Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Інші
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Електронні пристрої і системи
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2024
Тип роботи:
Методичні вказівки
Предмет:
Твердотільна електроніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Методичні вказівки
до самостійної роботи студентів
з дисциплін «Твердотільна електроніка» та «Основи мікроелектроніки та функціональної електроніки» щодо виконання розрахунків і проектування елементів інтегрованих схем
для студентів напрямів
«Мікро- та наноелектроніка»
і «Електронні пристрої та системи»
Міністерство освіти і науки України
Вінницький національний технічний університет
Методичні вказівки
до самостійної роботи студентів
з дисциплін «Твердотільна електроніка» та «Основи мікроелектроніки та функціональної електроніки» щодо виконання розрахунків і проектування елементів інтегрованих схем
для студентів напрямів
«Мікро- та наноелектроніка»
і «Електронні пристрої та системи»
Вінниця
ВНТУ
2014
Рекомендовано до друку Методичною радою Вінницького національного технічного університету Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України (протокол № від 2014 р.)
Рецензенти:
О. В. Осадчук, доктор технічних наук, професор
С. Т. Барась, кандидат технічних наук, доцент
Методичні вказівки до самостійної роботи студентів з дисциплін «Твердотільна електроніка» та «Основи мікроелектроніки і функціональної електроніки» щодо виконання розрахунків і проектування елементів інтегрованих схем для студентів напрямів «Мікро- та наноелектроніка» і «Електронні пристрої та системи» / Уклад. Ю. С. Кравченко. – Вінниця : ВНТУ, 2014. – 35 с.
Наведені методика, основні формули і довідкові дані необхідні для розрахунків елементів інтегрованих схем, а також практичні рекомендації щодо використання таких розрахунків при проектуванні приладів мікроелектроніки.
Призначені в якості додаткового матеріалу при організації самостійної роботи студентів напрямів «Мікро- та наноелектроніка» і «Електронні пристрої та системи» в межах дисциплін «Твердотільна електроніка» і «Основи мікроелектроніки та функціональної електроніки».
ЗМІСТ
ВСТУП.........................................................................................................
4
1 ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ ЩОДО ОРГАНІЗАЦІЇ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ СТУДЕНТІВ................................................................................
4
2 ЕЛЕМЕНТИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ІМС НА БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРАХ………………............................. ..........................……
4
2.1 Транзистори п-р-п-типу………………………………............ ......
4
2.2 Транзистор типу р-п-р.…......................................................... .......
8
2.3 Інтегровані діоди………………... .……………………………….
9
2.4 Інтегровані резистори...………………………………. .................
10
2.5 Інтегровані конденсатори.................................................. .............
14
2.6 З’єднання та контактні майданчики..…...………… …………….
17
3. КОНСТРУЮВАННЯ ТА РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕМЕНТІВ ІНТЕГРОВАНИХ МІКРОСХЕМ НА БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРАХ…………………………………………………………
20
3.1 Конструювання і розрахунок параметрів резисторів..................
20
3.2 Конструювання і розрахунок параметрів конденсаторів............
24
3.3 Конструювання і вибір структури інтегрованих транзисторів...
25
3.4 Конструктивно-технологічні обмеження при розробці топології ІМС на біполярних транзисторах…………………..................
29
ЛІТЕРАТУРА ……………………………………………………………
33
Додаток А. Довідкові дані …………………………………......….
34
ВСТУП
Чинні методичні вказівки розроблено відповідно до програми підготовки бакалаврів з електроніки за напрямами «Мікро- та наноелектроніка» і «Електронні пристрої та системи» та навчальних програм дисциплін «Твердотільна електроніка» і «Основи мікроелектроніки та функціональної електроніки».
Мета даної розробки – покращення методичного забезпечення самостійної роботи студентів в межах даних дисциплін і допомога в опануванні методиками розрахунків елементів інтегрованих мікросхем.
1 ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ ЩОДО ОРГАНІЗАЦІЇ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ СТУДЕНТІВ
Самостійна робота студентів в межах дисциплін «Твердотільна електроніка» та «Основи мікроелектроніки та функціональної електроніки» є обов’язковою складовою навчального плану підготовки бакалаврів з електроніки за напрямами «Мікро- та наноелектроніка» і «Електронні пристрої та системи», яка проводиться з метою безпосереднього практичного засвоєння студентами теоретичних знань із визначення параметрів та характеристик мікроелектронних елементів, набуття ними навичок роботи з комп’ютерного моделювання мікроелектронних структур.
