис.4 - Рабочие токи

Максимальный ток эмиттера равен 10.72 mА, ток коллектора равен 10.66 mА (транзистор VT3).

Рис.5 - Рабочие напряжения

Рис.6 - Мощности, выделяемые на резисторах схемы

2. Проектирование топологии элементов схемы

2.1 Выбор исходных данных

Для дальнейших расчетов примем исходные данные, приведенные в таблице 1. Значения параметров выбраны в соответствии с технологическими требованиями и возможностями ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ-ЭЛ».

Таблица 1

Название параметра	Обозначение	Численные данные
Макс. напряжение коллектор-база	UКБ	15 В
Макс. обратное напряжение эмиттер-база	UЭБ	7 В
Глубина коллекторного перехода	xjk	2,5 мкм
Приповерхностная концентрация акцепторов в базе	Nas	2.5•1018 см-3

2.2 Расчет конструктивных размеров и параметров планарных транзисторов

Расчет проведем для транзистора VT3, так как через него проходит максимальный ток.

Рисунок7.Структура биполярного транзистора

1. По заданному максимально допустимому напряжению U_кбmax определим пробивное напряжение U_кб0 = 1.2U_кбmax= 18 В.

По графику зависимости U_пр(N_дк) находим:

N_дк = 6 • 10¹⁶ см^-3



Рисунок 15. Зависимость пробивного напряжения от концентрации примесей на высокоомной стороне p-n перехода

Находим подвижность электронов и дырок по графику зависимости :

Рисунок 16.Зависимость подвижности электронов и дырок от концентрации примесей

Удельное сопротивление коллекторного перехода при T = 300 K рассчитываем по формуле:

2. Определяем характеристическую длину в распределении примесей акцепторов L_а и длину в распределении доноров L_д. Данные величины показывают, насколько резко спадает концентрация примесей в слое при приближении к переходу, и помогают более точно вычислить контактную разность потенциалов на переходе и длину ускоряющего участка дрейфа неосновных носителей заряда в базе транзистора:

Характеристическая длина доноров вблизи эмиттерного перехода может быть приближенно вычислена как:

3. Для расчёта ширины ОПЗ на коллекторном и эмиттерном переходах предварительно вычисляем вспомогательный потенциал:

Контактную разность потенциалов на коллекторном переходе:

ц_T - тепловой потенциал приблизительно равный 0.026 В при Т=300K.

n_i - концентрация собственных носителей заряда в кремнии. n_i =

Контактная разность потенциалов эмиттерного перехода:

4. Рассчитываем ширину ОПЗ в областях базы и коллектора:

5. Выбираем ширину технологической базы с учетом выполнения условия щ_б0х_кб. Пусть щ_б0 = см.

6. Выбираем ширину технологического коллектора с учетом выполнения условия щ_к0х_кк. Пусть щ_к0 = см.

Полная толщина коллекторного слоя

см

7. Определяем концентрацию акцепторов на эмиттерном переходе.



8. В результате высокой степени легирования эмиттера область объемного заряда на эмиттерном переходе будет сосредоточена в базе.

9. Корректируем ширину базы:

10. Определим площадь донной части коллекторного перехода (с учетом предполагаемой емкости перехода 100 пФ):

где С_k0 - емкость донной части коллекторного перехода.

Площадь эмиттера можно определить, исходя из критической плотности тока эмиттера J_экр, при которой коллекторный переход находится при нулевом смещении, когда транзистор ещё не вошёл в режим насыщения:

Где

Минимальное напряжение на участке эмиттер-коллектор транзистора рассчитывается по максимальной мощности на p-n переходе Р_кmax и максимальному току коллектора I_кmax.

Примем площадь эмитера равной 15 мкм.

Размеры остальных областей транзистора, а также его общая площадь могут быть определены, исходя из известных площади эмиттера Sэ, минимальной ширины контактов, минимального расстояния между контактами и других конструктивно-технологических ограничений, принятых для данной технологии изготовления полупроводниковой ИМС.

Таблица 2 - Основные топологические зазоры и размеры.

Наименование зазора, размера	Размер(зазор),мкм
Скрытый - разделение	15
Разделение - коллектор п-р-п	18
Коллектор - база р-п-р	6
Р-база - база (резистор)	12
Р-база - N-коллектор	8
Р-база - эмиттер	6
Р-база - контакт	6
Эмиттер - контакт	6
Эмиттер - контакт рядом	15
Металл - контакт	7
Металл - металл	4
Разделение мин.	7
Металл мин.	14
Контакт мин.	4
Резистор базовый	6

2.3 Расчёт резисторов

На основе используемых номиналов резисторов в схеме МПЛ (0.1, 2.2, 6.8, 9.1, 10 кОм) будем использовать диффузионные резисторы, формируемые на базовом р-слое.

Рисунок 17. Конструкция интегрального резистора в базовом слое

Для расчёта резисторов нам необходимо знать удельное поверхностное сопротивление базы с_sb. Для его определения найдём удельное сопротивление базы с_v из графика зависимости удельного сопротивления от концентрации примесей в базе.

