Страница 5

Где Nт, N_D, N_R - соответственно, число транзисторов, диодов и резисторов в схеме, а l_Т, l_D, l_R, l_n - соответственно, интенсивность отказов, дискретных транзисторов, диодов, резисторов и паяного соединения; для ориентировочных расчетов можно принять:

l_Т ~ l_D ~ 1´10^-8 1/z, l_R ~ 1´10^-6 1/z и l_n ~ 4´10^-9 1/z .

Пример I . Исходная схема содержит три транзистора, один диод и шесть резисторов. При реализации схемы на дискретных компонентах, ее интенсивность отказов будет равна:

l_cx = 3×1×10^-8 + 1×1×10^-8 + 6×1×10^-6 + (9+2+12)×4×10^-9 = 6,132×10^-6 1/з.

При реализации схемы в виде ППИМС ее интенсивность отказов (l_ис) оариентировочно равна 1.10^-8 I/час. Очевиден выигрыш по надежности при реализации схемы в виде ППИМС. Тот выигрыш тем значительнее, чем сложнее схема.

Стоимость ППИМС определяется по формуле

С_ис =С_кр + С_кор + С_м ,

Где С_кр – стоимость ИМС на уровне кристалла ориентировочно

С_кр = (С_пл + С_об)/hN_ис, где С_пл – стоимость материала исходной групповой кремниевой пластины, С_об – стоимость обработки групповой пластины для получения необходимой структуры ИМС, N_ис – число ИМС в пределах групповой пластины и h - доля годных ИМС в пределах групповой пластины;

Скор – стоимость корпуса ППИМС;

См -стоимость монтажа кристалла в корпусе и последующей герметизации.

Стоимость схемы, изготовленной на дискретных компонентах, определяется формулой:

Ссх = N_тС_т + N_DC_D + N_RC_R + С_пп + С_м,

Где Ст, С_D, С_R – соответственно, стоимость транзистора, диода и резистора схемы;

страница 6

С_ПП-стоимость печатной платы;

C_M- стоимость монтажа элементов на печатной плате.

Пример2. Для схемы из примера I ее стоимость при реализации на дискретных компонентах будет

Ссх=3.1, 0 + 1.0,6+6.0,05+1,5+0,9 = 6,3 руб.

В случае изготовления схемы в виде ППИМС стоимость ИМС на уровне кристалла будет

С_кр=(5+15)/(0,5700) = 0,07 руб.

Стоимость готовой ППИМС будет

С_ис= 0,07+0,8+0,2=1,07 руб.

Очевиден выигрыш в стоимостьи при реализации схемы в виде ППИМС.

Размеры ППИМС определяются размерами корпуса ИМС, который выбирается исходя из мощности, теряемой на тепло в разрабатываемой схеме. 34. Размеры схемы, проектируемой на дискретных элементахс учетом ее реализации на печатных платах могут быть расчитанны по формуле

V_CX= h_MS_ПП = h_Ma(N_TS_T+N_DS_D+N_RS_R), (4)

Где h_M – максимальный размер по высоте схемы с дискретными элементами на печатной плате ориентировочно.

h_M ~h_T + h_ПП ~ 8+2 =10 _мм

где h_T – высота транзистора и h_ПП – толщина печатной платы;

V, S_ПП – соответственно, объем и площадь схемы; a - коэффициент неплотности установки элементов на печатной плате, ориентировочно, а равно 2; ST, SD, SR – соответственно, площади для установки транзисторов, диодов и резисторов на печатной плате, из [2] ST = 10´10 _MM²,

S_D = 13,75´3,75 _MM²; SR = 10´3,75 _MM².

Пример 3. Для схемы из примера I занимаемый объем конструкции при реализации на дискретных компонентах будет

V_CX=10×2(3×100+1×51,6+6×37,5)=11540 _MM³=11,54_CM³.

Страница 7

В случае ее реализации в виде ППИМС в корпусе 301.8-2 занимаемый объем будет

V_ИС = V_КОР = 256_ММ³ = 0,26 _СМ³.

Очевиден выигрыш в занимаемом объеме при реализации схемы в виде ППИМС.

Масса ППИМС приближонна равна массе корпуса (см. табл.3). Масса схемы, реализованной на дискретных элементах, определяется по формуле

M_CX=N_TM_T+N_DM_D+N_RM_R+M_ПП+N_CM_П,

где MT,MD,MR - соответственно, массы транзистора, диода и резистора, из [2] M_T= 0,6 г, M_D=0,3 г, M_R=0,15г;

М_ПП - масса печатной платы, определяемая по формуле

М_ПП = _ПП S_ПП h_{ПП ,}

где _ПП  2 г/см³ плотность материала печатной платы, а

s_ПП и h_ПП - соответственно, площадь и толщина печатной платы; N_C - число паяных соединений; М_П - масса одной пайки, определяемая по формуле М_П = _ПV_П, где _П8,9 г/см³ - плотность материала припоя (ПОС-61) и V_П мм³ - объем припоя одной пайки.

Пример 4. Для схемы из примера I масса ППИМС равна массе корпуса 301.8-2 и составляет 1,0г, т.е. М_ИС  М_КОР = 1,0г. Для схемы, реализованной на дискретных компонентах, ее масса равна

М_СХ=30,6+10,3+60,3+211,540,2+238,90,009=9,13 г.

Очевиден выигрыш по массе при реализации схемы в виде ППИМС. Лучшие энергетические показатели ППИМС достигаются за счет применения в их структуре высококачественных транзисторов (биполярных и полевых полярного типа), которые могут успешно работать в микрорежимах по току.

страница 8.

1.2. Оптимизация параметров электрической схемы.

После изготовления ППИМС не допускают какой-либо корректировки. Поэтому электрическая схема проектируемой ППИМС должна быть тщательно отработана с учетом реальных моделей интегральных компонентов. Анализ и оптимизация параметров схемы качественно усиливаются с применением ЭВМ. При этом экспериментальное исследование схемы заменяют анализом ее математической модели, который осуществляют с помощью ЭВМ. Совокупность технических средств и машинных программ образуют автоматизированную систему проектирований электрических схем [3].

1.3. Разработка конструкции полупроводниковых интегральных микросхем.

Процесс конструирования ППИМС состоит из следующих этапов:

• определение физических параметров элементо ППИМС и их электрических параметров,

• выбор и обоснование размеров полупроводниковой подложки (кристалла),

• размещение элементов в пределах кристалла и разработка топологической схемы,

• выбор и обоснование корпуса,

• анализ теплового режима,

• составление конструкторской документации.

2. Проектирование интегрального биролярного транзистора.

Изоляция транзисторов, диодоы, резисторов, конденцаторов в пределах полупроводникового кристалла может быть решина в двух вариантах: с помощью обратносмещенного p-n перехода или с помощью изолирующего слоя Sio2. Изоляция с помощью p-n переходатехнически достигается усложнением трехслойной транзисторной структуры n-p-n (или p-n-p) до четырехслойной n-p-n-p за счет дополнительной операции диффузий. Основным способом получения n-p-n-p структуры является эпитаксиально-диффузионный способ [4], реализация которого для типового интегрального транзистора дана на рис.I . На

Страница 10.

групповой пластине диаметром около 30 мм p - типа с эпитаксиальным слоем n - типа на пластине

30 (20Кэф-0,5)/(200 кdб-10,0)

с помощью изолирующей диффузии бора (рис.I-а) получают островки n - типа, в которых будут размещены элементы проектируемой ИМС. Для того чтобы все изолирующие p-n переходы были обратно смещенными, p - область основания должна иметь контакт с самым отрицательным потенциалом проектируемой ИМС. Последующий процесс изготовления интегрального биполярного транзистора (ИБТ) по планарной технологии включает операцию диффузии бора для образования базовых областей (рис.I-б), операцию вскрытия окон в SiO₂ для контактов к рабочем областям транзистора(рис.I-г) и операцию получения пленочных соединений с помощью вакуумного осаждения алюминия с последующей фотолитографией и травлением незащищенных участков алюминия. Изоляция с помощью обратно смещенного p-n перехода не является совершенной. Ей сопутствует определенная паразитная емкость p-n перехода. Величина сопротивления изоляции ограничена токами утечки, величина которых возрастает с повышением температуры и при радиационном воздействии. Более совершенной изоляцией элементов в ППИМС является изоляция с помощью слоя SiO₂. Для ее реализации требуется большее число технологических операции. Пример такой реализации для типового интегрального транзистора показан на рис.2. С помощью операции диффузии мышьяка на всей поверхности исходной групповой пластины n - типа кремния диаметром около 30 мм создается тонкий низкоомный слой n⁺ - типа. С помощью фотолитографии и последующего травления кремния образуются каналы глубиной 20 мкм (рис.2-а), на поверхности которых и на поверхности пластины выращивается толстый слой SiO₂ (около 2 мкм). На слой SiO₂ осаждают слой поликристаллического кремния (около 200 мкм), предназначенный в качестве механической основы. После удаления значительной части монокристаллического кремния с помощью шлифоввки и полировки получают структуру изолированных ообластеей (островков) n - типа монокристаллического кремния, вкрапленных через слой SiO2 в поликристаллический кремний.

Страница 12.

ХХХ структура интегрального транзистора образуется по планарной технологи с помощью избирательной диффузии бора для образования базовых областей (рис.2-в) и операции избирательной диффузии фосфора для образования эмиттерных областей и омических контактов к коллекторам (рис.2-г). После операции избирательного травления поверхностного слоя SiO₂ для окон под контакты, операции осаждения слоя металла (алюминия) и последующего избирательного травления слоя алюминия образуется схема соединений элементов ИМС (рис.-2д).

ППИМС изготовляются по типовым технологическим процессам, которые определяют типовые структуры в глубь кристалла для всех интегральных элементов. Типовые распределения примесей в структурах ИБТ с изоляцией с помощью p-n перехода и с помощью слоя SiO₂, соответственно, даны на рис. 3 и 4.

Размеры ИБТ на плоскости кристалла определяются электрическими параметрами и должны быть по возможности минимальными, так как при этом увеличивается процент выхода водных элементов и степень интеграции проектируемой ППИМС [5]. Преобладающее влияние на размеры ИБТ оказывает рабочий ток (эмиттерный) транзистора. Оптимальная площадь эмиттерного перехода определяется по формуле [4]

ХХХ (5W_I_Э/q D_П n_^’₎

Страница 13.

гдеW_ - ширина базы ИБТ, IЭ - рабочий ток эмиттера,

q = 1,6 10-19 К - заряд электрона, D_n - коэффициент диффузии не основных носителей (электронов) через базу, который для типовых структур (рис.3 и 4) равен 12 см²/сек;

n_^’ - равновесная концентрация электронов в области базы, n_^’ = p_. Коэффициент диффузии для неосновных носителей определяется по формуле

Dn= кТ_n/q , (7)

где к = 1,38.10-23 дж/⁰К - постоянная Больцмана, Т - температура в ⁰К, n - подвижность электронов в базе, определяемая в зависимости от концентрации примесей в области базы по графику на рис.5.

Размеры S_{э опт} часто оказываются трудно реализуемыми из-за ограничений в возможностях технологических процессов. Получение линейных размеров (в) элементов по планарной технологии осуществляется с точностью (в) равной 5,5 мкм [5]. По этой причине минимальный размер окна в окисле для контакта составляет 12,512,5 мкм², минимальное расстояние от контактного окна до края диффузионной области - 6,25 мкм, рабочие расстояние - 12,5 мкм. Минимальный размер эмиттерной области, следовательно, составляет 2525 мкм². При таком размере точность воспроизведения площади эмиттерных областей будет определяться величиной S_Э/S _Э=2b/b=2*5,5/25=0,44 (44%)

что может явиться причиной значительного разброса в парамет­-

рах ИБТ. Компромиссным решением с учетом минимальных разме-

­ров и приемлемого разброса параметров проектируемых ИБТ сле­дует считать минимальный рабочий размер эмиттера 25х37,5мкм

[4].Этот размдер является типовым для ИБТ с рабочим током

эмиттера до 10-20 мА (см.рис.1 и 2). Для ИБТ с большим рабо­-

чим током площадь эмиттера следует увеличивать за счет уд­линения эмиттера и увеличения числа эмиттерных областей (рис.6)

Размеры базовой области и области коллектора ИБТ определяются через размер эмиттерной области c учетом числа базовых контактов и конфигурации омического контакта к коллектору. Наи­более распространенные типовые размеры этих областей даны на рис.1 и 2.

Основными электрическими параметрами ИБТ являются [4]:

- зависимость тока эмиттера от напряжения на эмиттер-базовом переходе I_Э (U_эб);

- коэфициент усиления по току в режиме общая база (ОБ) и общий эмиттер (ОЭ) и его зависимость в диапазоне частот, соответственно,

₀, ₀, (f);

- паденае напряжения на коллекторе в ре­жиме насыщения U_кэн

- напряжение пробоя коллектора в режиме ОЭ U_{кэ пр} .

Характер зависимости I_Э (U_Эб) дан на рис.7.

Эта зависимость определяется по формуле

где S_Э - активная площадь перехода эмиттер-база, n_б – кон-

центрация электронов в области базы, определяется по формуле

n_б=n_i/p_б (9)

где p_б - концентрацыя дырок в области базы, определяемая по графику рис.З и 4; n_i - концентрация собственных носителей заряда в полупроводнике при заданной температуре, при Т = 300°К для кремния n_i = 1,5*10¹⁰ см^-3. Для кремния вели­чина n_i ² определяется по формуле

n_i ²=2,33*10³¹T³e^-1,31/kT (10)

xарактеристика I_Э (U_Эб) имеет явно выраженное напряжение отсечки U₀, которое определяет значительную (ощутимую по то­ку) инжекцию электронов в базу. Напряжение отсечки U₀ ориен-

тировочно определяет падение напряжения при прямом включении на переходе(U_Эб), которое для ИБТ составляет величину в пределах 0,6-0,7 В. Напряжение отсечки определяется (для ступенчатых переходов) по формуле

где N_D и N_A –соответственно,концентрации примесей на переходе.

Пример 5. Для ИБТ, изображенных на рис. 1 и 2, контактная раз­ность при комнатной температуре на эмиттер-базовом переходе ориентировочно равны (11)

ЗависимостьI_Э (U_ЭБ) для указаных ИБТ равна (8).

Результаты расчета по данной формуле сведены в табл.1

Таблица 1.

UЭБ [В]	0,60	0,65	0,70	0,75	0,80
IЭ [мА]	0,013	0,10	0,69	5,09	37,6

Коэффициент усиления по току в режиме 0Э для планарных ИБТ определяется по формуле

где R_сл.э , R_сл.б - соответственно, сопротивление слоя эмиттерной и базовых областей, эти величины фиксированы типовыми распределениями (рис.3,4) и равны 2,5 Ом/кВ а 200 Ом/кВ;

L_nб -диффузионная длина неосновных электронов в базе, для типовых структур ИБТ L_nб равна 4 мкм.

Величина коэффициента усиления по току в режиме ОБ определя­ется по формуле

C увеличением рабочей частоты коэффициенты ₀ и ₀ падают согласно рис.8а. Характер этих зависимостей в логарифмическом

масштабе хорошо апроксимируется ломаными прямыми с учётом фиксированных частот f_ и f_т, которыми существует

соотношение

где f_т - частота, при которой модуль коэффициента усиления по току в схеме ОЭ равен 1 (=1),

f_ - частота, при которой модуль коэффициента усиления по току в схеме ОБ равен 0,7 от уровня ₀ (=0,7₀), величина m=0,4.

Траничная частотаf _ определяется из формулы

где

-сопротивление эммитера в режиме малого сигнала.

-диффузионная ёмкость эммитера-базового перехода (перехода в прямом смещении).

W_oб и V_o – соответственно, обеднённый подвижными носителями слой база-коллекторного перехода и скорость пролёта электронна через обеднённый

слой, ориентировочно V₀  8,510⁶ см/сек. r_кв и С_э – соответственно, сопротивление коллекторного вывода и ёмкость изолируещего перехода коллектор-подложка и ёмкости обеднённого слоя база-коллектор. Формула (15) хорошо отражает малосигнальную модель ИБТ, которая дана на рис. 8-б.

Расчёт сопротивления коллекторного вывода зависит от структуры ИБТ (рис. 1.2). Для ИБТ, изображённого на рис.1, растекание тока в коллекторной области хорошо моделируется через трапециодальные области иr_кв определяется по формуле

Гдеr_k1 и r_k2 – соответственно, сопротивление трапециидальных областей коллектора, _к - удельное объемное электросопротивление коллкторной области, для типового распределения примесей (рис.3) _к= 0,5 ом*см. Для ИБТ, изображенного на рис.2, растекание тока в коллекторной области происходит под действием низкоомного слоя. В этом случае r_кв определяется по формуле

Где r_k1 и r_k2 - соответственно, сопротивление трапециидальной области под эмиттером и под коллекторным выводами, W_к’- зазор между низкоомным захороненным слоем и выводом коллектора.

Величина обедненного слоя для база-коллекторного перехода определяется по формуле

Где₀ и  – соответственно, диэлектрическая постоянная вакуума и кремния, ₀=8,85*10^-12 ф/м, ’=12. U_кб-внешнее напряжение на переходе коллектор-база, U₀’- контактная разность потенциалов на переходе коллектор-база, ориентировочно может быть определена по формуле (11): - градиент концентрации примесей на переходе, определяется из графика рис.3,4. Емкость обратносмещенного перехода определяется по формуле для емкости плоского конденсатора где Sn – площадь перехода.

По формуле (19) определяют емкость перехода коллектор-база (С_кб) и перехода коллектор-подложка (С_кn). При расчете для структуры рис.1 следует учитывать неодинаковую величину обедненного слоя на границе подложка-эпитаксиальный слой и на

Боковых границах за счет изолирующей диффузии. Величина обеднённого слоя для плавного перехода определяется по формуле (18), для ступенчатого по формуле

гдеU_n и U₀’ - соответственно, внешнее напряжение на перехо­де контактная разность потенциалов на переходе , N- концен­трация примесей на границе со слаболегированной областью. В случае изоляции ИБТ с помощью слоя SiO₂ паразитная емкость состоит из ёмкости перехода коллектор-база (С^) и ёмкости через изолирующий слой окиси кремния (Си^ ). которая опре-деляеттся по формуле

где ’ -относительная диэлектрическая постоянная для слоя SiO₂, ’=4, -  толщина диэлектрического слоя SiO₂, для ИБТ рис.2  = 2 мкм. .

Пример 6. Для ИБТ, изображенного на рис.2 коэффициент уселения по току в схеме 0Э будет

в схеме ОБ ₀ =54/(54+1)=0,982.

Для ИБТ, работавшего с напряжением на коллектор-базовом пере­ходе, равным 5 В, граничная частота в схеме ОЭ определяется по формуле

где m = 0,4;

Ck=1,0+0,83=1,83 пФ,

RквСк=43,0*1,83*10^-12=78,6*10^-12 c.

Следовательно,

fT =1/2(1+0,4)(204+81,7+7,1+78,6)10^-12=306810⁶ Гц =306 МГц.

Основным параметром ИБТ в режиме переключения является падение напряжения на коллекторе при насыщении, которое опре­деляется дляn-p-n транзистора по формуле

где  i - коэффициент усиления ИБТ в режиме ОБ при инверсном включении, для типовых структур  i приблизительно равно 0,1;

Iк и Iб - соответственно, ток коллектора и ток базы, в ре­жиме насыщения отношение Iк/Iб < 1.

Пример 7. Для ИБТ из примера 6 падение напряжения в режиме насыщения при токе коллектора и токе базы, соответственно, равных 5 мА и 0,46 мА и температуре 300°К будет равно

Электрическая прочность ИБТ определяется электрической прочностью рабочих p-n переходов, а также электрической проч­ностью комбинации переходов. Электрическая прочность p-n пе­рехода оценивается через напряжение пробоя ( Uпр ), которое определяется величиной концентрации примесей в обедненном слое ( Nоб ). Для ступенчатых переходов (n⁺-p ) обедненный слой развивается, главным образом, в слабо лигируемую область. Поэтому при расчете электрической прочности перехода принимают во внимание концентрацию примесей на переходе со сто-

роны слабо легируемой области. Зависимость U_пр от N_об для ступенчатого кремниевого перехода дана на рис. 9 [6].

Штриховая линия на рис.9 указывает максимальные концентрации, выше которых преобладающую роль при пробое играет туннельный эффект. Для плавного перехода, который характеризуется градиентом концентрации примесей в обедненном слое ( a ) зависимость U_пр от а дана на рис.10.

Пробивное напряжение между коллектором и эмиттером (U_{кэ пр} ) зависит от внешнего сопротивления в цепи база-эмиттер (R_бэ) и определяется по формуле

U_{кэ пр}  U_{кб пр} при R_бэ  0,

где U_{кб пр} - пробивное напряжение перехода коллектор-база.

Пример 8. Для ИБТ из примера 6 пробивное напряжение перехода коллектор-база равно U_{кб пр}= 55 В (из рис.9), так как концентрация примесей в коллекторной области постоянна и равна 1,2*10¹⁶ см^-3. Пробивное напряжение U_{кэ пр} при R_бэ ~  равно

U_{кб пр}  55/³₀=14,5 В.