Основы проектирования интегральных микросхем широкополосного усилителя (стр. 2 из 4)

Базовая область изготавливается методом диффузии, поэтому является неоднородно легированной. Степень легирования выбирается из следующих требований:

-для увеличения напряжения пробоя перехода эмиттер-база и эффективности эмиттера следует легировать базу как можно меньше;

-снижение уровня легирования увеличивает паразитное сопротивление базы и ухудшает частотные характеристики транзистора;

-если базу слабо легировать, так что поверхностная концентрация будет составлять NSб ≤ 5∙1016 см-3, то это может привести к инверсии проводимости поверхностного слоя базы и выходу транзистора из строя.

Поверхностная концентрация примесей составляют примерно NSб = 1016…1019 см-3. Толщина металлургической базы ω0 = 0,5…1,0 мкм, среднее удельное сопротивление базовой области ρб = 0,1…1,0 Ом∙см, поверхностное сопротивление пассивной базы RSбП = 100…200 Ом/квадрат, поверхностное сопротивление активной базы RSба = 5…20 кОм/квадрат.

Уровень легирования эмиттерной области долже быть как можно выше. Но если уровень легирования достигает NSЭ ≈ 1021 см -3, тогда уменьшается время жизни носителей заряда, что приводит к уменьшению эффективности эмиттера. Поэтому уровень легирования выбирается из диапазона NSЭ = 1019…5∙1020 см-3, поверхностное сопротивление составляет RSэ = 5…7 Ом/квадрат. Глубина залегания перехода эмиттер-база определяется, как:

,(1.2)

Глубина разделительной диффузии должна быть чуть больше толщины эпитаксиальной пленки, так чтобы обеспечивалось слитие этой области с подложкой. Уровень легирования этой области должен быть достаточно высок для эффективной изоляции p-n перехода на кристалле повышенной площади.

В полупроводниковых микросхемах в качестве межэлементных соединений применяются проводники из пленки алюминия. Для исключения пересечений проводников используется 3 основных метода: многослойная металлизация, прокладка шин металлизации над каналами резисторов, защищенными слоем SiO2 и проводящие диффузионные перемычки под слоем двуокиси кремния.

Минимальная ширина металлизированной дорожки (при заданной ее толщине) определяется допустимой плотностью тока. Толщина слоя Al шин металлизации составляет порядка 1,5 мкм и шина имеет удельное сопротивление слоя RS ≈ 0,05 Ом/квадрат Значение RS для пленки приблизительно в 2,5…3 раза превышает значение, получаемое из удельного сопротивления алюминия. Это связано с миграцией Al от коллекторных контактов выходных транзисторов, что повышает сопротивление тела коллектора, рост нитей Al, приводит к закорачиванию эмиттерных p-n переходов и другое.

Геометрические размеры контактных площадок определяются базовой технологией изготовления микросхем и составляют часто 100 × 100 мкм. Площадь контактных площадок должна обеспечивать хорошее соединение. Их целесообразно размещать под отдельными изолированными областями для уменьшения результирующей паразитной емкости и исключение опасности коротких замыканий при дефекте в окисле.

2 Проектирование и расчет геометрических размеров элементов ИМС

В данном разделе приведена методика расчетов геометрических размеров биполярных транзисторов и геометрических размеров резисторов.

2.1 Расчет биполярных интегральных транзисторов

В полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах основным является n-p-n транзистор. Все n-p-n транзисторы можно разделить на 2 группы:

а. Универсальные,

б. Специальные.

Универсальные в свою очередь делятся на: микро и маломощные (рассеиваемая мощность в диапазоне 0,3…3 мВт), транзисторы средней мощности (3…25мВт), мощные транзисторы (более 25мВт). Специальные делятся на: многоэмиттерный транзистор и p-n-p транзистор.

Выбор геометрических размеров транзисторов, количество эмиттеров, базовых и коллекторных контактов и их форма определяются требованиями к параметрам. Максимальная плотность эмиттерного тока, превышение которой приводит к уменьшению коэффициента усиления транзистора, ограничивает рабочий ток. Определение размеров эмиттерной области а, следовательно, и топологии транзистора проводится исходя из обеспечения максимального коэффициента усиления при рабочем токе эмиттера [2].

