close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Kursach(18)

код для вставкиСкачать
Оглавление
1 Описание проектируемой интегральной схемы и ее конструктивно- технологической реализации4
2 Моделирование схемы5
3 Проектирование топологии элементов схемы9
4 Описание технологии проектируемой ИМС20
5 Выбор корпуса22
6 Топология ИС23
Заключение24
Список литературы25
Приложение26
1 Описание проектируемой интегральной схемы и ее конструктивно- технологической реализации
Задание рабочей точки в интегральных схемах чаще всего осуществляется принудительно путем фиксации постоянной составляющей тока с помощью источников тока или токовых зеркал. Поэтому для реализации стабильной рабочей точки нужны, прежде всего, источники опорного тока рис.1, отличающиеся температурной стабильностью и независимостью от напряжения питания. Источники опорного напряжения требуются лишь в редких ситуациях.
Рис.1. Принципиальная схема источника тока
Источник опорного тока с использованием UBE требуется рассчитать на опорный ток Iref = 100 мкА. В этом случае для n-p-n транзисторов следует UBE ≈ UT ln Iref/IS ≈ 0,66В, тогда, согласно Iref=UBE2/R1, R1 ≈ 6,6 кОм. С помощью моделирования осуществляем тонкую подстройку до R1 = 6,2 кОм и для пусковой схемы находим R2 = R1 = 6,2 кОм. Сопротивление резистора R3 отличается широким диапазоном возможных значений. Здесь его номинал выбирается так, что бы ток пусковой схемы при максимальном напряжении питания Ub = 12 В оставался меньше опорного тока: R3 ≈ (Ub - 3UBE) / Iref ≈ 100 кОм.
2 Моделирование схемы
Для проверки работоспособности схемы проведем моделирование в среде Orcad (рис.2).
Рис.2. Модель источника тока
На рис.3 представлена внешняя характеристика, по которой можно судить о работоспособности схемы источника опорного тока. На графике видно, что IREF = 100 мкА.
Рис. 3. Внешняя характеристика
Проанализируем полученную характеристику. По заданию напряжение питания задано на уровне 12 вольт. Однако видно, что источник тока адекватно работает в широких пределах значения питания. Повышение тока относительно заданного значения связано с не идеальностью элементов - транзисторов.
Проведем моделирование схемы при различных значениях нагрузки (рис.4), а именно от 10 кОм до 100кОм.
Рис. 4 Зависимость выходного тока от значения нагрузки
Судя по графику, можно сказать, что значение тока меняется незначительно - сотые доли микроампер. Проведем временной анализ изображенный на рис.5:
Рис.5 Временной анализ
Т.к. в реальности сложно добиться точного значения сопротивлений, проведем анализ Монте-Карло рис.6, для оценки работоспособности схемы при разбросе параметров резисторов на 20%.
Рис.6 Анализ Монте-Карло
При предыдущих моделированиях схемы использовался идеальный источник питания. Поэтому, принимая во внимание тот факт, что источники питания обычно имеют пульсации напряжения, проимитируем реальный источник питания, и оценим работоспособность схемы рис.7.
Рис.7 Работоспособность схемы с реальным источником питания
Как видно из графика, пульсации никак не отразились на работе источника тока. Исходя из полученных графиков, можно сделать вывод, что схема соответствует требуемым параметрам.
Для дальнейших расчетов на необходимы максимальные токи транзисторов рис.8. Для этого воспользуемся средствами OrCAD 16.5
Рис.8 Модель источника тока с указанием токов в соответствующих ветвях схемы
По результатам моделирования определяем максимальный ток коллектора и ток эмиттера n-p-n транзистора - Ikmax=110 мкА, Iэ=110 мкА; максимальный ток коллектора и ток эмиттера p-n-p транзистора - Ikmax=115 мкА, Iэ=120 мкА. 3 Проектирование топологии элементов схемы
3.1 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 параметраОбозначениеЧисленные данныеМаксимальное U "коллектор-база"UКБ10 ВМаксимальное обратное напряжение Э-БUЭБ7 ВГлубина коллекторного переходаxjk3 мкмПриповерхностная конц-ия акцепторов в базеNas3∙1019 см-3 3.2 Расчёт параметров n-p-n транзистора
Для расчета параметров n-p-n транзистора воспользуемся методикой, приведенной в [3].