Тематика і зміст самостійної роботи студентів визначені відповідно до вимог навчальних програм дисциплін і охоплюють всі найбільш принципові її розділи.
Основу самостійної роботи студентів з дисципліни «Основи мікроелектроніки та функціональної електроніки» становить курсова робота, яка виконується студентами у восьмому навчальному триместрі одночасно з вивченням ними теоретичного матеріалу.
2 ЕЛЕМЕНТИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ІМС НА БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРАХ
2.1 Транзистори п-р-п-типу
Біполярний транзистор типу п-р-п є основним схемним елементом напівпровідникової ІМС. Він має кращі характеристики ніж транзистор р-п-р, а технологія його виготовлення більш проста. Інші елементи ІМС вибирають і конструюють таким чином, щоь вони суміщувались зі структурою транзистора типу п-р-п. Їх виготовляють одночасно з транзистором типу п-р-п на основі якої-небудь з його областей.
Найбільш широке розповсюдження отримала транзисторна структура типу п+-р-п зі схованим під колекторним п+-шаром (рис. 2.1).Цей шар забезпечує низькоомний шлях струму від активної колекторної зони до колекторного контакту без зниження пробивної напруги переходу колектор-база. Конструктивно він розташовується безпосередньо під усією базовою областю. Товщина шару складає 2,5 – 10 мкм, питомий поверхневий опір ρs = 10 ÷ 30 Ом/□.
Рисунок 2.1 – Конструкція інтегрованого транзистора типу п+-р-п
Мінімальні горизонтальні розміри транзистора визначаються двома технологічними факторами: мінімальними розмірами вікон в окислі кремнію і відстанями між ними, а також розміром бічної дифузії під окисел. Тому при проектуванні транзистора слід враховувати, що відстань між базовою областю і колекторним контактом повинна бути значно більшою від суми розмірів бічної дифузії р-бази і п+-області під колекторним контактом. Призначення цієї п+-області полягає в забезпеченні надійного не випрямляючого контакту алюмінію до слабко легованої колекторної п-області.
Відстані меж ізолюючою р-областю і елементами транзистора визначаються також розміром бічної дифузії. Вони повинні приблизно дорівнювати товщині епітаксіального шару.
Дві типові конструкції інтегрованих транзисторів наведені на рис . 2.2. Для асиметричної конструкції (рис. 2.2а) характерне те, що колекторний струм протікає до емітера тільки в одному напрямку. При симетричній конструкції колекторний струм підходить до емітера з трьох сторін і опір бази виявляється приблизно втричі менший ніж в асиметричній конструкції. На рис. 2.2а подані топологічні розміри областей інтегрованого біполярного транзистора, типові для ІМС середнього ступеня інтеграції.
Рисунок 2.2 – Конструкція біполярних інтегрованих транзисторів:
а – асиметрична; б – симетрична
Параметри цих областей наведені в табл. 2.1.
Таблиця 2.1 – Параметри областей інтегрованого транзистора
типу п-р-п
Найменування області
Концентра- ція домішки N, см-3
Товщина шару d, мкм
Питомий об’ємний опір матеріалу ρ, Ом · см
Питомий поверхневий опір шару ρs, Ом/□
Підкладка р-типу
200 – 400
10
–
Схований п+-шар
–
2,5 – 10
–
10 – 30
Колекторна п-область
2,5 – 10
0,15 –5,0
–
Базова р-область
1,5 – 2,5
–
100 – 300
Емітерна п+-область
0,5 – 2
–
2 – 15
Ізолююча область
–
3,5 – 12
–
6 – 10
Плівка окису кремнію
–
0,3 – 0,6
–
–
Металева плівка (алюміній)
–
0,6 – 1,0
0,06 – 0,1
При великих струмах суттєву роль грає ефект витискання струму емітера, який пояснюється достатньо просто. Напруга в будь-якій точці емітерного переходу є по суті різницею зовнішньої напруги і падіння напруги в об’ємі бази, тобто напруга в центральній частині емітера менша від напруги на її краях, і зовнішні області емітера працюють при більших густинах струму у порівнянні з внутрішніми. Підвищена густина струму у країв емітера призводить до підвищених втрат носіїв заряду в цих областях і до зменшення коефіцієнта підсилення транзистора β. Конструкція потужних транзисторів повинна забезпечувати максимальне співвідношення периметра емітера до його площі. Параметри інтегрованих транзисторів типу п-р-п наведені в табл. 2.2.