Расчет геометрических размеров эмиттерной области ведется следующим образом. Длина эмиттерной области рассчитывается по формуле

le = 3dmin + Δ,(2.1)

где

dmin-минимальный геометрический размер, обеспечиваемый используемым методом литографии.

Далее определяем максимальный удельный ток для произвольного случая по формуле

,(2.2)

где

Iemax-эмиттерный ток, превышение которого вызывает переход к высокому уровню инжекции;

β-максимальное значение коэффициента передачи тока;

.(2.3)

При ψ < 1 рабочей или “активной” является левая часть эмиттера, ближайшая к базовому контакту.

После определения геометрических размеров эмиттерной области транзистора необходимо определить полные геометрические размеры этого элемента. Для примера выберем одну из конфигураций транзистора (рис.2.1).

Найденные исходные данные le и be.

lb ≥ le + 4dmin + 2Δфш + Δсовм ,(2.4)

bb ≥ be + 2dmin + 2Δфш + Δсовм ,(2.5)

где

Δсовм–погрешность при совмещении фотошаблонов,

Δфш–погрешность при изготовлении фотошаблонов.

,(2.6)

,(2.7)

где

a-минимальное расстояние между краем разделительной диффузии и краем диффузии n+- слоя к коллектору.

,(2.8)

,(2.9)

.(2.10)

Рисунок 2.1 - Топологический чертеж маломощного n-p-n транзистора

Размеры коллектора определяются как

,(2.11)

.(2.12)

По такой же методике рассчитываются геометрические размеры таких элементов, как p-n-p транзисторы и диоды на основе какого-либо перехода транзистора.

Рассчитанные таким образом линейные размеры транзистора с конкретной конфигурацией является минимально возможным для данного типа технологии и должны быть учтены для конкретных параметров и конкретных областей применения транзистора.

2.2 Расчет геометрических размеров резисторов

Резисторы биполярных микросхем обычно изготавливаются на основе отдельных диффузионных слоев транзисторной структуры или из поликремния.

Исходными данными при проектировании резисторов являются: номинал – R, поверхностное сопротивление слоя, на котором он изготовляется – RS, мощность рассеяния – P; погрешность номинала – YR, температурный диапазон работы – ΔT, bmin, погрешности изготовления –

; удельная мощность рассеяния – P0 и т.д [3].

В диапазоне номиналов от 100 Ом до 50 кОм резисторы изготовляют на основе базового слоя микросхемы. Его обычные параметры:

Расчет начинаем с определения коэффициента формы:

.(2.13)

Если Кф > 1, то расчет начинаем с расчета b

Если Кф < 1, то расчет начинаем с расчета l

Если R = 50…1000 Ом, тогда резисторы делаются прямоугольной формы.Если R > 1…2 кОм, то рекомендуется изготавливать резистор сложной формы с любым числом изгибов и любой длиной прямоугольных участков.

,(2.14)

где

-минимальная ширина резистора, обеспечивающая необходимую рассеиваемую мощность;

-минимальная эффективная ширина резистора, обеспечивающая заданную точность изготовления.

,(2.15)

,(2.16)

,(2.17)

где

YКф-относительная погрешность изготовления резисторов;

YR-относительная погрешность номинала резистора;

YRs-относительная погрешность поверхностного сопротивления;

-относительная погрешность изменения номинала при изменении температуры.

Затем зная bрасч и Кф определяем lрасч,

lрасч = Кф∙bрасч.(2.18)

Рассчитав предварительную длину и ширину резистора необходимо проверить соотношения:

-для резистора прямоугольной формы

,(2.19)

где

k-коэффициент приконтактной области. (Определяется по таблицам, графикам и монограммам.)

-для резистора сложной формы

,(2.20)

где

n-число прямоугольных участков;

(n-1)-число изгибов;

0,55-коэффициент, учитывающий один изгиб.

При этом следует помнить, что bрасч это эффективная, а не топологическая ширина резистора.

,(2.21)