Расчет проведем для транзистора Q2, так как через него проходит максимальный ток. Рис.9 - Структура биполярного транзистора
1. По заданному максимально допустимому напряжению UKБ max определяем пробивное напряжение UKБ0, которое должно быть хотя бы на 20% больше UKБ max т. е. Uпит=1.2Uкб max =1.2*10=12В
Пробивное напряжение коллекторного р-п перехода выбираем с коэффициентом запаса 2-3.
UКБ проб= 3UКБ max =3*12=36В
По графику зависимости Uпр(Nдк) (рис.10), где Nдк - концентрация примесей на высокоомной стороне р-п перехода, находят Nдк.
Рис.10 - Зависимость пробивного напряжения от концентрации примесей на высокоомной стороне p-n перехода. N_дк=2.1*〖10〗^16
Удельное сопротивление коллекторного перехода при Т = 300 К рассчитываем по формуле
ρ_vk=1/(qμ_n*N_дк )=1/(1.602*〖10〗^(-19)*930*2.1*〖10〗^16 )=0.3196 Ом/см
q - заряд электрона.
Подвижности μ_n и μ_p при заданной концентрации примесей N_дк находят из рис.11 для данной концентрации μ_n=930 〖см〗^2/(В*С) , μ_p=310 〖см〗^2/(В*С).
Рис.11 - Зависимость подвижности электронов от концентрации примесей.
2. Определим характеристическую длину в распределении примесей акцепторов La и характеристическую длину в распределении доноров LA. Данные величины показывают, насколько резко спадает концентрация примесей в слое при приближении к какому-то из переходов, и помогают более точно вычислить контактную разность потенциалов на переходе и длину ускоряющего участка дрейфа неосновных носителей заряда в базе транзистора.
L_a=X_jk/(ln⁡(N_as/N_дк ))=(3*〖10〗^(-4))/(ln⁡((3*〖10〗^19)/(2.1*〖10〗^16 )))=4.13*〖10〗^(-5) см=0.413 мкм
Здесь считается, что приповерхностная концентрация акцепторов в кремнии Nas=3*〖10〗^19 〖см〗^(-3). Затем концентрация уменьшается по экспотенциальному закону в зависимости от функции глубины.
Характеристическая длина в распределении примесей вблизи эмиттерного перехода приблизительно вычисляется так: L_д=1/3 L_а=1/3*4.13*〖10〗^(-5)=1.377*〖10〗^(-5) см=0.1377 мкм
3. Для расчета ширины объемного заряда на коллекторном и эмиттерном переходах предварительно вычисляют:
потенциал U_0, (условная величина, входящая в ряд формул в качестве коэффициента):
U_0=(qN_дк 〖L_а〗^2)/(ε_r ε_0 )=(1.602*〖10〗^(-19)*2.1*〖10〗^16*〖(4.13*〖10〗^(-5))〗^2)/(11.7*8.854*〖10〗^(-12) )=0.055В
Контактная разность потенциалов на коллекторном переходе.
φ_к=φ_т ln⁡〖(N_дк/n_i )^2 〗=0.026*ln((2.1*〖10〗^16)/(1.4*〖10〗^10 ))^2=0.7394В⁡
φт - тепловой потенциал приблизительно равный 0.026В при Т=300К.
ni - концентрация собственных носителей заряда в кремнии. ni=〖1.4·10〗^10
Контактная разность потенциалов на эмиттерном переходе.
φ_е=φ_т ln⁡〖(N_AS/n_i )^2 〗=0.026*ln((3*〖10〗^19)/(1.4*〖10〗^10 ))^2=1.117В⁡
4. Рассчитаем ширину области объёмного заряда распространяющегося в сторону базы (Δxкб) и в сторону коллектора (Δxкк) при максимальном смещении коллекторного перехода UКБmax.