Таблиця 2.2 – Параметри інтегрованих транзисторів типу п-р-п
Параметри
Номінал
Допуск δ, %
Температурний коефіцієнт, 1/оС
Коефіцієнт підсилення β
100 – 200
±30
Гранична частота fт, МГц
200 – 500
±20
Пробивна напруга Uкб, В
40 – 50
±30
Пробивна напруга Uеб, В
7 – 8
±5
В залежності від особливостей застосування біполярні інтегровані транзистори можуть мати різноманітні конструктивно-технологічні відмінності. Так для створення цілого ряду ІМС з підвищеним значенням коефіцієнта підсилення (наприклад, вхідні каскади операційних підсилювачів) широко застосовуються транзистори з тонкою базою. У таких транзисторів ширина бази (відстань між емітерними і колекторними переходами) ω = 0,2 ÷ 0,3 мкм. Коефіцієнт підсилення транзисторів з короткою базою досягає завдяки цьому 2000 ÷ 5000 одиниць при колекторному струмі Ік = 20 мкА і рівні напруги Uке = 0,5 В. Пробивна напруга Uке проб = 0,5 В для таких транзисторів становить 1,5 – 2 В.
В цифрових ІМС транзисторно-транзисторної логіки найшли широке застосування так звані багатоемітерні транзистори. Кількість емітерів в таких структурах може складати від 5 до 8. Конструктивно багатоемітерні транзистори можна розглядати як сукупність транзисторів з спільними базами і колекторами. При конструюванні таких транзисторів необхідно враховувати наступні обставини.
Насамперед, необхідно мінімізувати вплив на їх роботу паразитних горизонтальних п+-р-п+-транзисторів (наприклад, структура типу «емітер 1 – база – емітер 2»). Для цього необхідно зробити так, щоб в структурі багатоемітерного транзистора відстань між краями сусідніх емітерів перевищувала дифузійну довжину для неосновних носіїв заряду в базовій області. Якщо така структура легована золотом, то дифузійна довжина не перевищує 2 – 3 мкм і вказана відстань повинна становити 10 – 15 мкм.
Багатоколекторні транзистори – це практично багатоемітерні транзистори, які використовуються в інверсному режимі. Така структура є основою ІМС інтегрованої інжекційної логіки (І2Л). Головною проблемою при конструюванні багатоколекторних транзисторів є забезпечення достатньо високого коефіцієнта підсилення в розрахунку на один колектор. Конструктивно це означає, що в структурі багатоколекторного транзистора необхідно максимально наблизити схований п+-шар до базового шару, а п+-колектори якомога ближче один до одного.
2.2 Транзистори типу р-п-р
Інтегровані транзистори типу р-п-р суттєво поступаються транзисторам п-р-п як по коефіцієнту підсилення, так і за граничною частотою. Для їх виготовлення використовують стандартну технологію, яка орієнтованана на виготовлення транзистора п+-р-п.
Найбільш часто використовують горизонтальні р-п-п-транзистори (рис. 2.3). Ці транзистори виготовляють одночасно із транзисторами п+-р-п за звичайною технологією. Емітерний і колекторний шари отримують на етапі базової дифузії, причому колектор охоплює емітер з усіх боків. Базова область формується на основі епітаксіального шару з підлегуванням контактної області під час емітерної дифузії. Перенесення зарядів в такій структурі відбувається в горизонтальному напрямку. Дірки, інжектовані з бічних частин емітера в базу, дифундують до колекторної області. Перенесення найбільш ефективне в приповерхневій області, оскільки тут відстань між емітером та колектором мінімальна і максимальна концентрація акцепторної домішки. Ширина бази в таких транзисторах може становити 3 – 4 мкм, що дає можливість отримати коефіцієнт підсилення на рівні 50 одиниць, а граничну частоту – на рівні fТ = 20 ÷ 40 МГц. При ширині бази ω = 6 ÷ 12 мкм коефіцієнт підсилення становить β = 1,5 ÷ 20, а fТ = 2 ÷ 5 МГц. На основі горизонтального р-п-р-транзистора можна сформувати багатоколекторний транзистор типу р-п-р.
Рисунок 2.3 – Конструкція горизонтального транзистора типу р-п-р
Основний недолік горизонтального р-п-р-транзистора – порівняно велика ширина базової області і однорідність розподілу в ній домішки (транзистор є бездрейфовим).
2.3 Інтегровані діоди
Будь-який з р-п-переходів планарно-епітаксіальної структури може бути використаний для формування діодів. Однак, тільки переходи база – емітер і база – колектор дійсно можуть бути використані для реалізації схемних рішень. Для використання цих переходів можливі п’ять варіантів. Схемотехнічно вони наведені на рис. 2.4, а параметри відповідних діодів подано в табл. 2.3.
Рисунок 2.4 – Діодні включення біполярного транзистора
Таблиця 2.3 – Параметри інтегрованих діодів
Варіант включення
Значення параметрів
Пробивна напруга Uпроб , В
Зворoтний струм Ізв , нА
Ємність діода Сд , пФ
Паразитна ємність на підкладку С0 , пФ
Час відновлення зворотного струму tв , нс
БК – Е
7 – 8
0,5 – 1,0
0,5
3
10
БЕ – К
40 – 50
15 – 30
0,7
3
50
Б – ЕК
7 – 8
20 – 40
1,2
3
100
Б – Е
7 – 8
0,5 – 1,0
0,5
1,2
50
Б – К
40 – 50
15 – 30
0,7
3
75
З аналізу даної таблиці бачимо, що варіанти включення розрізняються за електричнимипараметрами. Пробивні напруги Uпроб більші для варіантів з колекторним переходом, а зворотні струми Ізв найменші тільки для переходів з емітерним переходом, який має меншу площу. Ємність діода (ємність катод – анод) максимальна для варіанта з найбільшою площею переходів (Б - ЕК). Паразитна ємність С0 (вважається, що підкладка заземлена) мінімальна для варіанта Б – Е. Час відновлення зворотного струму, який характеризує час перемикання діода з відкритого в закритий стан, мінімальний для варіанта БК – Е, оскільки в даному випадку заряд накопичується лише в базі.
Отимальними для ІМС варіантами включення є БК – Е і Б – Е, причому частіше використовують БК – Е. Пробивні напруги для цих варіантів (7 – 8 В) достатні для використання цих варіантів в низьвольтних ІМС.
2.4 Інтегровані резистори
Резистори ІМС формують в будь-якому з дифузійних шарів транзисторної структури (емітерна і базова області), в епітаксіальному шарі (колекторна область) і за допомогою іонного легування.
Дифузійні резистори (ДР) виготовляють одночасно з базовою або емітерною областю (рис. 2.5, 2.6)
Рисунок 2.5 – Конструкція дифузійного резистора на основі базової області
Рисунок 2.6 – Поперечний переріз структури дифузійного резистора на основі базової області
Опір ДР – це об’ємний опір ділянки дифузійного шару, обмеженого р-п-переходом. Він визначається геометричними розмірами резистивної області і розподілом домішки по глибині дифузійного шару, який в свою чергу, характеризується питомим поверхневим опором ρs . Значення ρs є консруктивним параметром резистора, яке залежить від технологічних факторів (режиму дифузії). Конфігурації резисторів подаі на рис. 2.7. Низькоомні резистори (десятки Ом) мають мале відношення l ̸ b. Форму і розміри контактів до них вибирають такими, щобопір приконтактних областей був значно меншим від опору основної області резистора.
