WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 8 |

Гр аничная ч асто та fЭ о пр ед еляется по фор му ле 1 Wб W0б, (1.11) = 2 (rэ Сэ + + + rкв Ск ) fэ 5Dnб VКТ гд е rЭ =, со пр о тивление эми ттер а в р ежи ме м ало го сигн ала, q IЭ q N 0 б, д иффу з ио нная ем ко сть э ми ттер - б азо во го п ер ех о д а CЭ = SЭ 2U в пр ямо м смещен и и ; W o6 и V0 - о б ед ненный под вижн ыми но сителя ми сло й б а- за- ко л ле кто р но го п ер ех од а и ско ро сть пр о лета электр о н а ч ер ез о б едненный сло й Vo =8,5 * 1 0 см/с) ; r и Ск- со пр о тивление ко ллекто р н о го выво д а и ем - к в ко сть, со сто ящая из емко сти из о лиру ющ его п ер ех од а ко лл екто р - по д ло жк а и емко сти о б едненно го сло я б аз а- ко ллекто р.

Р асч ет сопро тивления ко лле кто рн о го вы во д а зависит о т стр у ктур ы ИБТ. Дл я ИБТ с из о ляцией с по мо щ ь ю р-n п ер ех од а ко лле кто р но й о б ласти х ор о шо мо - дели ру ется ч ер ез тр ап ец еид альн ые об ласти и r оп р ед еляется по фор му ле ( 1.12) к в rкв = ( 1.1 2 ) 2/ rk1 + 2/ rk гд е r и r - со пр о тивления тр ап ец еи д альн ых о б ластей ко ллекто р а;

k 1 k Ik - IЭ rк1 = k Wk (bk - bЭ) bk - bЭ rк1 = k Wk (Ik - IЭ) Рк - у д ел ьн о е со пр о тив лени е ко л ле кто р н о й о б ла сти д ля типо во го р ас- пр ед елени я пр и месей (р и с. 1.2) и со ставляет р =0,5 Омсм.

к Для ИБТ, и зо б р ажен но го на р и с. 1.1, р астекан и е то ка в ко ллекто р но й об ласти пр о и сх од и т по д д ействием низ коо мно го сло я. В это м слу ч ае r о пр ед еляетс я к в по фор му ле ( 1.13 ) rкв = rк1 + rк 2 ( 1. 1 3 ) Wk rк1 = r (IЭ + Wk) (bЭ + Wk) Wk rк1 = r (Ik + Wk) (bЭ + Wk) гд е r и r - соо тветствен н о со пр о тивления тр ап ец еид альн о й о б ласти под эми т- k 1 k теро м и под ко ллекто р н ым в ыво д о м, a W - з азор межд у низ коо мным з ахор о- k ненным сло ем и вы вод о м ко ллекто р а.

Ве лич ина о б едненно го сло я б аз а- ко л лекто р н о го пер ехо д а о п р ед еляется по фор му ле Wоб = [0 (U0 + UКБ )]/(a q), ( 1.1 4) гд е 0 и - соо тветств ен н о ди эле ктр и ч еская по сто янная ваку у ма и кр емния ( = 1 2 ) ; U - в н е шн е е н ап р я ж е н и е на п ер ех о д е к о л л е к то р - б аз а ;

к б U *0 - ко н та ктн а я р аз н о сть по тенциа ло в на п ер ех о д е ко лл е кто р - б аз а, о р и - ен ти ро воч но мо жет о пр ед еляться по фо р му ле ( ); a=d N /d X- гр адиент ко нц ен тр а- ци и пр и месей на п ер ех од е, оп р ед еляем ый из гр афи ка р и с. 1.2 и 1.3. Емко сть об - ратно смещен но го пер ехо д а о пр ед еляется по фор му ле д ля емко сти пло ского кон - д ен сатор а 0 Sn Cn = Wоб По это й фо р му ле о пр ед еляются емко сти пер ехо до в ко ллекто р- б аз а Cк и ко л- б лекто р - по д ло жка Ск п. При р асч ете д ля стр у ктур ы с из о ляцией р- n п ер ех о д а след у ет у чи тыва ть неод инако ву ю величину об ед н енн о го сло я на гр анице под - ло жк а- эп и такси альн ый сло й и на бо ко вых гр аницах за сч ет и з о лир у ющей д и ффу з и и. Ве л и ч и н а Wоб д ля п л а вн о го п ер е х о д а о п р ед е ля е тс я по ф о р м у л е ( 1.1 4 ), а д л я с т у п е н ч а т о г о к а к ( 1. 1 5 ) где Un - внешнее напряжение на переходе; N - концентрация примесей со сла- болегированной областью. В случае изоляции ИБТ с помощью SiO2 (рис. 1.1) паразитная емкость состоит из емкости Скб и емкости изолирующего слоя SiO(Сиз), которая определяется где 8 - относительная диэлектрическая постоянная для двуокиси кремния равна 4, a d - толщина слоя SiO2 составляет 2 мкм.

