Расчет биполярного транзистора с применением ЭВМ

Содержание

 

1 Проектирование элементов  ИС 

2 Проектирование топологии  кристалла 

3 Оценка влияния паразитных  емкостей 

4 Расчет надежности ИМС 

5 Тепловой расчет микросхем  в корпусе 

6 Разработка технологии  изготовления ИС 

Заключение

Литература

Приложение

 

1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ИС

 

Расчет биполярного транзистора с применением ЭВМ

По  литературному источнику [1] определяем основные электрические параметры  и эксплуатационные данные на заданный транзистор (КТ307А).

 

Таблица 1.1 Основные электрические параметры и эксплуатационные данные на заданный транзистор

Тип транзистора	Структура		UКБmax, В		Ск, пФ			Интервал рабочих температур
КТ307А	n-p-n	250	10	20	3,5	20	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  = 10 мА.

2.Напряжение  коллектор-эмиттер  =5В.

3.Длина эмиттера  =0,015см.

4.Ширина  эмиттера  =0,015см.

5.Глубина  области (эмиттер) =1,8∙10^-4 см.

6. Глубина  области (активная база) =2,6∙10^-4 см.

7.Толщина  эпитаксиальной пленки  =5∙10^-4 см.

8.Концентрация  донорной примеси на поверхности  эмиттера = 10²⁰ .

9. Концентрация  акцепторной примеси на поверхности  базы  = 10¹⁸ .

10. = 10¹⁶ .

11.Температура  окружающей среды 300 К.

 

Результаты  расчета на ЭВМ:

1. Статический коэффициент передачи тока В_СТ =47.

2. Граничная частота усиления F_T = 177 МГц.

3. Поверхностное сопротивление эмиттера ρ_{пов Э} = 0,7 Ом/кв.

4. Поверхностное сопротивление коллектора ρ_{пов К} = 107 Ом/кв.

5. Поверхностное сопротивление пассивной базы ρ_{пов п Б} = 311 Ом/кв.

6. Поверхностное сопротивление активной базы ρ_{пов а Б} = 1450 Ом/кв.

7. Сопротивление базы R_Б = 63 Ом.

8. Сопротивление коллектора R_К = 0.15 Ом.

9. Пробивное напряжение перехода эмиттер-база U_ЭБПроб = 7.77 В.

10. Пробивное напряжение перехода коллектор-база U_КБПроб = 12,2 В.

11. U_КЭ0 = 3.4 В.

12. Емкость перехода база-эмиттер C_БЭ = 63,7 пФ.

13. Емкость перехода база-коллектор C_БК = 5,9 пФ.

14. Время заряда емкости эмиттерного p-n перехода τ₁ = 2,52∙10^-10 с.

15. Время переноса носителей через активную базу транзистора τ₂=2,65∙10^-10 с.

16. Время пролета носителей заряда через ОПЗ коллекторного перехода τ₃ = 6,87∙10^-12 с.

17. Время заряда емкости коллекторного p-n перехода τ₄ = 3,8∙10^-10 с.

18. Удельная емкость C_оБЭ = 9,26∙10^-8 Ф/см².

19. Удельная  емкость C_оБК = 1,57∙10^-8 Ф/см².

 

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 ∆R, поверхностное сопротивление легированного слоя ρ, на основе которого формируется резистор, среднее значение мощности P и максимально допустимая удельная мощность рассеяния Р₀ (Р₀ = 8 Вт/мм² для диффузионных и имплантированных резисторов [2]), основные технологические и конструктивные ограничения. В таблице 1.2 приведены электрические параметры резисторов.

 

Таблица 1.2 Основные электрические  параметры резисторов

Ri	Номинал, кОм	Отклонение, %	Мощность, мВт
R1, R3	5	15	7,5
R2, R5	15	15	7,5
R4	10	15	7,5
R6	1,2	15	7,5
R7	20	15	7,5
R8	1,5	15	10
R9	4	15	10

 

 

В качестве конструкции используем диффузионные резисторы на основе базовой области (ρ_{пов а Б} =1390 Ом/кв). Структура резистора изображена на рисунке 1.1, конфигурация резистора изображена на рисунке 1.2.

 

Рисунок.1.1 - Структура резистора на основе базы

 

Рисунок.1.2 - Конфигурация диффузионных резисторов R1..R10

 

Топология интегральных полупроводниковых резисторов. Характеристики  резисторов зависят  от того, какой слой транзисторной  структуры использовался в качестве резистивного. Полная относительная  погрешность  сопротивления диффузионного  резистора определяется суммой погрешностей

 

                                  (1.1)

 

                                            (1.2)

 

где K_ф – коэффициент формы резистора;

∆K_ф/K_ф – относительная погрешность коэффициента формы резистора;

∆ρ_S/ρ_S – относительная погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления легированного слоя (для типовых процессов ∆ρ_S/ρ_S = 0,05…0,1);

α_R – температурный коэффициент сопротивления резистора;

α_R∙∆T – температурная  погрешность сопротивления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принимаем, что интегральный полупроводниковый  резистор в сечении, перпендикулярном направлению протекания тока, имеет  прямоугольную форму.

Расчет  геометрических  размеров  интегрального  полупроводникового  резистора  начинают  с  определения  ширины. Расчетная ширина b_расч принимается равным или большим наибольшего из величин b_техн , b_точн , b_р:

 

b_расч ≥ max {b_техн , b_точн , b_р},                               (1.3)

 

где  b_техн – минимальная ширина  резистора,  определяемая разрешающей способностью  технологических процессов; 

b_точн – минимальная ширина  резистора,  при которой обеспечивается  заданная  погрешность геометрических  размеров; 

b_р – минимальная ширина  резистора,  определяемая  из  максимально допустимой мощности рассеяния.

Величину  b_техн  определяют  по  технологическим ограничениям  выбранной технологии (для планарно-эпитаксиальной  технологии  b_техн=5мкм).

Ширину резистора, при которой обеспечивается заданная погрешность, определяют из выражения:

 

                                       (1.4)

 

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

 

0.15

 

где ∆ρ_S/ρ_S - погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления, для типовых процессов его выбирают в пределах 0,05…0,1.

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

 

.                                                   (1.5)

 

где Р₀ – 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  необходимо выбрать шаг координатной сетки. Его выбираем равным 0,5 или 1 мм. Выбираем масштаб 1:200. Затем определяют промежуточное значение ширины резистора:

 

,                                        (1.6)

 

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

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

 

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

Реальная  ширина резистора на кристалле:

 

                                        (1.7)

 

где b_топ – топологическая ширина резистора.

 

Расчетную длину резистора определяют по формуле

                                                          

                        (1.8)

 

где N_изг – количество изгибов резистора на угол π/2;

n₁, n₂ – число контактных площадок (обычно n = 2); 

k₁,  k₂ – поправочные коэффициенты,  учитывающие сопротивление контактных  областей  резистора в характерных точках (в месте изгиба  области резистора под прямым  углом,  у металлического  контакта,  у металлического контакта в пинч-резисторе создается различная плотность линий тока, что и требует поправки (рис.1.35 [2]).

 

Рассчитываем промежуточное значение длины:

 

                                      (1.9)

 

Реальная  длина резистора на кристалле:

 

                                    (1.10)

 

Уточним сопротивление полученного  резистора

 

                                                  .                                     (1.11)

 

Аналогично  рассчитываем остальные резисторы. Полученные данные заносим в таблицу 1.3.

 

Таблица 1.3 – Расчётные данные по размерам резисторов

	Номин., кОм	Откл., %	Мощн., мВт	,	Коэфф. формы	, мкм	, мкм
R1, R3	5	15	7,5	1450	3,5	27	92
R2,R5	15	15	7,5	1450	10,3	18	182
R4	10	15	7,5	1450	6,9	20	140
R6	1.2	15	7,5	1450	0,83	50	684
R7	20	15	7,5	1450	13,8	16	218
R8	1.5	15	10	1450	1	52	54
R9	4	15	10	1450	2,8	33	91

 

2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ  ТОПОЛОГИИ КРИСТАЛЛА

Основные  правила проектирования топологии  полупроводниковых микросхем с  изоляцией р-n-переходом

Важнейший этап проектирования полупроводниковой  микросхемы заключается в преобразовании ее электрической схемы в топологию. Сущность разработки топологии микросхем состоит в определении взаимного расположения элементов на подложке. Разработка топологии не сводится к размещению элементов на подложке. Этот процесс должен осуществляться так, чтобы обеспечить оптимальное расположение элементов, при котором уменьшается влияние паразитных эффектов, присущих полупроводниковым микросхемам. Поэтому одной из основных задач при разработке топологии микросхемы является выбор критерия оптимальности размещения элементов. В настоящее время при разработке топологии полупроводниковых микросхем с однослойной металлизацией обязательными считаются следующие критерии: минимизация общей суммарной длины соединений; минимизация числа пересечений межэлементных соединений.