Список использованных литературных источников 2 страница

Ток насыщения для кремниевого p-n перехода затвора:

(1.27)

где S – площадь перехода; D_n – коэффициент диффузии электронов; L_n – диффузионная длина электронов в области канала; - концентрация носителей зарядов в собственном полупроводнике; d_з – ширина ОПЗ p-n перехода затвора.

Ориентировочные значения основных размеров элементов полевого транзистора с p-каналом, работающего во входном каскаде микросхемы операционного усилителя, следующие:

– длина канала L = 5…8 мкм;

– ширина канала Z = 180…220 мкм;

– толщина канала 2а = 0, 8…1 мкм;

– площадь изолированной n-области нижнего затвора S = (2…3)× 10⁵ мкм².

Пример 1. Рассчитать основные геометрические размеры транзистора КП303А.

Расчет транзистора будет произведен путем сравнения расчетных параметров транзистора с табличными параметрами, приведенными в таблице 1.2 [2, с. 125].

Таблица 1.2– Параметры полевого транзистора

Электрические параметры рассчитываются путем подбора основных геометрических размеров полевого транзистора.

Выберем следующие конструктивные параметры канала:

- длина канала L = 5 мкм;

- ширина канала Z = 180 мкм;

- толщина канала 2a = 1 мкм.

- площадь изолированной n-области нижнего затвора S = 2∙ 10⁵ мкм²

(то есть сторона области на чертеже топологии 448 мкм).

Так же для расчета требуются значения следующих параметров:

- N_a – концентрация акцепторных примесей в канале;

- N_d – концентрация донорных примесей;

- μ – подвижность носителей в канале, которая зависит от концентрации носителей (методика расчета подвижности носителей приведена в [3, с.168]);

- ε – диэлектрическая проницаемость полупроводника (ε _Si=11, 7);

- ε ₀ – электрическая постоянная (ε ₀=9∙ 10^-14 Ф/см);

- q – элементарный заряд электрона (q=1, 6∙ 10^-19 Кл).

Исходные данные для расчета транзистора приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 – Исходные данные для расчета транзисторов

Наименование параметра	Предел измерения	Значение	Единица измерения
hб –глубина залегания р-n перехода база-коллектор	1 ÷ 3		м
hэ - глубина залегания эмиттерного р-n перехода	0.5 ÷ 2.5		м
hк- толщина коллекторной области	2 ÷ 10		м
- концентрация донорной примеси в эмиттерной области на поверхности	(0.2 ÷ 1)*1021
- концентрация донорной примеси в эмиттерной области у эмиттерного перехода	(0.1 ÷ 1)*1018
- поверхностная концентрация акцепторов в базе	(0.5 ÷ 1)*1019
- концентрация донорной примеси в коллекторе	(0.05 ÷ 1)*1017
- диффузионная длина дырок в эмиттере	2 ÷ 50		м
- коэффициент диффузии дырок в эмиттере	2 ÷ 50
- диффузионная длина электронов в базе	2 ÷ 50		м
- коэффициент диффузии электронов в базе	2 ÷ 50
- диффузионная длина дырок в коллекторе	-		м
- коэффициент диффузии дырок в коллекторе	-
- концентрация носителей зарядов в собственном полупроводнике	-
- относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника	-		-

Далее рассчитываются электрические параметры полевого транзистора в интегральном исполнении, которые сравнивают со справочными данными рассчитываемого транзистора. Если параметры не сходятся, то их пытаются подкорректировать путем изменения конструктивных размеров транзистора.

Максимальная крутизна полевого транзистора в интегральном исполнении рассчитывается по формуле:

,

а ее значение для транзистора КП303А будет равно:

А/(В∙ с)

Напряжение отсечки рассчитывается по формуле

В

Напряжение отсечки транзистора КП303А равно

В

Максимальный ток стока при напряжении затвор-исток равном нулю описывается следующим соотношением:

А

и для транзистора КП303А равно

А.

Значения некоторых параметров интегрального полевого транзистора практически совпадают со значениями параметров транзистора КП303А, приведенными в таблице 1.2

2. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ИМС НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Типичная конструкция маломощного планарного биполярного транзистора представлена на рис. 2.1.

Рисунок 2.2 - Конструкция маломощного планарного биполярного n-p-n транзистора

Исходные данные для расчета:

h _б – глубина залегания p-n перехода база – коллектор, см, 1 – 3 мкм;

h _e – глубина залегания эмиттерного p – n перехода, см, 0, 5 – 2, 5 мкм;

h _k – толщина коллекторной области, см, 2 – 10 мкм;

N _дэ(0) – концентрация донорной примеси в эмиттерной области на поверхности, см ^-3, (0, 2 – 1)·10²¹;

N _дэ(h _e) – концентрация донорной примеси в эмиттерной области у перехода, см ^-3, (0, 2 – 1)·10¹⁸;

N _аб(0) – поверхностная концентрация акцепторов в базе, см ^-3, (0, 5–1)·10¹⁹;

N _дк – концентрация донорной примеси в коллекторе, см ^-3, (0, 05 – 1)·10¹⁷;

r _к – удельное объемное сопротивление коллекторной области, Ом·см, 0, 1–1;

r _{□ бn} – удельное поверхностное сопротивление пассивной области базы, Ом /□, 100 – 300;

r _{□ ба} – удельное поверхностное сопротивление активной области базы, Ом /□, 1000 – 10000;

L _ре – диффузионная длинна дырок в эмиттере, см;

D _ре – коэффициент диффузии дырок в эмиттере, см²/с;

L _nб – диффузионная длинна электронов в базе, см;

D _nб – коэффициент диффузии электронов в базе, см²/с;

L _рк – диффузионная длинна дырок в коллекторе, см;

D _ре – коэффициент диффузии дырок в коллекторе, см²/с;

Величины L _ре, L _nб, L _рк принимаем равными 2 – 50 мкм;

n _i – концентрация носителей зарядов в собственном
полупроводнике, см^-3;

ε _n – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника.

В процессе конструирования при известной структуре транзистора синтезируется его топология и рассчитываются основные параметры: В _N и B _I – нормальный и инверсный коэффициенты передачи тока; С _кб(U _кб), С _эб(U _эб) – барьерные емкости p–n переходов при заданных обратных напряжениях; U _кэmax, U _эбmax, U _кбmax – максимальные обратные напряжения; I _к0, I _э0 – обратные тепловые токи коллекторного и эмиттерного переходов.

Основные параметры дрейфового транзистора при малых и средних уровнях токов (I _к ≈ 0, 1 ÷ 50 мА, что соответствует плотности тока коллектора J _к ≈ 10 ÷ 1000 А/см²) определяют по формулам:

ширина базы равна, см:

(2.1)

характеристическая длинна распределения акцепторов, см:

(2.2)

характеристическая длинна распределения доноров, см:

(2.3)

коэффициент переноса:

(2.4)

коэффициент инжекции эмиттерного перехода:

(2.5)

коэффициент усиления тока транзистора с общей базой:

(2.6)

нормальный коэффициент передачи тока:

(2.7)

контактная разность потенциалов в коллекторном переходе, В:

, (2.8)

где φ _т – температурный потенциал, В;

контактная разность потенциалов в эмиттерном переходе, В:

(2.9)

максимальное обратное напряжение коллектор – база, В:

(2.10)

максимальное напряжение эмиттер – база, В:

(2.11)

максимальное напряжение эмиттер – коллектор, В:

(2.12)

Методика синтеза конструкции транзистора основана на расчете топологических размеров областей (размеров на поверхности кристалла) при заданном токе коллектора I _кmax. Определяется максимальный формат, обеспечивающий заданную величину I _эmax с учетом вытеснения тока на краю эмиттера:

(2.13)

Для проведения синтеза топологии транзистора необходимо определиться с выбором его конструкции. На рисунке 2.2 представлены два вида топологии транзистора.

Рисунок 3.2 - Топологии транзистора: а – маломощного; б - мощного

Рассмотрим расчет топологии транзистора на примере мощного биполярного транзистора. Для расчета размеров областей транзистора принимают единичный размер Δ =3÷ 4 мкм, а размер ширины эмиттера равным R _э=3·Δ. Определим длину эмиттера:

, (2.14)

где μ _n– подвижность электронов в кремнии, м ²/ В _· с;

μ _p– подвижность дырок в кремнии, м ²/ В _· с.

Площадь эмиттерной области, мкм:

(2.15)

Размеры и площадь базы:

(2.16)

(2.17)

(2.18)

Площадь, занимаемая транзистором, мкм ²:

(2.19)

Значение омических сопротивлений можно оценить по формулам, Ом:

(2.18)

(2.19)

Барьерные емкости переходов, пФ:

(2.20)

(2.21)

Обратные тепловые токи коллекторного и эмиттерного переходов и инверсный коэффициент передачи тока, А:

(2.22)

(2.23)

(2.24)

где

2.2. Конструирование и выбор структуры диодов

Диоды формируются на основе одного из переходов планарно-эпитаксиальной структуры. Всего возможно пять вариантов диодного включения транзистора. Параметры диодов приведены в табл. 2.2. Банк данных диодных структур представлен на рис. 2.3. Диоды, сформированные на основе перехода эмиттер-база, характеризуются наименьшими значениями обратного тока за счет самой малой площади и самой узкой области объемного заряда. Наименьшей паразитной емкостью (1, 2 пФ) также обладают диодные структуры на основе перехода эмиттер-база. Для других структур значение паразитной емкости характеризуется временем восстановления обратного сопротивления, т.е. временем переключения диода из открытого состояния в закрытое. Оно минимально (около 10 нс) для перехода эмиттер-база, при условии, что переход коллектор-база закорочен, так как при такой диодной структуре заряд накапливается только в базовом слое. В других структурах заряд накапливается не только в базе, но и в коллекторе, поэтому время восстановления обратного сопротивления составляет 50-100нс

Из анализа параметров диодов можно заключить, что диод на основе транзисторной структуры с замкнутым переходом база - коллектор предпочтительнее использовать в цифровых ИМС, поскольку он обеспечивает наибольшее быстродействие. Диод на основе перехода эмиттер - база применяют в цифровых схемах в качестве накопительного диода. Диоды с замкнутым переходом база - эмиттер и диоды на основе перехода база - коллектор, имеющие наибольшие напряжения пробоя, могут быть использованы в качестве диодов общего назначения.

Рисунок 2.3 – Банк данных топологий интегральных диодов: на переходе Б-К (а, б), на переходе Б-Э (в)
Таблица 2.2 - Параметры интегральных диодов

2.3 Конструирование и расчет параметров резисторов

Резисторы формируют в любом из диффузионных слоев транзисторной структуры (эмиттерная и базовая области), в эпитаксиальном слое (коллекторная область) и с помощью ионного легирования. В таблице 2.3 приведены характеристики интегральных резисторов. Вид резистора выбирают, исходя из заданного номинального значения точности изготовления.

Основными конструктивным параметром диффузионного резистора является величина ρ _S, которая зависит от режима диффузии. Параметры диффузионного резистора улучшают подбором конфигурации и геометрических размеров. На рисунке 2.4 представлены различные варианты конфигурации диффузионных резисторов. Низкоомные резисторы (десятки Ом) имеют форму, показанную на рисунке 2.4, а. Резисторы с сопротивлением от сотен Ом до единиц кОм изображены на рисунке 2.4, б, в. Топологию, показанную на рисунке 2.4, г, д используют для создания резисторов с сопротивлением до 20 кОм. Еще более высокоомные резисторы (до 60 кОм) имеют форму, показанную на рисунке 2.4, е, или изготавливают в донной части базовой области (рисунок 2.4, ж). Максимальное сопротивление диффузионного резистора на основе базовой области приблизительно равно 60 кОм, а на основе эмиттерной области (3 – 100) Ом. При необходимости создания резисторов с сопротивлением более 60 кОм используют пинч-резисторы, сформированные на основе донной, слаболегированной базовой области (рисунок 2.6). У такого пинч-резистора n⁺ и p⁺ - слои закорочены метал лизацией и соединены с выводом резистора, находящимся под большим положительным потенциалом, что обеспечивает обратное смещение всех переходов пинч – резистора.

Рисунок 2.4 – Конфигурации диффузионных резисторов

Рисунок 2.5 – Конструкция пинч – резистора

Таблица 2.3 – Характеристика интегральных резисторов

Эпитаксиальные резисторы формируются с помощью разделительной диффузии. Т.к. эта диффузия самая продолжительная, то разброс номиналов сопротивления эпитаксиальных резисторов значителен. Величина ρ _S эпитаксиального пинч - резистора может достигать величины (4 - 8) кОм, что значительно выше, чем у обычного эпитаксиального резистора.

Конструкция ионно-легированных резисторов приведена на рис. 2.6. Резистор, показанный на рис. 2.6, а, сформирован имплантацией примеси р - типа в эпитаксиальный (коллекторный) слой и имеет после соответствующей обработки (10 - 20 мин при 500 - 600°С) ρ _S= (0, 5 - 20) кОм/□. Резистор со структурой рис. 2.6, б сформирован имплантацией примеси n - типа в базовый слой и имеет после соответствующего отжига ρ _S= 500 - 1000 Ом/□. Такие резисторы могут иметь номиналы сопротивлений в сотни кОм и допуск ±10%.

Исходными данными для расчета геометрических размеров полупроводниковых резисторов являются: номинальные значения сопротивления R и допуск на него Δ R; поверхностное сопротивление легированного слоя ρ _S, на основе которого формируется резистор; среднее значение мощности P и максимально допустимая удельная мощность рассеяния P₀; основные технологические и конструктивные ограничения.

Полная относительная погрешность сопротивления диффузионного резистора определяется суммой погрешностей:

(2.25)

где K_Ф – коэффициент формы резистора;

Δ K_Ф/ K_Ф – относительная погрешность коэффициента формы резистора;

Δ ρ _S/ ρ _S – относительная погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления легированного слоя, для типовых технологических процессов Δ ρ _S/ ρ _S = 0, 05 ÷ 1;

α _R – температурная погрешность сопротивления.

(2.27)

Рисунок 2.6 – Конструкции ионно-легированный резисторов, сформированных имплантацией примеси p – типа в эпитаксиальный (коллекторный) слой (а) и примеси n – типа в базовый слой (б)

Принимаем, что интегральный полупроводниковый резистор в сечении, перпендикулярном направлению протекания тока, имеет прямоугольную форму. Расчет геометрических размеров резистора начинают с определения его ширины. За расчетную ширину b_расч принимают значение, которое не меньше наибольшего значения одной из трех величин: b_ТЕХН, b_TОЧН b_р, т.е.

(2.28)

где b_ТЕХН - минимальная ширина резистора, определяемая разрешающей способностью технологических процессов;

b_TОЧН - минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная погрешность геометрических размеров;

b_Р - минимальная ширина резистора, определяемая из максимально допустимой мощности рассеяния.

Величину b_ТЕХН находят из перечня технологических ограничений выбранной технологии (например, для планарно-эпитаксиальной технологии b_ТЕХН= 5 мкм).

Ширину b_TОЧН определяют из выражения:

(2.29)

где Δ b и Δ l - абсолютные погрешности ширины и длины резистивной полоски, обусловленные технологическими процессами.

Для типовых технологических процессов (Δ b =Δ l =0, 05÷ 0, 1 мкм).

(2.30)

Ширину b_Р определяют из выражения:

(2.31)

где P₀ - максимально допустимая удельная мощность рассеяния, выбираемая в зависимости от типа корпуса микросхемы и условий ее эксплуатации в пределах (0, 5 - 4, 5) Вт/мм².

Для составления чертежа топологии следует выбрать шаг координатной сетки. Его выбирают равным 0, 5 или 1 мм (допускается 0, 1 или 0, 2 мм). Задаваясь масштабом 100: 1, 200: 1, 300: 1 и т.д., определяют шаг координатной сетки для фотошаблона, (в случае, если шаг координатной сетки равен 0, 1 мм а масштаб 100: 1, получаем шаг координатной сетки для фотошаблона равным 0, 001 мм), затем промежуточное значение ширины резистора:

(2.32)

где Δ _трав - погрешность, вносимая за счет растравливания окон в маскирующем окисле перед диффузией (для типовых технологических процессов Δ _трав = 0, 2 ÷ 0, 5 мкм);

Δ _У - погрешность, вносимая за счет ухода диффузионного слоя под маскирующий окисел в боковую сторону (ориентировочно Δ у составляет 60% глубины базового слоя и 80% глубины эмиттерного слоя).

Далее находят топологическую ширину резистора b_топ (ширину на чертеже топологии) и реальную ширину резистора на кристалле после изготовления ИМС.

Если b_пром ≥ b_техн, то за b_топ принимают равное или ближайшее к b_пром большее значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.

Реальная ширина резистора на кристалле

(2.33)

Если b_пром< b_техн, то за b_топ принимают равное или ближайшее к b_техн большее значение, кратное шагу координатной сетки. Реальную ширину резистора на кристалле определяют так же, как и в первом случае.