∆x_кб=L_а ln⁡〖(1+√(1+2 (φ_к+U_кбmax)/U_0 ))=〗=4.13*〖10〗^(-5) ln⁡(1+√(1+2 (0.7394+10)/0.055))=1.2396*〖10〗^(-4) см=1.24 мкм
Δхкк - имеет другое значение, т.к. в силу экспоненциальной зависимости концентрации от глубины, её изменения в коллекторном слое будут более плавными и, следовательно, распространение ОПЗ в сторону коллектора Δхкк будет больше.
∆x_кk=L_а (1+√(1+2 (φ_к+U_кбmax)/U_0 ))-∆x_кб==4.13*〖10〗^(-5) (1+√(1+2 (0.7394+10)/0.055))⁡〖-1.24*〖10〗^(-4) 〗==7.067*〖10〗^(-4) см=7.067 мкм
5. Выбираем ширину технологической базы, которая должна быть больше ширины ОПЗ коллекторного перехода, распространяющейся в сторону базы (иначе эта часть ОПЗ перекроет всю базу и переходы сомкнутся): ωБ0 >Δxкб.
Пусть ωБ0=2.5 мкм.
6. Ширину высокоомного слоя коллектора (от глубины коллекторного перехода до глубины, где кончается эпитаксильный слой и начинается подложка) выбираем больше той части ширины ОПЗ коллектора, которая распространяется в сторону коллектора при максимальном смещении ωк ≥ Δxкк.
Пусть ωк=8 мкм.
Тогда полная толщина определится как d_k=ω_k+x_jk=8+3=11 мкм
7. Определим концентрацию акцепторов на эмиттерном переходе.
N_a(X_jэ ) =N_AS e^(ωбо⁄L_а )=〖3·10〗^19 e^(2⁄0.413)=3.8*〖10〗^21 см^(-3)
8. В результате высокой степени легирования эмиттера область объемного заряда на эмиттерном переходе в основном будет сосредоточена в базе. Приближенно можно считать, что Δхэб=Δхэ, где
〖∆x〗_э=√((2ε_r ε_0 U_ЭБmax)/(q*N_(a(X_jэ)) ))=√((2*11.7*8.854*〖10〗^(-12)*7)/(1.602*〖10〗^(-19)*3.8*〖10〗^21 ))=15.435*〖10〗^(-7)==0.015*〖10〗^(-4) см=0.015 мкм
Ширина базы ωБ0 была определена без учета Δxэ и может оказаться заниженной; в свою очередь величина N_(a(X_jэ)) тоже может быть меньше действительной, а ширина объемного заряда Δxэ - больше. Однако превышение Δxэ незначительно и приведет только к тому, что технологическая ширина базы будет выбрана с некоторым запасом.
9. Коррекция ширины технологической базы. Чтобы ОПЗ эмиттерного и коллекторного переходов не сомкнулись, и ширина активной базы была больше нуля, должно выполняться условие:
w_б0>〖∆x〗_кб+〖∆x〗_э=1.24*〖10〗^(-4)+0.015*〖10〗^(-4)=1.255*〖10〗^(-4) см==1.255 мкм
Рассчитанная ранее толщина технологической базы wб0=2 мкм удовлетворяет этому условию.
