Микроэлектроника и функциональная электроника (разработка топологии ИМС) (стр. 3 из 5)

20 -фотолитография для создания рисунка разводки и нанесение слоя защитного диэлектрика.

21 – фотолитография для вскрытия окон контактных площадок для последующего приваривания проводников.

4. Последовательность расчета параметров биполярного транзистора.

Исходные данные для расчета.

Максимальное напряжение на коллекторном переходе: U_кб = 1,5 В

Максимальный ток эмиттера: І_э = 4,5 мА

Граничная частота f_т = 500 МГц.

Дальнейший расчет проводится с помощью программы расчета параметров биполярных транзисторов, результаты расчета, представленные ниже, были получены с помощью данной программы.

Расчет выполняется в следующей последовательности.

1. По заданному максимально допустимому напряжению U_кб определяют пробивное напряжение U_кб0 , которое должно быть хотя бы на 20% больше U_кб и учитывает возможные колебания напряжения питания, т.е. U_кб0=1,2 U_кб, в нашем случае U_кб0=1,8 В. Пробивное напряжение U_пр коллекторного перехода выбираем с коэффициентом запаса 3, это учитывает возможность пробоя по поверхности и на закруглениях коллекторного перехода. В нашем случае U_пр = 5,4 В.

По графику зависимости U_пр (N_дк) [1] , где N_дк – концентрация доноров в коллекторе, находят N_дк . В программе расчета значение концентрации находится численными методами. В нашем случае N_дк = 5·10¹⁷ см^-3. Данное значение слишком велико, т.к при таком значении возможно появление паразитного n-канала, поэтому уменьшим его до 10¹⁶ см^-3.

По графику зависимости подвижности электронов от их концентрации [1] находят подвижность электронов. В нашем случае m_n = 1200 см²/(В·с).

2. Определяют характеристическую длину распределения акцепторов L_а и доноров L_д:

( 4.1)

где х_jк – глубина коллекторного перехода. В нашем случае L_a = 0,374 мкм; L_д = 0,0748 мкм.

3. Для расчета ширины ОПЗ (области пространственного заряда) на коллекторном и эмиттерном переходах предварительно вычисляют контактную разность потенциалов на коллекторном переходе:

( 4.2 )

где f_т – тепловой потенциал, равный 0,0258 В при Т=300 К.; n_i – концентрация собственных носителей заряда в кремнии (n_i» 10¹⁰ см^-3). В нашем случае f_к = 0,6771 В.

Контактная разность потенциалов на эмиттерном переходе f_эрассчитывается аналогично f_к. В нашем случае f_э = 0,1809 В.

4. Рассчитывают ширину ОПЗ, распространяющуюся в сторону базы (Dх_кб) и в сторону коллектора (Dх_кк) при максимальном смещении коллекторного перехода U_кб :

	( 4.3 )
	( 4.4 )

где

, e₀, e_н – соответственно диэлектрическая постоянная и относительная диэлектрическая проницаемость полупроводниковой подложки.

В нашем случае Dх_кб = 0,387 мкм, Dх_кк = 0,6656 мкм.

5. Выбираем ширину технологической базы равной 1 мкм.

6. Определяем концентрацию акцепторов на эмиттерном переходе:

Na(xjэ) = Nдкexp(Wб0/La)

( 4.5 )

В нашем случае N_a(x_jэ) = 1,338·10¹⁷ см^-3.

7. В результате высокой степени легирования эмиттера область объемного заряда на эмиттерном переходе в основном будет сосредоточена в базе. Приближенно можно считать, что Dх_эб»Dх_э, где

( 4.6 )

В нашем случае Dх_э = 0,08858 мкм.

8. Расчитываем ширину активной базы:

Wба = Wб0 - Dхэ - Dхкб

( 4.7 )

В нашем случае W_ба = 0,4944 мкм.

Дальнейший расчет транзистора включает вычисление площади эмиттерного перехода,

9. Расчет минимальной площади эмиттерного перехода осуществляетсяна основе критической плотности тока через эмиттерный переход.

( 4.8 )

где

=const для Si (10⁷cм/с)

В нашем случае j_кр = 2811 А/см².

( 4.9 )

В нашем случае S_е = 160,1 мкм².

10. Определим емкость коллекторного перехода на основе граничной частоты транзистора.

Из заданной частоты f_t, найдем емкость коллекторного перехода С_к

( 4.10 )

В нашем случае С_к = 0,5 пФ

11. Найдем площадь коллекторного перехода как сумму площадей его донной и боковой частей. Причем донная часть площади составляет приблизительно 80% от общей его площади.

Рассчитаем площадь донной части коллекторного перехода:

( 4.11 )

гдеV_k=V_kp

В нашем случае S_{б дон} = 2734 мкм².

Исходя из полученного значения площади найдем площадь боковой части

коллекторного перехода:

( 4.12 )

в нашем случае S_б.бок = 719 мкм²

5. Последовательность расчета параметров интегральных резисторов.

Параметры, которые определяют сопротивление интегрального резистора, можно разделить на две группы:

1) параметры полупроводникового слоя:

толщина W;

характер распределения примеси по глубине N(x);

зависимость подвижности носителей заряда от концентрации

m(N);

2)топологические параметры :

длина резистора l;

ширина резистора b.

Первая группа параметров оптимизируется для получения наилучших результатов интегральных транзисторов. Именно для этого расчет транзисторов производится в первую очередь. Таким образом, задача расчета резистора сводится к выбору полупроводникового слоя, в котором будет создаваться резистор, и формы контактов и вычисления длины и ширины.

Воспроизводимость номинальных значений сопротивления обычно равна 15-20% и зависит от ширины резистора. Так, при возрастании ширины от 7 до 25 мкм точность воспроизведения номинала возрастает с ±15 до ±18%.

5.1 Диффузионные резисторы на основе базовой области.

Резисторы данного типа приобрели наибольшее распространение, так как при их использовании достигается объединение высокого удельного сопротивления, что необходимо для уменьшения площади, которую занимает резистор, и сравнительно небольшого температурного коэффициента ТКR ( ±(0,5…3)·10^-3 1/°С ).

5.2. Исходные данные для расчета топологических параметров полупроводниковых резисторов.

Для расчета длины и ширины резисторов необходимы следующие входные данные:

1) номинальные значения сопротивлений R, заданные в принципиальной схеме.

R₁- R₄ – 4700 Ом;

R₅ – 3300 Ом.

2) допустимая погрешность DR.

Исходя из технологических возможностей оборудования выберем DR = 20%

3) рабочий диапазон температур (T_min, T_max).

Исходя из предположения, что разрабатываемая ИМС будет предназначена для эксплуатации в климатических условиях, характерных для широты Украины, выберем диапазон температур, определяемый климатическим исполнением УХЛ 3.0 (аппаратура, предназначенная для эксплуатации в умеренном и холодном климате, в закрытых помещениях без искусственно регулируемых климатических условий). Исходя из этого:

T_min= -60 °С;

T_max= +40 °С.

4) средняя мощность Р, которая рассеивается на резисторах.

Мощность, рассеиваемая на резисторах, будет расчитана на основе измерянных ранее токов через резисторы, используя закон Ома.

P = I2 R,

( 5.1)

где I – ток через резистор, А;

R – сопротивление резистора, Ом.

Измерянные значения токов несколько увеличим для учета возможных скачков входных токов схемы:

Табл. 6.1 Расчет мощностей резисторов

Значение тока	IR1-4, мА	0,26
	IR5, мА	4,94
Увеличенное значение тока	I ’R1-4, мА	0,5
	I ’R5, мА	5
Расчитанная мощность	РR1-4, мВт	1,175
	РR5, мВт	82,5

5.3. Последовательность расчета топологических параметров параметров полупроводниковых резисторов.

Для расчета параметров интегральных резисторов используется написанная для этих целей программа, значения рассчитанных параметров, приведенные ниже, расчитаны с ее помощью.