Рисунок 18.Зависимость удельного сопротивления кремния и арсенида галлия от концентрации примесей

Предполагаем, что в тонком диффузионном слое базы удельное объемное сопротивление одинаково, тогда , где d - толщина слоя базы. Воспользуемся средним значением концентрации носителей в базе для нахождения ., тогда .

Тогда:

В схеме МПЛ используются резисторы со следующими номиналами: 0.1, 2.2, 6.8, 9.1, 10 кОм. Для каждого из них найдем минимально допустимую ширину, на основе заданной и допустимой мощностей рассеивания:

Где Р_z - максимально допустимая удельная мощность рассеяния, выбираемая в зависимости от типа корпуса микросхемы и условий ее эксплуатации в пределах 0,5 - 4,5 Вт/мм².

Так как на остальных резисторах выделяемая мощность не превышает 2 мВт, то полученная ширина будет меньше допустимой по технологическому процессу (4 мкм), поэтому ширина остальных резисторов будет равна 6 мкм.

Полученная ширина резисторов номиналом 10 кОм достаточно велика и значительно превышает ширину остальных резисторов, поэтому целесообразно пересчитать их параметры на основе эмиттерного слоя:

Тогда:

Найдем длины всех резисторов:

R = 0.5кОм:

R = 3 кОм:

R = 5 кОм:

R = 10 кОм:



Длина резисторов номиналом 5 и 10 кОм большая, поэтому необходимо изменить форму резистора с линейной на форму змейки:

(n = 6)

(n = 10)

3. Описание технологии проектируемой ИМС

Выбор технологии и исходного материала определяется выбором наиболее сложного элемента интегральной схемы -транзисторной структуры. Это объясняется не только наиболее широким применением транзисторов вообще, но и тем, что все остальные элементы ИМС формируется на основе областей транзисторной структуры.

Таблица 3. Типичные параметры слоев биполярного интегральногоn-p-n транзистора

Наименование слоя	Толщина слоя, мкм	Удельное сопротивление
		объемное,	поверхностное,
Подложка p-типа	200…400	10	-
Скрытый n+слой	2,5…10	-	10-30
Коллекторный слой	2,5…10	0,15...5,0	500
Базовый p-слой	1,5…2,5	-	100...300
Эмиттерный n+слой	0,5...2,0	-	2...15
Изолирующая область	3,5...12	-	6...10
Пленка SiO2	0,3...0,6	-	-
Металлическая пленка(алюминий)	0,6...1,0		0,06...0,1

Основные этапы технологического процесса изготовления ИМС:

1.Формирование скрытого слоя n+ на подложке p-типа;

2. Наращивание эпитаксиального n-слоя на подложке с уже сформированным скрытым слоем;

3. Формирование разделительного слоя;

4. Формирование базовогоp-слоя;

5. Формирование n⁺ области эмиттера;

6. Формирование защитного окисла и контактных окон;

7. Металлизация, ФЛГ и удаление лишнего металла. Вжигание;

8. Формирование защитного слоя под разварку.

4. Выбор корпуса

В качестве корпуса для размещения полученного кристалла был выбран корпус DIP-6.

Рис.16 - Корпус DIP-6

Рисунок 19.Габаритный чертёж DIP-6

Конструкцией корпуса обеспечивается устойчивость к воздействию линейного ускорения и одиночных ударов, пониженного и повышенного атмосферного давления, ударной прочности (многократные удары).

5. Топология ИС

В соответствии с рассчитанными размерами элементов ИС, технологическими зазорами была спроектирована топология ИМС:

Рисунок 20.Топология интегральной схемы

Рисунок 21. Скрытый n+ слой



Рисунок 22. Разделительный слой

Рисунок 23. Базовый слой n-p-n транзистора

Рисунок 24. Эмиттерный слой n-p-n транзистора

Рисунок 25. Контакты



Рисунок 26. Слой металлизации

Рисунок 27. Защитный слой

Заключение

В курсовом проекте рассчитаны физико-топологические параметры компаратора напряжений, произведено его моделирование в среде OrCAD. В проекте рассчитаны размеры основных элементов (биполярных транзисторов, резисторов). Рассмотрена технология производства D-триггера. Выбран корпус прибора. Разработаны топологический чертеж кристалла, чертежи конструкции ИМС и схемы электрической принципиальной.

Список литературы

компаратор напряжение триггер

1. Гребен, А.Б. Проектирование аналоговых интегральных схем./А.Б. Гребен. Пер. с англ. М., Энергия, 1976.

2. Калниболотский, Ю. М. Расчет и конструирование микросхем/ Ю. М. Калниболотский, Ю.В Королев, Г.И. Богдан, - Киев: Вища школа, 1983.

3. Коледов, Л.А. Конструкция и технология микросхем, курсовое проектирование/ Л.А. Коледов - М.: Высшая школа, 1984.

4. Матсон, Э.А. Справочное пособие по конструированию микросхем / Э.А. Матсон, Д. В. Крыжановский. - М.: Вышэйшая школа, 1982.

5. Пономарев, М.Ф. Конструкции и расчет микросхем и микроэлементов ЭВА: учебник для вузов. / М.Ф. Пономарев. - М.: Радио и связь, 1982.

6. Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов / И.П Степаненко.-М.: Лаборатория базовых знаний, 2001.

Размещено на Allbest.ru