10. Определение ширины активной базы. Она равна разности между шириной технологической базы, и обеими ОПЗ (эмиттера и коллектора), распространяющимися в область базы.
w_бА=w_б0-〖∆x〗_кб-〖∆x〗_э=2*〖10〗^(-4)-0.62*〖10〗^(-4)-0.007*〖10〗^(-4)==1.393*〖10〗^(-4) см=1.393 мкм
11. Определим глубину залегания эмиттера. x_jэ=x_jk-ω_бo=3-2=1 мкм
12. Площадь эмиттера можно определить исходя из допустимой плотности тока эмиттера JЭкр, при которой коллекторный переход находится при нулевом смещении, когда транзистор еще не вошел в режим насыщения:
S_Э=I_Э/j_Экр ,
где j_Экр≈(U_ЭКmin-φ_Э)/(p_VK d_K ) ,
Минимальное напряжение на участке эмиттер-коллектор транзистора рассчитывают по максимальной мощности на p-n-переходе PКmax и максимальному току коллектора IКmax:
U_ЭKmin=P_Kmax/I_Kmax =(1.2 мВт)/(110 мкА)=10.9 В ,
j_Экр≈(U_ЭКmin-φ_Э)/(p_VK d_K )=(10.9-1.12)/(0.3196*11*〖10〗^(-4) )=2.782*〖10〗^4
S_Э=I_Э/j_Экр =(110*〖10〗^(-6))/(2.782*〖10〗^4 )=3.9*〖10〗^(-9) 〖см〗^2
а=√S=√(3.9*〖10〗^(-9) )=6.289〖*10〗^(-5) см=0.63 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, размераРазмер(зазор),мкм
н/в (5 В)Скрытый - разделение 15Разделение - коллектор п-р-п18Коллектор - база р-п-р 6База р-п-р транзистора19Р-база - база (резистор)12Р-база - N-коллектор8Р-база - эмиттер6Р-база - контакт6Эмиттер - контакт6Эмиттер - контакт рядом15Металл - контакт7Металл - металл4 Разделение мин.7Металл мин.19 Контакт мин.4 Резистор ИЛ6Резистор базовый6 Минимальный топологический размер - 3 мкм.
3.3 Найдём оптимальную площадь эмиттера горизонтального p-n-p транзистора:
S_эpnp=I_эpnp/j_экрpnp Где
ρ_vkpnp=1/(qμ_p (N_дк)N_дк )=1/(1.602*〖10〗^(-19)*310*2.1*〖10〗^16 )=0.959 Ом/см
U_экmin=Р_кmax/I_кmax =(1.2*〖10〗^(-3))/(115*〖10〗^(-6) )=10.435 B
j_экр=(U_экmin-φ_э)/(ρ_vk d_k )=(10.435 -1.117)/(0.959*11〖*10〗^(-4) )=8.8〖*10〗^3
S_эpnp=I_эpnp/j_экрpnp =(120〖*10〗^(-6))/(8.8〖*10〗^3 )=1.36〖*10〗^(-8) 〖см〗^2
а_pnp=√(S_эpnp )=√(1.36〖*10〗^(-8) )=1.166〖*10〗^(-4) см=1.17 мкм
В качестве диода используется транзистор c замкнутым накоротко коллектором (рис.12) - (БК-Э). Такой диод обладает малой ёмкостью и высоким быстродействием. Рис.12 - Конструкция интегрального диода БК-Э
3.4 Расчет резисторов
Общий вид проектируемого полупроводникового резистора изображён на рисунке 13.
Уравнение для сопротивления резистора может быть записано как:
где Kф - коэффициент формы или число квадратов резистора.
Рис.13 - Структура интегрального резистора на основе базовой диффузии
Из уравнения (1) найдем коэффициент формы о формуле:
Так как резистор имеет Kф>1, то расчёт геометрических размеров начинают с определения ширины. Ширину резистора выбирают из условия:
где bр - минимальная ширина резистора, при которой рассеивается заданная мощность:
bточн - минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная точность:
где Δb, Δl - точность воспроизведения геометрии резисторов (Δb=Δl =0.1 мкм);
bтехн - минимальная ширина резистора, определяемая разрешающей способностью выбранного метода формирования конфигурации (bтехн =3 мкм).