Основным параметром ИБТ в режиме переключения является падение на- пряжения на коллекторе при насыщении и для транзистора равно (1.16) где i - коэффици ент усиления в реж име ОБ при ин версно м вкл ючени и ( = 0,1), Ik и Iв - токи коллектора и базы. Необходимо отметить, что в режиме i насыщения величина (Ik/ (IS) < 1. Электрическая прочность ИБТ определя- ется электрической прочностью рабочих р-n переходов, а также комбинации переходов. Напряжение пробоя определяется величиной концентрации приме- сей в обедненном слое Nоб. При расчете электрической прочности перехода принимают во внимание лишь концентрацию примесей на переходе со сто- роны слаболегируемой области. Зависимость Uпрк-б от Nоб для ступенчатого кремниевого перехода показана на рис. 1.8. Для плавного перехода, который характеризу ется гради енто м концен трации при меси в обедненно м сло е (а= dN/dX), зависимость пробивного напряжения от величины «а» показана на рис. 1.9. Пробивное напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ пр зависит от внешнего сопротивления в цепи база-эмиттер RбЭ и определяется как где Uк бпр- пробивное напряжение перехода коллектор-база.

После выбора физической структуры выбирают конфигурацию транзистора. По- скольку характеристики в значительной степени зависят от размеров различных областей транзистора, нужно учитывать, что периметр эмиттера определяет токо- вые характеристики транзистора, площадь эмиттера - частотные характеристики, площадь базы - емкость перехода база - коллектор и распределенное сопротивле- ние базы, площадь коллектора - емкость перехода коллектор - подложка и последо- вательное сопротивление коллектора Рис. 1.8. Зависимость электрической прочности перехода коллектор-база от концентрации примесей в обедненном слое для ступенчатого перехода Рис. 1.9. Зависимость электрической прочности перехода коллектор-база от градиента концентрации в обедненном слое В мало мо щных (0,3< Р <3 мВт) и ми кро мощн ых (1< Р <<300 мкВт) цифровых ИМС размеры всех областей транзистора стремятся выполнить мини- мальными, на пределе возможностей технологии, хотя это может привести к сниже- нию выхода годных изделий.



Обычно анализируют несколько типовых конфигураций транзисторов, которые представляют собой банк данных для биполярных транзисторов (приложение 1). На рисунках сплошными линиями обозначены границы диффузионных областей, а пунктирными - границы вскрытия окон в пленке двуокиси кремния для последую- щего формирования металлических контактов. Для микромощных схем наиболее пригодны полосковые конструкции транзисторов (приложение 1): для одно- эмиттерных (рис. П1, а-ж), многоэмиттерных (рис. П1, з-л) и с общим коллекто- ром (рис. П1,м).

Взаимное расположение контактов к различным областям транзисторной струк- туры выбирают в зависимости от конкретного топологического рисунка микросхе- мы и удобства расположения выводов транзистора. Если необходимо получить ма- лое сопротивление коллектора, применяют транзисторы с увеличенной контактной областью к коллектору (рис. П1, б, г-ж). Для получения малого сопротивления ба- зы и высокого коэффициента усиления используют конструкции с двумя контактами к базовой области (рис. П1, ж). Многоэмиттерные транзисторы (рис. П1, з-к) применяют во входных цепях схем транзисторно-транзисторной ло- гики (ТТЛ). Конструкция, показанная на рис. П1, м, используется при формирова- нии двух (или более) транзисторов, имеющих одинаковый потенциал на коллекто- ре.

Тран зисторы ср едн ей (3< Р <25 мВт) и большой (25< Р <<250мВ т) мощностей работают в режимах высоких плотностей эмиттерного тока (200 -3000 А/см2). Поэтому в мощных схемах целесообразны узкие эмиттеры с большим периметром.

Топологию мощного транзистора разрабатывают так, чтобы обеспечить макси- мальное отношение периметра эмиттера к его площади. Это значительно увеличи- вает активную область транзистора и обеспечивает достаточно большой рабочий ток без увеличения размеров всей структуры.

1.4. Интегральные полупроводниковые резисторы 1.4.1.Классификаця полупроводниковых резисторов и их характеристики Резисторы полупроводниковых интегральных микросхем (ПИМС ) фор- мируются на основе слоев, полученных диффузией (диффузионные резисто- ры), эпитаксиальным наращиванием или ионным легированием. Типичные ха- рактеристики резисторов приведены в табл. 1.1, а их конструкции представле- ны на рис. 1.10.

Диффузионный резистор на базовом р-слое (рис. 1.10, а) является более рас- пространенным, чаще всего используемым в составе ИМС. Типичные значе- ния ширины резистора b = 5,0 - 15 мкм, длины L = 0,1 - 1,0 мм, диапазон номи- налов от 100 Ом до 20 Юм. Разброс значений номиналов резисторов в схеме может быть достаточно велик, однако на практике можно получить погреш- ность отклонения номинальных значений (R/R) порядка ± 3 % и менее. Эта особенность характерна для всех полупроводниковых резисторов и во многом зависит от качества разработки топологии микросхем.

Диффузионный резистор на эмиттерном слое (рис. 1.10,б) применяется в тех случаях, когда н еобходим резистор малого номинал а, а также исполь- зуется для создания на его основе диффузионной перемычки, реализующей избежание пересечения пленочных проводников в полупроводниковой ИМС.

Резистор, выполняемый на n+- слое, т.е. сильно легированной донорами области полупроводника, имеет малое электрическое сопротивление. Диапазон номина- лов в этом случае составляет 0,5 - 100 Ом.

Пинч-резистор, конструкция которого показана на рис. 1.10,в, так как и пре- дыдущие, формируют с помощью диффузии, поэтому он может быть отнесен к диффузионным. При протекании через резистор тока, на его контактах име- ется некоторая разность потенциалов, n- слой, который используется для под- жатия, т.е. уменьшения толщины резистора, соединяют с помощью металлиза- ции с тем контактом, который имеет более высокий потенциал. Тем самым на n+- слой подают напряжение обратного смещения, и обратносмещенный n+-р переход поджимает толщину резистора на р-слое. Пинч-резисторы используют- ся для изготовления резисторов с высокими номиналами сопротивления R > 50- 60 кОм и до сотен кОм. Высокие номиналы таких резисторов обеспечиваются малой площадью сечения (малой толщиной) среднего участка тела резистора, которая находится на некотором удалении от поверхности полупроводника, на глубине залегания n+ - области, и слабо легирована акцепторной примесью.

Недостатками пинч-резистора являются такие характеристики как повышенная погрешность (R/R) > ± 50% из-за неравномерной толщины тела резистора, большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) из-за невысокой степени легирования слоя резистора, нелинейность вольт-амперной характеристи- ки (ВАХ) при напряжении U > 1-1,5 В (по аналогии с полевым транзистором), а Рис. 1.10. Конструкции полупроводниковых резисторов: а - диффузионного на базовом слое; б - диффузионного на эмиттерном слое; в - пинч-резистора;

г, д - эпитаксиального (соответственно обычного эпитаксиального и пинч-резистора); е - ионно-легированного Рис. 1.11. Характеристика зависимости подвижности дырок от концентрации примеси в кремнии Рис. 1.12. Конфигурация диффузионных резисторов. L1- размер контактного окна, L2- размер контактной области также невысокое напряжение пробоя Uпро = 5-7 В, как у перехода эмиттер-база.

б Диффузионный резистор на базовом р-слое (рис.1.10,а) является более рас- пространенным, чаще всего используемым в составе интегральных микросхем (ИМС). Тип ичные зн ачени я шири ны р ези стора b = 5,0 - 15 мкм, длины L = 0,1 - 1,0 мм, диапазон номиналов от 100 Ом до 20 кОм. Разброс значений номиналов резисторов в схеме может быть достаточно велик, но на практике удается получить погрешность отклонения номинальных значений (R/R) по- рядка ±3 % и менее. Эта особенность характерна для всех полупроводниковых резисторов и во многом зависит от качества разработки топологии ИС.





Конструкции полупроводниковых резисторов на эпитаксиальном слое пред- ставлены на рис.1.10,г, д. Эпитаксиальный слой выполняет в транзисторе роль коллектора и слабо легирован. Концентрация легирующей примеси в нем по - стоянна по объему в отличие от диффузионных резисторов. В конструкции, показанной на рис. 1.10, д, площадь сечения уменьшена за счет его поджатая р-слоем. В сущности, это есть пинч-резистор на эпитаксиальном слое в отличие от пинч-резистора рис. 1.10, в, где он реализован на базовом слое. Необходимая конфигурация резисторов на эпитаксиальном слое обеспечивается с помо - щью достаточно продолжительной разделительной диффузии, проводимой на всю глубину эпитаксиального слоя. Погрешность номинала R/R таких резисторов может быть несколько выше (до ± 25 %), чем у резисторов на базовом слое, что объясняется трудностью регулирования их номинала из-за наличия боко- вой диффузии под окисел, особенно при толщине эпитаксиальной пленки более 5,0 мкм (боковой уход примеси может составлять 60 - 80 % от толщины эпитак- сиального слоя). Резисторы имеют большой ТКС и большие номиналы сопротив- ления, как правило, десятки и сотни кОм.

Резистор, полученный ионным легированием на р-слое, показан на рис. 1.10, е.

Метод ионного легирования позволяет изготавливать такие резисторы малой толщины и с регулируемой концентрацией примеси как на р-, так и на n- слоях. Номиналы их сопротивлени я обычно составляют десятки и сотни кОм. Они имеют достаточно высокую точность (R/R = ± (15 - 20) %), срав- нимую с точностью пленочных резисторов, что объясняется особенностями ме- тода ионного легирования. Контактные р-области ионного легированного ре- зистора получают с помощью диффузии, так как без их наличия трудно соз- дать надежные контакты к тонкому р-слою, полученному ионным внедрением примеси в полупроводник (рис. 1.10, е) 1.4.2. Расчет диффузионных резисторов Представим номинальное значение объемного электрического сопротивления резистора как где v - удельное объемное сопротивление резистора; 1 - длина пути электриче- ского тока, протекающего через резистор; S - сечение тела резистора.

Известно, что где а - удельная электропроводность; е - заряд электрона; nр, nn, µр, µn соответ- ственно концентрации и подвижности дырок и электронов. При NД>>NА, т.е. когда концентрация доноров значительно больше концентрации акцепто- ров, справедливо выражение v nV=(ennµn)-Аналогично при NA >> NД v V=(enµ)-Так как S = Хднф*b, где Хднф - глубина (толщина) диффузионного слоя, являю- щегося телом резистора, a b - ширина тела резистора, то для диффузионного ре- зистора можно записать (1.18) где v- среднее удельное объемное сопротивление диффузионного слоя; 1и b - длина и ширина участка поверхности, на котором проводилась диффузия.

Отношение pv /Xд обозначим через ps, где ps - сопротивление участка иф диффузионного слоя определенной толщины, заключенного между противо- положными сторонами квадрата. Размерность ps - Ом и условно размерность ps обозначают как Ом/.

Тогда (1.18) перепишем как (1.19) Таким образом, чтобы задать R, необходимо задать значения ps, I, b.

Запишем выражение для среднего у дельного объемного сопротивления диффузионного слоя (легированного примесью р-типа) Pv=[eµ(N)N(x)]-1, (1.20) где µ(N) - усредненное по концентрации примеси значение подвижности;

N(x) - усредненное по толщине диффу зионного слоя значение концентрации примеси.

Подсчитаем выражения µ(N) N(x) µ(N) может быть аппроксимировано выражениями (1.21) по рис. 1.µ(N) = µp0 при NN1 (1.21) Для типовых транзисторных структур Nk = N1 =1.5*1015 см-3, NS =5*1018см-С учетом выражения для N(x), получаемого при базовой диффузии или или Поскольку N(X) примет окончательный вид Подставляя (1.21 и(1.22 ) в (1.20), полу чаем Тогда Для базовой диффузионной области 1.4.3. Расчет ширины и длины резистора Исходными данными для определения геометрических размеров резистора являются: номинал R и допуск на номинал R = R/R, удельное поверхностное сопротивление ps, средняя мощность рассеяния Р, допустимая мощность рас- сеяния P0 = 1-5 Вт/мм2, минимальный габаритный размер резистора, опреде- ляемый разрешающей способностью технологии, температурный диапазон работы резистора: ТМ и ТМIN, а также другие конструкторско - технологиче- AX ские ограничения и рекомендации для проектирования. В соответствии с но- миналом R выбирается определенная конфигурация резистора. Для высокоом- ных резисторов (1-10 кОм) рекомендуются конфигу рации, приведенные на рис. 1.12, а,б, для низкоомных резисторов (50 -200 Ом) - конфигу рация, пока- занная на рис.1.12,г, для резисторов с номиналом от 200 Ом до 1 кОм - конфи- гу рация, соответствующая изображенной на рис. 1.12, в.

Расчет резисторов начинают с определения ширины резистора. За расчетное значение ширины резистора bрас принимают наибольшее значение из значе- ний (bтехн, bточн, bp}, где bтехн - минимальная технологическая ширина резистора.

bтехн > = (4-5) мкм; bР - ширина, определяемая мощностными характеристиками резистора; b определяют в соответствии существующими допусками.

Таким образом, bр> = {bтехн, bточн, bР}.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 8 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.