Рисунок 2.7 – Конфігурації дифузійних резисторів
Резистори з опором від сотень Ом до одиниць кОм в плані мають вигляд, зображений на рис. 2.7 б, в. В даному випадку довжина і ширина приконтактної області дорівнюють ширині резистора. Топологію, яка показана на рис. 2.7 г, д, використовують для створення високоомних резисторів (до 20 кОм). Ці резистори мають відносно малу ширину, а розміри приконтактних областей визначаються можливостями технології створення надійного контакту алюмінієвих смужок з наівпровідниковим матеріалом. Ще більш високоомні резистори (до 60 кОм) мають форму меандра (рис. 2.7 е) або виготовляються в донній частині базової області (пінч-резистори, рис. 2.7 ж). Довжина односмугового дифузійного резистора не може перевищуватирозмірів активної області кристала (1 – 5 мм), ширина обмежена мінімальною шириною вікна під дифузією, що визначається можливостями фотолітографії (2,5 – 3 мкм), і бічною дифузією (вихід домішки під окисел дорівнює приблизно глибині р-п-переходу). Типові значення опору дифузійних резисторів, які можна отримати за даного значення ρs, лежать в діапазоні 4ρs ˂ R ˂ 104ρs. Нижня межа обмежується опорами приконтактних областей, верхня – допустимою площею, що відводиься під резистор.
Максимальний опір ДР на основі базової області приблизно дорівнює 60 кОм, якщо площа, відведена під резистор, не дуже велика (не більше 15 % від площі кристала). Відтворюваність номінальних значень опору зазвичай складає 15 – 20 % і залежить від ширини резистора (табл. 2.4). Відхилення від номіналів опорів резисторів, розташованих на одному кристалі, за рахунок технологічних обмежень мають один і той же знак, тому відношення опорів зберігається з високою точністю (табл. 2.4). Аналогічно, температурний коефіцієнт відношення опорів малий в порівнянні з ТКR для окремого резистора [(1,5 – 3) 1/oC]. Цю особливість дифузійних резисторів враховують при розробці напівпровідникових ІМС.
Таблиця 2.4 – Точність виготовлення дифузійних резисторів на основі базової області і відношення їх опорів
Ширина резистора, мкм
Точність відтворення номіналу опору, %
Точність відношення резисторів, %
1:1
1:5
7
± 15
± 2
± 5
25
± 8
± 0,5
± 1,5
На основі емітерної області формуються резистори малих номіналів [3 – 100 Ом з ТКR = (1 ÷ 2) . 10-4 1/oC], оскільки значення ρs емітерного шару невелике (див. табл. 2.1).
При необхідності створення в ІМС резисторів з номіналом більшим за 60 кОм використовують пінч-резистори. Їх формують на основі донної слабко легованої базової області, яка має більший опір і меншу площу перерізу (рис. 2.8).
Рисунок 2.8 – Конструкція пінч-резистора
Максимальний опір таких резисторів при найпростішій смужковій конфігурації складає 200 – 300 кОм, ρs = 2 ÷ 5 кОм/□. Внаслідок складностей отримання точних значень товщини донної частини р-шару, пінч-резистори мають великий розкид номіналів (до 50 %) і великий термічний коефіцієнт опору, що є наслідком меншого ступеня легування цієї частини р-шару [ТКR = (3 ÷ 5) . 10-3 1/oC)].
З трьох областей транзистора колекторна має найменшу концентрацію легуючої домішки і максимальне значення ρs (500 – 5000) Ом/□. Оскільки епіктаксіальний шар леговано однорідно, провідність епітаксіального резистора (ЕР) на відміну від дифузійного резистора постійна по всьому його перерізу.
Конструкція епітаксіальних пінч-резисторів відрізняється від звичайних епітаксіальних резисторів тим, що їх поперечний переріз зменшено зверху на глибину базового шару, що і передбачає більші ніж у ЕР значення ρs (ρs = 4 ÷ 8 кОм/□) і номінали опору при одній тій же площі (рис. 2,9). Пробивна напруга цих резисторів визначається пробивною напругою Uкб (див. табл. 2.2), ТКR ≈ 4 . 10-3 1/oC.
Рисунок 2.9 – Конструкція епітаксіального пінч-резистора
Структура іонно-легованих резисторів така ж, як і у дифузійних, але глибина іонно-легованих шарів, в яких сформовано тіло резистора, складає лише 0,1 – 0,3 мкм (рис. 2.10).