Таким образом, расчетная ширина резистора составит:
Так как шаг координатной сетки равен 1 мм и масштаб составляет 200:1, то следует округлить значение топологической ширины резистора до ближайшего целого значения, кратного 5 мкм. Таким образом, bтоп = 5 мкм. Следовательно, ширина резистора b в кристалле после процесса диффузии:
Определяем площадь контактных площадок по следующей формуле:
Рассчитаем размеры контактной площадки по формуле:
Сопротивление резистора рассчитывается по следующей формуле:
где K - коэффициент формы, учитывающий конфигурацию контактной площадки.
Рассчитаем длину резистора по формуле:
Учитывая ширину резистора 9 мкм, рассчитаем окончательную длину резистора по формуле:
Аналогичным образом рассчитываем длину резистора 100кОм, приняв поверхностное сопротивление 1кОм, а глубину залегания 100 нм. При этом получим следующие данные: lпром=610 мкм, bкр = 6.1 мкм, L1=4 мкм, L2 = 8 мкм.
4 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 интегрального n-p-n транзистора
Наименование слояКонцентрация примеси, Толщина слоя, мкмУдельное сопротивлениеобъемное, поверхностное, Подложка p-типа200...40010-Скрытый n+ слой-2,5...10-10-30Коллекторный слой2,5...100,15...5,0500Базовый p-слой1,5...2,5-100...300Эмиттерный n+ слой0,5...2,0-2...15Изолирующая область-3,5...12-6...10Пленка SiO2-0,3...0,6--Металлическая пленка (алюминий)-0,6...1,00,06...0,1
Основные этапы технологического процесса изготовления ИМС представлены на рис. 14.
Рис. 14 Основные этапы технологического процесса
5 Выбор корпуса
В качестве корпуса для размещения полученного кристалла был выбран корпус КТ-28 по ГОСТ 17467-88. Масса корпуса не более 1 г. Рис.15 - Корпус КТ-28
Рис.16 - Габаритный чертёж КТ-28
Конструкцией корпуса обеспечивается устойчивость к воздействию линейного ускорения и одиночных ударов, пониженного и повышенного атмосферного давления, ударной прочности (многократные удары).
6 Топология ИС
В соответствии с рассчитанными размерами элементов ИС, технологическими зазорами, в среде CorelDraw X6 была спроектирована топология источника опорного тока (рис.17) Рис.17 Топология интегральной схемы
Заключение
В курсовом проекте рассчитаны физико-топологические параметры источника опорного тока, произведено его моделирование в среде OrCAD 16.5. В проекте рассчитаны размеры основных элементов (биполярных транзисторов, резисторов). Рассмотрена технология производства источника опорного тока. Выбран корпус прибора. Разработаны топологический чертеж кристалла, чертежи конструкции ИМС и схемы электрической принципиальной.
Список литературы
Гребен, А.Б. Проектирование аналоговых интегральных схем./ А.Б. Гребен. Пер. с англ. М., Энергия, 1976. Калниболотский, Ю. М. Расчет и конструирование микросхем/ Ю. М. Калниболотский, Ю.В Королев, Г.И. Богдан, - Киев: Вища школа, 1983.
Коледов, Л.А. Конструкция и технология микросхем, курсовое проектирование/ Л.А. Коледов - М.: Высшая школа, 1984.
Матсон, Э.А. Справочное пособие по конструированию микросхем / Э.А. Матсон, Д. В. Крыжановский. - М.: Вышэйшая школа, 1982.
Пономарев, М.Ф. Конструкции и расчет микросхем и микроэлементов ЭВА: учебник для вузов. / М.Ф. Пономарев. - М.: Радио и связь, 1982.
Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов / И.П Степаненко.-М.: Лаборатория базовых знаний, 2001.
Приложение
Рис. 1 Скрытый n+ слой
Рис.2 Разделительный слой
Рис. 3 Латеральный слой p-n-p транзистора и базовый слой n-p-n транзистора
Рис.4 n+ слой
Рис.5 Слой ИЛ резистора
Рис. 6 Слой контактов
Рис. 7 Слой металлизации
Рис.8 Защитный слой
09-МиТЭ
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
107
Размер файла
60 580 Кб
Теги
kursach
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа