Разработка конструкции и технологии изготовления полупроводниковой микросхемы низкочастотного усилителя телефонного

Последней в списке, но, пожалуй, первой по значимости следует назвать проблему контроля параметров. Общеизвестно, что электроника  проникла буквально во все области  человеческой деятельности. Автоматические системы сегодня управляют сложнейшими  (и порой потенциально опасными) технологическими процессами, огромными транспортными потоками и т.д. Сбой в такой системе может привести к катастрофическим последствиям. В этих условиях проблемы надежности и качества оборудования, а, следовательно, и контроля параметров производимой электронной промышленностью продукции приобретают первостепенное значение. В силу большой сложности выполняемых функций число внешних информационных выводов современных СБИС варьируется от нескольких десятков до двух-трех сотен. Если принять для оценки число информационных выводов равным 50 и учесть, что цифровой сигнал на каждом из них может принимать два значения («0» или «1»), то для полной проверки правильности функционирования только одной СБИС и только в статическом режиме потребуется 250 измерений. При длительности каждого измерения в 0,1 мкс (с типичной для современного уровня технологии частотой опроса 10 МГц) этот процесс займет более двух лет. Приведенные оценки показывают, что для реальной организации контроля измерения по необходимости должны быть выборочными. Поэтому тщательная проработка методики проверки (отбор контролируемых параметров, разработка эффективных алгоритмов испытания, а также разработка соответствующей измерительной аппаратуры и программного обеспечения) представляет собой важнейшую и очень сложную задачу.

В настоящее время на пути решения  каждой группы перечисленных проблем  достигнуты определенные успехи. Решающее значение повышения степени интеграции СБИС и УБИС имеют разработка и  практическая реализация конструкторско-технологических  решений, позволяющих подняться  на качественно новый уровень  разработок. В качестве характерного примера таких решений можно  привести применение в современных  СБИС функционально-интегрированных  элементов, которые в одной полупроводниковой  области совмещают функции нескольких простейших элементов (например, у транзистора  можно совместить коллекторную нагрузку и сам коллектор). Другой пример —  трехмерная интеграция, когда элементы ИС формируют в разных слоях, например двухслойная КМДП-структура, состоящая из двух комплементарных МДП-транзисторов (металл—диэлектрик—полупроводник), имеющих общий затвор.

Определенные  перспективы имеют стремительно развивающиеся в настоящее время  нанотехнологии, основанные на использовании туннельной микроскопии. Рабочим органом нанотехнологической установки служит электрический зонд из твердосплавного материала, представляющий собой своеобразную иглу, острие которой методами ионного травления «заточено» до атомарных размеров. Острие зонда располагается на весьма малом (~10^-10 м.) расстоянии от поверхности отполированной проводящей подложки, и между подложкой и зондом прикладывается некоторое напряжение. Из-за малости зазора даже при весьма малых напряжениях напряженность поля в зазоре может достигать огромных ве­личин порядка 108… 109 В/м, что приводит к появлению туннельного тока. Измеряя этот туннельный ток, можно с помощью пьезо-преобразователей поддерживать величину зазора с погрешностью порядка 10^-11 м. При этом диаметр пучка туннельных электронов имеет величину ~10^-10 м.

Увеличивая  энергию пучка до уровня энергии  межатомных связей, можно оторвать отдельный атом от подложки и, перемещая  подложку с помощью пьезоманипуляторов, перенести его вместе с зондом в новое положение. При снижении энергии пучка можно осадить атом на подложку в этом новом положении.

Введя в активную область под зондом молекулы технологического газа, в  условиях резко неоднородного электрического поля можно добиться их ионизации  и, захватив зондом нужный ион, осадить  его на подложку в нужном месте. Таким  образом, формируют на подложке точечные или линейные структуры с характерными размерами порядка 10^-9 м. Наполняя рабочую область установки газом-травителем, инициируют химические реакции, приводящие к удалению с поверхности отдельных цепочек атомов, что позволяет создавать канавки нанометровой глубины.

Нанотехнологии открывают практически неограниченные возможности построения как планарных, так и объемных структур, позволяющих создавать на подложке электронные элементы размерами порядка атомарных. Теоретически быстродействие таких элементов может составлять величину порядка 10^-12 и даже 10^-13 с, а высочайшая степень интеграции наноэлектронных структур позволяет реализовать запоминающие устройства со сверхвысокой плотностью записи информации порядка 10 бит/мм², что на три порядка превосходит возможности современных лазерных дисков.

Однако  повышение степени интеграции резко  сужает область применения СБИС, так  как они становятся слишком специализированными  и поэтому изготавливаются ограниченными  партиями, что экономически невыгодно. Выходом из положения являются разработка и производство базовых матричных  кристаллов. Такой кристалл содержит большое число одинаковых топологических ячеек, образующих матрицу. Каждая ячейка содержит определенное число нескоммутированных элементов, подобранных таким образом, чтобы из них можно было сформировать несколько функциональных элементов (триггер, группу логических вентилей и т.д.). Выполняя металлическую разводку внутри топологических ячеек и соединяя их между собой, можно получать весьма сложные по устройству электронные блоки, отличающиеся функциональными возможностями. На основе одного базового матричного кристалла с помощью простой замены фотошаблонов металлизации можно реализовать большое число модификаций БИС.

Возможности микроэлектроники далеко не исчерпаны, а предрекаемый предел ее развития как научной и технологической  дисциплины постоянно отодвигается во времени. Однако долгосрочные прогнозы в такой динамично развивающейся  области, как микроэлектроника, дело неблагодарное. И даже если такой  предел будет достигнут, это вовсе не означает, что прогресс в области электроники остановится. На смену полупроводниковой технике придут новые технологии, основанные на иных физических принципах. Возможно, это будет функциональная электроника, оптическая, квантовая или, наконец, биоэлектроника [2]. 

1.Анализ исходных данных

1. Анализ схемы

Для выполнения курсового проекта задана схема усилителя низкочастотного  телефонного. Данная схема предназначена  для работы в телефонии, простых  радиоприемниках.

Рисунок 1. Схема усилителя низкочастотного  принципиальная

Представленная  на рисунке выше схема усилителя  низкой частоты основана на двух парах комплементарных транзисторах и предназначена для работы в телефонии, простых приемниках. Схема отличается простотой изготовления, хорошими параметрами в работе и не требует наладки при изготовлении. Если усилитель предполагается использовать для усиления музыки, конденсатор C2 рекомендуется уменьшить до 0.01 мФ. Схема не критична к параметрам транзисторов и возможна замена на аналогичные. Выходные транзисторы не требуется устанавливать на радиатор. Схема может работать при напряжении питания 12 Вольт, выходная мощность увеличится до 2-х Ватт.

Параметры схемы приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Элемент	Номинал	Элемент	Номинал
С1	10 пФ	R4	10 кОм
С2	15 пФ	R5	390 Ом
С3	10 пФ	R6	390 Ом
R1	2,2 кОм	R7	2,7 кОм
R2	510 Ом	R8	2,7 кОм
R3	510 Ом

 

Микросхемы  в основном выполняют в полупроводниковом  или гибридном варианте. Гибридные ИМС в свою очередь делятся на толстопленочные и тонкопленочные. В необходимых случаях осуществляют подгонку параметров элементов. Групповая подгонка делается стравливанием или окислением резистивных слоев, после чего их толщина уменьшается, а сопротивление возрастает. Резисторы и конденсаторы можно реализовать по толстопленочной технологии. Номиналы пассивных элементов схемы относительно невелики и позволяют их изготовить в микросхеме. В курсовом проекте нам будет необходимо реализовать пассивные элементы.

Диффузионные  резисторы могут, иметь наминал  до 60 кОм. Не один наминал резистора, реализуемой схемы, не превышает  этого значения, значит, все резисторы  можно реализовать в ИМС. Если конденсаторы, превышают 50 ...100 пФ, то применяют внешние дискретные конденсаторы. Номинал конденсаторов, используемых в данном курсовом проектировании, не превышает этого значения, следовательно, его можно реализовать в ИМС.

. 
Формирование расширенного технического задания

Данная  схема усилителя имеет достаточно широкое применение, поэтому конечное изделие должно обладать следующими параметрами:

-название изделия: усилитель телефонный низкочастотный;

-назначение: усилитель низких частот;

-комплектность: одна микросхема;

-среднее время наработки до отказа должно быть не менее 15000 ч.

Характеристики внешних воздействий:

-окружающая температура – 15…+65◦C;

-атмосферное давление – 84,0…106,7 кПа (630…80мм.рт.ст.);

Технические параметры: напряжение питания – 12 В,  ток коллектора 55 мА, мощность резисторов 3мВт - четные, 6 мВт - нечетные.

JP=65;

Количество  выводов – 4;

Размеры микросхемы: 31х15 мм;

По климатическим условиям эксплуатации ей присваивается индекс –

O – общеклиматический ;

 

2. Выбор и обоснование конструктивных  и технологических материалов

Для изготовления полупроводниковых интегральных схем используют в большинстве случаев  пластины монокристаллического кремния  p- или n- типа проводимости, снабженными эпитаксиальными слоями. В качестве легирующих примесей, обычно применяют соединения бора, сурьмы, фосфора, алюминия, галлия, индия или мышьяка, золота. Для создания межсоединений  и контактных площадок используют алюминий и золото.

Пригодность полупроводникового материала для  использования в интегральных микросхемах  определяется в основном параметрами, зависящими от его физических свойств: оптических, термических, термоэлектрических, зонной структуры, ширины запрещенной зоны  и т. п. Очень важны электрические свойства полупроводникового материала: тип электропроводности, концентрация носителей заряда и их подвижность, удельное сопротивление, время жизни неосновных носителей заряда. Полупроводниковые материалы, предназначенные для производства интегральных микросхем, характеризуются очень малым количеством примесей, оставшихся в них после получения или введенных специально для придания необходимых свойств.

Основные требования, которым должны удовлетворять все материалы, используемые в производстве интегральных микросхем: стойкость к химическому воздействию окружающей среды, монокристаллическая структура, однородность распределения, механическая прочность, термостойкость, устойчивость к старению и долговечность.

Таблица. 2.1 - Ширина запрещенной зоны (в эВ) элементарных полупроводников (при T=300K).

При изготовлении интегральных микросхем  наибольшее распространение получили кремний и германий. В таблице 2.1 рассмотрены основные свойства этих полупроводниковых материалов.

Таблица 2.1 – основные свойства кремния и германия

Свойства	Германий	Кремний
Плотность при 200С, г/м3	5,3	2,3
Температурный коэффициент линейного  расширения (0 –1000С),К-1	6*10-3	4,2*10-6
Удельная теплоемкость (0 – 1000С), Дж/(кг*К)	333	710
Плотность при 200С, г/м3	5,3	2,3
Удельная теплоемкость (0 – 1000С), Дж/(кг*К)	333	710
Температура плавления, 0С	936	1414
Теплота плавления, Дж/кг	4,1*105	1,6*106
Коэффициент поверхностного натяжения  при температуре плавления, Н/м	0,6	0,72
Подвижность электронов, м2/(В*с)	0,39	0,14
Подвижность дырок, м2/(В*с)	0,19	0,05
Работа выхода электронов, эВ	4,8	4,3
Первый ионизационный потенциал, В	8,1	8,14
Диэлектрическая проницаемость	16	12,5
Ширина запрещенной зоны, эВ (Т  = 300 К)	0,67	1,12

 

 

В проектируемой ИМС в качестве подложки будем использовать кремний, т.к. он имеет преимущества перед германием: большая ширина запрещенной зоны, более высокие рабочая температура и удельные нагрузки.

В качестве акцепторной примеси будет  использовать бор, а фосфор и сурьму в качестве донорной примеси.