Рисунок 2.10 – Конструкції іонно-легованих резисторів, сформованих імплантацією домішки р-типу в епітаксіальний (колекторний) шар (а) і домішки п-типу в базовий шар (б)
Іонна імплантація може забезпечити малу концентрацію легуючої домішки в шарі. За відповідного вибору дози легування і параметрів відпалу (10 – 20 хв при 500 – 600 oC) можна отримати ρs = 0,5 ÷ 20 кОм/□ в резисторах з імплантацією домішки р-типу в епітаксіальний (колекторний) шар (рис. 2.10 а) і ρs = 500 ÷ 1000 кОм/□ з імплантацією домішки п-типу в базовий шар (рис. 2.10 б). Можуть бути досягнуті номінали опорів в сотні кіолом з порівняно низьким ТКR і допуском ± 10 %. Ширина і товщина іонно-легованих резисторів з великими номіналами опорів дуже малі,що ускладнює отримання якісного омічного контакту. Для формування надійних контактів використовують дифузійні р- або п-області, які створюють на стадії базової або емітерної дифузії (рис. 2.10).
Типові характеристики інтегрованих резисторів наведені в табл. 2.5.
Таблиця 2.5 – Характеристики інтегрованих резисторів
Тип резистора
Товщина шару, мкм
Поверхневий опір ρs , Ом/□
Допуск, %
ТКR, 1/oC
Паразитна ємність, пФ/мм2
Дифузійний резистор на основі базової області
2,5 – 3,5
100 – 300
± (5 – 20)
± (0,5 – 3) . 10-3
150 – 350
Пінч-резистор
0,5 – 1,0
(2 – 15) . 103
± 50
± (1,5 – 3) . 10-3
1000 – 1500
Дифузійний резистор на основі емітерної області
1,5 – 2,5
1 – 10
± 20
± (1 – 5) . 10-3
1000 – 1500
Епітаксіальний резистор
7 – 10
(0,5 – 5) . 103
± (15 – 20)
± (2 – 4) . 10-3
80 – 100
Іонно-легований резистор п-типу
0,1 – 0,2
(5 – 10) . 103
± 50
± (1,5 – 5) . 10-3
200 – 350
2.5 Інтегровані конденсатори
В інтегрованих напівпровідникових конденсаторах роль діелектриків можуть виконувати збіднені шари зворотно зміщених р-п-переходів або плівка окису кремнію, роль обкладинок – леговані напівпровідникові області або напилені металеві плівки. Характеристики конденсаторів напівпровідникових ІМС невисокі; окрім того, для отримання відносно великих ємностей необхідна значна площа схеми. Тому при проектуванні електричної схеми напівпровідникової ІМС стараються уникнути використання конденсаторів.
Дифузійні конденсатори. В ІМС для формування дифузійних конденсаторів (ДК) може бути використаний будь-який з р-п-переходів (рис. 2.11): колектор-підкладка (С1), база-колектор (С2), емітер-база (С3), перехід р-області ізолюючої дифузії і схованого п+-шару (С4).
Рисунок 2.11 – Варіанти формування інтегрованих дифузійних конденсаторів на основі р-п-переходу
В близькій до реальної напівпровідникової структури (рис. 2.11) з питомим опором підкладки 10 Ом·см, опором шару бази 200 Ом/□ і опором емітера 2 Ом/□ при глибинах р-п-переходів емітер – база 2,3 мкм, база – колектор 2,7 мкм і колектор підкладка 12,5 р-п-переходи, які використовують для формування ДК, мають наступні характеристики:
- питому ємність донної частини р-п-переходу колектор – підкладка 100 пФ / мм2, а бічної стінки 250 пФ / мм2; пробивну напругу переходу до 100 В;
- питому ємність р-п-переходу база – колектор 350 пФ / мм2, а його пробивну напругу 30 – 70 В;
- питому ємність донної частини р-п-переходу емітер – база 600 пФ / мм2, а бічної стінки 1000 пФ / мм2; пробивну напругу переходу 7 В.
Найбільшу питому ємність (більшу за 1000 пФ / мм2) має р-п-перехід, який утворюється областю ізолюючої р-дифузіїі підколекторним п+-шаром. Його пробивна напруга становить 10 В. ТКС конденсаторів на цьому переході порівняно великий і становить 2·10-4 1/оС.
Оскільки ширина збідненого шару зворотно зміщеного переходу залежить від напруги, ємність ДК також змінюється зі зміною напруги. Питому ємність будь-якого переходу можна апроксимувати формулою С ≈ К (1/U)m, де К – коефіцієнт пропорційності, який залежить від рівня легування напівпровідникових областей; m – показник: m ϵ [⅓; ½], причому m = ½ відповідає ступінчатому, а m = ⅓ – лінійному переходу. Інші значення m, що входять у вказану множину, відповідають реальним розподілам домішки, в тому числі гауссовому і за функцією похибок.
