Основные электрические параметры и эксплуатационные данные на заданный транзистор

Курсовая работа

Расчёт интегральной микросхемы

Содержание

 

Введение

1. Анализ исходных данных и выбор конструкции

2. Разработка коммутационной схемы

3. Расчет параметров элементов

4. Тепловой расчет микросхемы в корпусе

5. Расчет паразитных емкостей

6. Расчет параметров надежности ИМС

7. Разработка технологии изготовления микросхем

Заключение

Литература

Приложение

Введение

Создание микроэлектронной аппаратуры явилось результатом процесса комплексной микроминиатюризации электронно-вычислительных средств, аппаратуры связи, устройств автоматики. Этот процесс возник в связи с потребностями развития промышленного выпуска изделий электронной техники на основе необходимости резкого увеличения масштабов их производства, уменьшения их массы, занимаемых ими объемов, повышения их эксплуатационной надежности.

Интегральная микросхема (ИМС) – это конструктивно законченное изделие электронной техники, выполняющее определенную функцию преобразования информации и содержащее совокупность электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (ЭРЭ), изготовленных в едином технологическом цикле.

По способу изготовления различают полупроводниковые и пленочные ИМС. В полупроводниковых ИМС все ЭРЭ и часть межсоединений сформированы в приповерхностном слое полупроводниковой (обычно кремниевой) подложки. В пленочных ИМС пассивные ЭРЭ изготовлены в виде совокупности тонких (менее 1мкм) или толстых (10-50мкм) пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку. Гибридные ИМС (ГИС) представляют собой комбинацию пленочных пассивных ЭРЭ с миниатюрными бескорпусными дискретными активными приборами (полупроводниковыми ИМС, транзисторами, диодами), расположенных на общей диэлектрической подложке.

Актуальность производства и проектирования интегральных схем обусловлена следующими достоинствами:

- высокой надежностью вследствие уменьшения количества паянных и других соединений, которые имеют высокую интенсивность отказов, по сравнению с РЭС на дискретных элементах;

- малыми габаритами и весом, что повышает надежность РЭС, так как при малых габаритах и весе больше резонансные частоты и аппаратура становиться более устойчивой к механическим воздействиям;

- низким энергопотреблением, что объясняется малым расстоянием между элементами в микросхеме (большая плотность упаковки), что приводит к меньшим затуханиям и искажениям полезного сигнала, вследствие чего возможно снижение питающих напряжений в интегральной схеме по сравнению со схемами на дискретных элементах;

- сокращением длительности процессов проектирования и производства РЭС на основе интегральных схем;

- повышением ремонтопригодности, так как становится проще отыскать и устранить неисправность.

Задачами данного курсового проекта являются: выбор конструкции ИМС (полупроводниковая или гибридная), расчет элементов(резисторов, конденсаторов, транзисторов и т.д) и разработка топологии, а также тепловой расчет, расчет надежности и паразитных связей и разработка технологии изготовления ИМС.

Анализ исходных данных и обоснование выбора конструкции

 

Сначала анализируем электрическую принципиальную схему. Схема является аналоговой.

Исходя из этого ее можно выполнять как в виде полупроводниковой ИМС, так и в виде гибридной ИМС.

Далее анализируем перечень элементов. Резисторы имеют номинальные сопротивления в приделах от 1,2 кОм до 9 кОм и номинальные мощности рассеивания ниже 5 мВт, а конденсатор имеет номинальную емкость 20-30 пФ, что позволяет их выполнить как в виде ГИС, так и в виде полупроводниковой ИМС. Погрешности электрических параметров резисторов и конденсатора выше 15%, что также не накладывает ограничения в выборе конструктивно-технологического варианта микросхемы. Ввиду того, что схема содержит большое количество транзисторов, следует склониться к выбору биполярной полупроводниковой ИМС.

С целью снижения себестоимости ИМС необходимо их выпускать большими партиями, что обусловлено меньшими затратами на амортизацию с основных средств на единицу конструкции. В связи с вышеизложенным полупроводниковые ИМС экономически целесообразны только при массовом или крупносерийном характере производства.

Разработка коммутационной схемы

 

Разработка коммутационной схемы – это первый этап разработки топологии. На этом этапе путем анализа электрической принципиальной схемы оценивается возможность реализации изделия в виде полупроводниковой интегральной схемы. При составлении коммутационной схемы, представленной на рисунке 2.1, за основу была принята схема электрическая принципиальная усилителя. Далее преобразуем ее с учетом конструктивных особенностей элементов схемы в полупроводниковом исполнении. В частности сформируем схему так, чтобы в ней отсутствовали пересечения проводников. В процессе выполнения разработки коммутационной схемы было принято решение разместить внешние контактные площадки на противоположных сторонах платы, что облегчит осуществление операции соединения внешних контактных площадок с выводами корпуса.

 

Расчеты элементов ИМС

 

Расчет биполярного транзистора с применением ЭВМ

По литературному источнику [1] определяем основные электрические параметры и эксплуатационные данные на заданный транзистор (КТ319В).

 

Таблица 2.1

Основные электрические параметры и эксплуатационные данные на заданный транзистор

Тип транзистора	Струк тура							Интервал рабочих темпера тур
КТ319В	n-p-n	100	5	1	15	40	15	-60…+85

 

Используя ЭВМ и данные, полученные из справочной литературы, определяем нужные нам характеристики интегрального биполярного транзистора.

Исходные и корректируемые данные:

1.Значение тока коллектора =15 мА.

2.Напряжение коллектор-эмиттер =5В.

3.Длина эмиттера =0,005см.

4.Ширина эмиттера =0,005см.

5.Глубина  области (эмиттер) =0,85*10^-4 см.

6. Глубина  области (активная база) =3*10^-4 см.

7.Толщина эпитаксиальной пленки =10*10^-4 см.

8.Концентрация донорной примеси на поверхности эмиттера = 3*10²¹ .

9. Концентрация акцепторной примеси на поверхности базы = 5*10¹⁷ .

10. = 5*10¹⁵ .

11.Температура окружающей среды 300 К.

Результаты расчета на ЭВМ:

1.Статический коэффициент передачи тока =46,7 .

2.Граничная частота усиления =107МГц.

3.Поверхностное сопротивление эмиттера =0,573 .

4.Поверхностное сопротивление коллектора =569 .

5.Поверхностное сопротивление пассивной базы =284 .

6.Поверхностное сопротивление активной базы =480 .

7.Сопротивление базы =28,5 Ом.

8.Сопротивление коллектора =60 Ом.

9.Пробивное напряжение перехода эмиттер-база =6,78 В.

10.Пробивное напряжение перехода коллектор-база =116 В.

11. =32 В.

12.Емкость перехода база-эмиттер =15 пФ.

13.Емкость перехода база-коллектор =0,26 пФ.

14.Время заряда емкости эмиттерного p-n перехода = с.

15.Время переноса носителей через активную базу транзистора = с.

16.Время пролета носителей заряда через ОПЗ коллекторного перехода = с.

17.Время заряда емкости коллекторного p-n перехода = с.

18.Удельная емкость = .

19. Удельная емкость = .

Остальные элементы (резисторы, конденсаторы) выполняются на основе областей биполярного транзистора. Выполним соответствующие расчеты.

Расчет резисторов

Исходными данными для расчета геометрических размеров интегральных полупроводниковых резисторов являются: заданное в принципиальной электрической схеме номинальное значение сопротивления R и допуск на него , поверхностное сопротивление легированного слоя , на основе которого формируется резистор, среднее значение мощности

P и максимально допустимая удельная мощность рассеяния ( =8 для диффузионных и имплантированных резисторов [2]), основные технологические и конструктивные ограничения.

R1=3 кОм 15%

Так как данный резистор имеет сопротивление не более 10 кОм и не менее 1 кОм, то в качестве конструкции используем диффузионные резисторы на основе базовой области ( =480 ). Конфигурация данного резистора изображена на рисунке 3.1.

 

Рис.3.1. Конфигурация диффузионных резисторов R1

 

Минимальную ширину резистора, при которой обеспечивается заданная погрешность, определяют из выражения:

 

0,331, (2.1)

 

где Db и Dl - погрешности ширины и длины, обусловленные технологическими процессами. Для типовых процессов (Dl=Db=0.1 мкм).

 

0,35, (2.2)

 

где  - погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления, для типовых процессов его выбирают в пределах 0,05¸0,1.

Теперь найдем минимальную ширину резистора , определяемую из максимально допустимой мощности рассеяния

 

. (2.3)

 

=7,3 мкм.

 

Для составления чертежа топологии необходимо выбрать шаг координатной сетки. Выбираем 1:500. Затем определяют промежуточное значение ширины резистора:

 

, (2.4)

 

где  - погрешность растравливания окон ( =0,2¸0,5 мкм);

- погрешность ухода диффузионного слоя под маскирующий окисел (» 60% базового и 80% эмиттерного слоёв).

_пром=7,3-2×(0,5+1,8)=2,7 мкм

Реальная ширина резистора на кристалле:

 

 (2.5)

 

где _топ – топологическая ширина резистора.

Отсюда =9,6.

Расчётную длину резистора определяют по формуле:

 

 (2.6)

 

где n₁ – число контактных площадок резистора (n=2);

 k₁ – поправочный коэффициент, определяемый по номограмме (k₁=0,5).

Тогда имеем

=50,4 мкм.

Затем рассчитывают промежуточное значение длины:

 

 (2.7)

 

Реальная длина резистора на кристалле:

 

 (2.8)

 

Аналогично рассчитываем резисторы R2, R3, R4, R6. Полученные данные заносим в таблицу 3.1.

 

Таблица 3.1

	Номин., кОм	Откл., %	Мощность, мВт	,	Коэф. формы	, мкм	, мкм	топ, мкм	, мкм	, мкм	топ, мкм
R1	3	15	1.5	480	6,25	0,331	7,3	5	9,6	50,4	55
R2	9	15	1	480	18,75	0,3	3,4	5	9,6	168,4	173
R3	5	15	2	480	10,4	0,313	6,5	5	9,6	90,4	95
R4	2,1	15	1.5	480	4,37	0,351	8,7	5	9,6	32,4	37
R5	3	15	1.5	480	6,25	0,331	7,3	5	9,6	50,4	55
R6	1,2	15	1.5	480	2,5	0,4	11,5	7	11,6	17,4	22

 

Расчет конденсатора

Выбор конструкции конденсатора определяется значениями допустимого рабочего напряжения  и номинальной емкости . Напряжение  ограничено величиной напряжения пробоя p-n-перехода. Напряжения пробоя p-n-перехода коллектор – база  и эмиттер – база  рассчитывались ранее при проектировании биполярного транзистора и имеют следующие значения: =116 В, =6,78 В. И то и другое пробивное напряжение обеспечивает заданное . Удельную емкость p-n-перехода коллектор – база и эмиттер – база при нулевом смещении на нем ( =0В, =0В) также рассчитывались при проектировании биполярного транзистора и имеют следующие значения: =9,69*10^-9 Ф/см², =1.06*10^-7 Ф/см². Таким образом целесообразно выбрать удельную емкость, которая в наилучшей степени обеспечивает площадь конденсатора, соизмеримую с площадью, занимаемой транзистором, то есть выбираем конденсаторы на основе p-n-перехода эмиттер – база.

Расчет удельной емкости боковой части p-n-перехода эмиттер – база затруднен, поэтому ее величина может быть принята равной . Удельная емкость боковой части p-n-перехода коллектор – база практически равна ее донной части .С целью минимизации размеров кристалла полупроводниковой ИМС принимаем топологию конденсатора квадратной формы со стороной А. Величина А для конденсатора на основе p-n-перехода эмиттер – база определяется из уравнения:

 

,

 

где = - удельная емкость донной части p-n перехода эмиттер-база;

= 1000 - удельная емкость боковой части p-n перехода эмиттер-база;

 - глубина эмиттера;

 – номинальная емкость заданного i-го конденсатора.

Таким образом, решая данное уравнение относительно А, получим размеры конденсаторов:

А=135 мкм – для конденсаторов С1 и С3.

А=158 мкм – для конденсатора С2. с целью уменьшения топологических размеров конденсатора используем параллельное включение двух p-n-переходов, осуществляемое с помощью металлических проводников. Таким образом имеем:

А=111мкм.

Выбор структуры диодов ИМС

Данные диоды (КД901А) имеют следующие исходные данные:

Диоды, сформированные на основе перехода эмиттер – база, характеризуются наимеьшими значениями обратного тока за счет самой малой площади и самой узкой области объемого заряда (). Наименьшей паразитной емкостью () также обладают диодные структуры на основе перехода эмиттер – база. Для других структур значение паразитной емкости порядка 3пФ. Быстродействие характеризуется также временем восстановления обратного сопротивления. Оно минимально (около 10нс) для перехода эмиттер – база при условии, что переход коллектор – база закорочен. В других структурах время восстановления обратного сопротивления составляет 50-100нс. Из анализа исходных данных и способа применения диодов в цифровых схемах как накопительных, можно заключить, что целесообразнее выбрать диоды на основе перехода эмиттер – база.