В табл. 2.7 наведені значення питомої ємності переходів інтегрованого транзистора зі схованим шаром і без нього, з підкладкою р-типу (ρ = 5 Ом · см), гауссовим розподілом домішки в базі (ширина 0,7 мкм) і розподілом домішки в емітері за функцією похибок в емітері.
Таблиця 2.7 – Значення питомої ємності переходів інтегрованого транзистора
U, B
Себ ,
пФ / мм2
Сбк ,
пФ / мм2
Скп (з п+-шаром), пФ / мм2
Скп (без п+-шару),
пФ / мм2
0
1400
300
260
190
5
1000
120
90
60
10
-
90
55
40
Найчастіше для формування ДК використовується базовий перехід. Приклад конструкції такого конденсаора наведено на рис. 2.12.
Рисунок 2.12 – Конструкція інтегрованого дифузійного конденсатора:
1 – алюмінієвий вивід від верхньої обкладинки конденсатора;
2 – алюмінієвий вивід від нижньої обкладинки конденсатора;
3 – плівка золота (контакт до підкладки); 4 – підкладка р-типу;
5 – колекторна п-область (нижня обкладинка конденсатора);
6 – базова р-область (верхня обкладинка конденсатора);
7 – плівка окисла кремнію
Параметри дифузійних конденсаторів на цих переходах наведені в табл. 2.8. Значення максимальної ємності подані орієнтовно в передбаченні, що площа всіх конденсаторів ІМС не перевищує 20 – 25 % площі кристалу.
МДН-конденсатори. Їх конструкція наведена на рис. 2.13. Нижньою обкладинкою служить емітерний п+-шар, верхньою – плівка алюмінію, діелектриком – тонкі шари SiO2 або Si3N4. Останній є кращим внаслідок більшої діелектричної проникності нітриду кремнію, значить, і більшої ємності С0. Товщина діелектрика становить 0,05 – 0,12 мкм. Параметри МДН-кондесаторів наведені в табл. 2.8.
Таблиця 2.8 – Параметри інтегрованих конденсаторів
Тип конденсатора
Питома ємність С0 ,
пФ / мм2
Макси-мальна ємність Сmax , пФ
Допуск δ, %
ТКС(αс) ×
×10-3, 1/оС
Про-бивна напруга Uпр, В
Доброт-ність
ДК на переходах:
Б – К
Е – Б
К – П
150(350) ٭٭
600(1000) ٭٭ 100(250) ٭٭
300
1200
-
±15÷20
±20
±15÷20
–1,0
–1,0
–
30 –70
7 – 8
35 –70
50 –100
1 – 20
–
МДН з діелектриком:
SiO2
Si3N4
400 –600
800 –1600
500
1200
±20
±20
0,015
0,01
30 –50
50
25 –80
20 – 100
٭ Для ДК на частоті 1 МГц і для МДН на частоті 10 МГц.
٭٭ В дужках вказані значення С0 для вертикальних (бічних) стінок р-п-переходу.
Рисунок 2.13 – Конструкція інтегрованого МДН-конденсатора:
1 – верхня обкладинка; 2 – алюмінієвий вивід від нижньої обкладинки конденсатора; 3 – підкладка р-типу;
4 – колекторна п-область; 5 – п+-шар (нижня обкладинка конденсатора); 6 – тонкий окисел (діелектрик конденсатора);
7 – товстий окисел
2.6 З’єднання та контактні майданчики
З’єднання. Елементи ІМС електрично з’єднані між собою за допомогою алюмінієвої розводки товщиною до 0,8 мкм. Коли в одношаровій розводці не вдається уникнути перетинань, застосовують дифузійні перетинання (рис. 2.14)
Рисунок 2.14 – Конструкція дифузійного перетинання
Мова йде про ізоляцію двох взаємно перпендикулярних провідників, перший з яких розташований зверху від захисного окислу, а другий «піднирює» під нього у вигляді ділянки п+-шару. Ця ділянка має помітний опір (3 – 5 Ом), додаткову паразитну ємність і займає порівняно велику площу (для нього потрібна окрема ізольована область), а тому дифузійним перетинанням користуються в виключних випадках. Крім того, такі перетинання не можна використовувати в якості елемента електричних кіл живлення, в яких протікають достатньо великі струми.
Контактні майданчики (КМ) (рис. 2.15) розташовують, зазвичай, на периферії напівпровідникового кристалу. Вони служать для створення з’єднань напівпровідникової схеми з виводами корпусу. Формують КМ одночасно з формуванням електричної розводки.
Рисунок 2.15 – Конструкція з’єднань (а) і контактних майданчиків (б)
Фігури суміщення. Фігури суміщення є допоміжними елементами ІМС, які необхідні для точного виконання операції суміщення рисунку фотошаблона при фотолітографії з рисунком раніше створених шарів. Кількість фігур суміщення на одиницю менша від кількості операцій фотолітографії, що використовуються при виготовленні інтегрованої схеми (рис. 2.16). Фігури суміщення можуть мати різну форму (рис. 2.17).
Рисунок 2.16 – Фрагмент топології ІМС з фігурами суміщення
Рисунок 2.17 – Варіанти фігур суміщення: а – «лінія – лінія» (лінії хреста на шаблоні суміщаються з лініями хреста на кристалі); б – д – з контрольованим зазором між лініями фігур суміщення на шаблоні і на кристалі
3 КОНСТРУЮВАННЯ ТА РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕМЕНТІВ ІНТЕГРОВАНИХ МІКРОСХЕМ
НА БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРАХ
Як правило, при розробці ІМС проводять розрахунок пасивних елементів біполярних інтегрованих мікросхем (резисторів і конденсаторів), а конструкції транзисторів і діодів вибирають з банку даних цих елементів для даного виробництва у відповідності до однієї (або кількох) базових технологій. При строгому забезпеченні режимів базової технології вертикальну структуру елементів можна вважати заданою і розрахунок резисторів і конденсаторів прив’язаний до базової технології (задані поверхневі концентрації, глибини залягання р-п-переходів тощо).
3.1 Конструювання і розрахунок параметрів резисторів
Вихідними даними для розрахунку геометричних розмірів інтегрованих напівпровідникових резисторів є: задане в принциповій електричній схемі номінальне значення опору R і допуск на нього ∆R; поверхневий опір легованого шару ρs, на основі якого формується даний резистор; середнє значення потужності Р і максимально допустима питома потужність розсіювання Р0; основні технологічні і конструктивні обмеження.
Топологія інтегрованих напівпровідникових резисторів наведена на рис. 2.7. Характеристики резисторів залежать від того, який шар транзисторної структури використано в якості резистивного (див. табл. 2.5).
Повна відносна похибка опору дифузійного резистора визначається сумою похибок:
∆R / R = ∆Кф / Кф + ∆ ρs / ρs + αR∆Т; (3.1)
Кф = l / b = R / ρs , (3.2)
де Кф – коефіцієнт форми резистора;
∆Кф / Кф – відносна похибка коефіцієнта форми;
∆ ρs / ρs – відносна похибка відтворення питомого поверхневого опору легованого шару, для типового технологічного процесу ∆ ρs / ρs = 0,05 ÷ 0,1;
αR – температурний коефіцієнт опору резистора (див. табл. 2.5);
αR∆Т – температурна похибка резистора.
Приймаємо, що інтегрований напівпровідниковий резистор в перерізі, перпендикулярному до напрямку протікання струму, має прямокутну форму.
Розрахунок геометричних розмірів інтегрованого напівпровідникового резистора починають з визначення його ширини. За розрахункову ширину bрозр резистора приймають значення, яке не менше від найбільшого значення однієї з трьох величин: bтехн , bточн , bР , тобто
bрозр ≥ {bтехн , bточн , bР},
де bтехн – мінімальна ширина резистора, яка визначається роздільною здатністю технологічних процесів;
bточн – мінімальна ширина резистора, за якох забезпечується задана похибка геометричних розмірів;
bР – мінімальна ширина резистора, яка визначається з максимально допустимої потужності розсіювання.
Величину bтехн знаходять з переліку технологічних обмежень вибраної технології (наприклад, для планарно-епітаксіальної технології bтехн = 5 мкм). )
Ширину bточн визначають з виразу
bточн = (∆b + ∆ l / Кф) Кф /∆
04.10.2016 22:10-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора