Разработка топологии генератора ИМС управления реле задних противотуманных огней

Содержание

С.

Введение 5

1 Общие принципы построения топологии биполярных ИМС 6

1.1 Выбор физической структуры разрабатываемой ИМС 7

1.2 Основные правила проектирования топологии ИМС 9

2 Проектирование и расчет геометрических размеров элементов ИМС 13

2.1 Проектирование и расчет биполярных интегральных

транзисторов 13

2.2 Расчет геометрических размеров резисторов 16

3 Разработка библиотеки элементов генератора 18

3.1 Расчет геометрических размеров биполярного n-p-n

транзистора 18

3.2 Расчет геометрических размеров биполярного

p-n-p транзистора 19

3.3 Расчет геометрических размеров диффузионного

резистора 21

3.4 Расчет геометрических размеров транзистора с инжекционным

питанием 22

4 Проектирование топологии ИМС 25

Заключение 26

Список использованных источников 27

Приложение А Принципиальная электрическая схема генератора

ИМС управления реле задних противотуманных огней

Приложение Б Эскиз топологии генератора ИМС управления реле

задних противотуманных огней.

введение

Основной тенденцией в современных полупроводниковых ИМС является увеличение степени интеграции. Это, как правило, проявляется в усложнении процесса проектирования топологии ИМС и в итоге появляющегося большего числа ошибок на стадии проектирования. Поэтому можно сказать, что разработка топологии ИМС является наиболее важной и ответственной операцией при проектировании любой ИМС.

В практике проектирования топологии существует много подходов. К одному из них можно отнести следующие этапы проектирования:

получение исходных данных;

расчет геометрических размеров активных и пассивных элементов;

разработка эскиза топологии;

разработка предварительных вариантов топологии;

выбор окончательного варианта топологии и его оптимизация.

Целью данного курсового проекта является расчет геометрических размеров элементов генератора ИМС, проектирование топологии данной схемы. Исходными данными при этом являются: схема электрическая принципиальная и технологические параметры.

Научной новизны курсовой проект не имеет. Практическая значимость заключается в том, что разработана топология полупроводниковой ИМС с заданными, в задании на проектирование, параметрами.

Разработанная топология полупроводниковой ИМС – это законченный элемент ИМС, который можно использовать при проектировании аналоговых микросхем.

1 Общие принципы построения топологии биполярных Имс

Общего подхода к проектированию биполярных транзисторов нет и быть не может, каждый тип характеризуется своими особенностями. Транзисторы даже однотипных конфигураций отличаются тем, в каких схемах они используются.

1.1 Выбор физической структуры разрабатываемой ИМС

Основной структурой, определяющей электрические параметры и характеристики микросхемы, является транзистор. Поэтому, исходя из требований, предъявляемых к транзистору, производят выбор физической структуры различных областей [1], т.е. задаются определенными электрофизическими параметрами, к числу которых относятся: концентрация легирующих примесей, подвижность носителей заряда, время жизни и скорость поверхностной рекомбинации неосновных носителей заряда, удельное сопротивление материала, диэлектрическая проницаемость материала. Для расчета остальных элементов используется выбранная физическая структура основного транзистора.

В настоящее время существуют два основных вида физической структуры ИМС: микросхемы на основе биполярных транзисторов и микросхемы на основе МОП - структуры. Наибольшее количество слоев имеют микросхемы на основе биполярных транзисторов (рис. 1.1). Это скрытый n⁺-слой, эпитаксиальный, p⁺ - разделительный, базовый, эмиттерный, специальный резистивный, и т.д.. Для изготовления микросхем на основе МОП – транзисторов необходим лишь один диффузионный слой.

Рисунок 1.1 - Физическая структура биполярного n-p-n транзистора со скрытым n⁺-слоем

Удельное сопротивление подложки выбирается исходя из требований к рабочему напряжению коллекторного перехода транзистора. При этом напряжение пробоя перехода коллектор-подложка должно быть больше, чем пробивное напряжение перехода коллектор-база. Удельное сопротивление подложки должно быть как можно большим. Это обеспечивает одновременно малую паразитную емкость перехода коллектор-подложка, но и надо иметь в виду, что одновременно будет увеличиваться сопротивление тела подложки, а это есть паразитный параметр, который сказывается на частотных свойствах. Удельное сопротивление подложки ? - должно выбираться компромиссным путем из диапазона 1...10 Ом?см. Толщина подложки должна обеспечивать механическую прочность микросхемы и она выбирается из диапазона h_р =250...500 мкм.

Уровень легирования Эпитаксиального слоя выбирается исходя из нескольких противоречивых требований:

-для высокого пробивного напряжения изолирующего перехода и для малой удельной емкости переходов необходимо, чтобы уровень легирования эпитаксиального слоя был как можно меньше (но чуть больше уровня легирования подложки);

-для уменьшения последовательного сопротивления тела коллектора, которое влияет на частотные свойства, уровень легирования должен быть как можно выше.

Эти противоречивые требования приводят к следующему компромиссу: сопротивление эпитаксиальной пленки выбирается таким, чтобы оно обеспечивало заданное высоковольтное напряжение самого высоковольтного транзистора с учетом способа его изготовления. Это приводит к выбору значения удельного сопротивления из диапазона ?_к = 0,15…5 Ом?см. Но при всех реальных параметрах транзисторов такие значения удельного сопротивления приводят к завышенному значению сопротивления тела коллектора. Во избежании этого вводят высоколегированный n+-слой.

Толщина эпитаксиальной пленки должна по возможности быть как можно меньше, но существует следующее ограничение:

, (1.1)

где h_эп - глубина залегания коллекторного перехода;

- глубина проникновения n+-области в эпитаксиальный слой при всех температурных режимах формирования структуры;

- ширина области пространственного заряда перехода коллектор-база при рабочем напряжении;

- все технологические погрешности.

Скрытый n+-слой изготавливается для того, чтобы обеспечить минимальное сопротивление тела коллектора. Исходя из этой задачи скрытый слой должен быть максимально легирован, но должна быть обеспечена невозможность смыкания этого слоя с базой при подаче на этот переход коллектор-база рабочего напряжения. При этом расползание слоя при дальнейших технологических операциях должно быть строго контролировано. Поверхностное сопротивление скрытого слоя обычно составляет R_S^СС = 6...8 Ом/квадрат, толщина h_сс = 3...8 мкм, поверхностная концентрация легирующих примесей (часто это сурьма из-за невысокого коэффициента диффузии при высоких температурах) R_S^СС = 10¹⁸…10¹⁹ см^-3.

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 N_S^б ? 5?10¹⁶ см^-3, то это может привести к инверсии проводимости поверхностного слоя базы и выходу транзистора из строя.

Поверхностная концентрация примесей составляют примерно N_S^б = 10¹⁶…10¹⁹ см^-3. Толщина металлургической базы ?₀ = 0,5…1,0 мкм, среднее удельное сопротивление базовой области ?_б = 0,1…1,0 Ом?см, поверхностное сопротивление пассивной базы R_Sб^П = 100…200 Ом/квадрат, поверхностное сопротивление активной базы R_Sб^а = 5…20 кОм/квадрат.

Уровень легирования эмиттерной области должен быть как можно выше. Но если уровень легирования достигает N_S^Э ? 10²¹ см ^-3, тогда уменьшается время жизни носителей заряда, что приводит к уменьшению эффективности эмиттера. Поэтому уровень легирования выбирается из диапазона N_S^Э = 10¹⁹…5?10²⁰ см^-3, поверхностное сопротивление составляет R_Sэ = 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 R_S ? 0,05 Ом/квадрат Значение R_S 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.

1.2 Основные правила проектирования топологии ИМС

Главное требование при разработке топологии - максимальная плотность упаковки элементов при минимальном количестве пересечений межэлементных соединений. При этом обеспечивается оптимальное использование площади кристалла при выполнении всех конструктивных и технологических требований и ограничений. Исходными данными при разработке топологии являются принципиальная электрическая схема, технологические и конструктивные требования и ограничения.

При разработке топологии ИМС придерживались следующих основных правил проектирования топологии полупроводниковых ИМС с изоляцией p-n-переходом [1]:

1). Для учета влияния диффузии примеси под маскирующий окисел, растравливания окисла, ошибок фотолитографии при составлении топологической схемы все элементы схем, кроме контактных площадок, рекомендуется размещать на расстоянии от щели под разделительную диффузию, равном удвоенной толщине эпитаксиального слоя.

2). К изолирующим p-n-переходам всегда должно быть приложено напряжение обратного смещения, что практически осуществляется подсоединением подложки p-типа, или области разделительной диффузии p-типа, к точке схемы с наиболее отрицательным потенциалом. При этом обратное напряжение, приложенное к изолирующему p-n - переходу, не должно превышать напряжения пробоя.

3). При размещении элементом микросхем и выполнении зазоров между ними необходимо строго выполнять ограничения, соответствующие типовому технологическому процессу.

4). Резисторы, формируемые на основе базового диффузионного слоя, можно располагать в одной изолированной области, которая подключается к самому положительному потенциалу схемы, т.е. к коллекторному источнику питания.

5). Резисторы на основе эмиттерного и коллекторного слоев следует располагать в отдельных изолированных областях.

6). Реальная форма резисторов, кроме ширины полоски, не является критичной. Резисторы могут быть прямыми, изогнутыми или иметь любую другую форму, однако во всех случаях отношение длины резистора к его ширине должно быть согласовано с удельным сопротивлением исходного диффузионного слоя и обеспечено получением заданного номинала. Высокоомные резисторы следует выполнять в виде параллельных полосок с перемычками между ними. Номинальное сопротивление резистора в этом случае будет выдержано более точно, чем при изогнутом резисторе.

7). Для уменьшения мест локального нагрева резисторы с большой рассеиваемой мощностью не следует располагать вблизи активных элементов, а рекомендуется выносить из на край кристалла.

8). Резисторы, у которых нужно точно выдержать отношение номиналов, должны иметь одинаковую ширину и конфигурацию и располагаться рядом с друг другом. Это правило относится и к другим элементам микросхем, для которых требуется обеспечить согласование характеристик, т.е. их топологии должны быть одинаковы, а взаимное расположение - как можно более близким.

9). Любой диффузионный резистор может пересекаться проводящей дорожкой, так как проведение металлического проводника по слою двуокиси кремния, покрывающего резистор, не оказывает существенного вредного влияния.

10). Форма и место расположения конденсаторов не является критичными.

11). Для диффузионных конденсаторов требуются отдельные изолированные области. Исключение составляют случаи, когда один из выводов конденсатора является общим с другой изолированной областью.

12). Транзисторы n-p-n-типа, работающие в режиме эмиттерного повторителя, можно размещать в одной изолированной области вместе с резисторами.

13). Все коллекторные области n-типа, имеющие различные потенциалы, должны быть изолированы.

14). Для каждого диода, формируемого на основе перехода коллектор-база, должна быть предусмотрена отдельная изолированная область. Диоды, формируемые на основе перехода эмиттер-база, можно размещать в одной изолированной области.

15). Для улучшения развязки между коллекторными изолированными областями контакт к подложке рекомендуется выполнять в непосредственной близости от мощного транзистора.

16). Для диффузионных областей требуются отдельные изолированные области.

17). Для уменьшения паразитной емкости между контактными площадками и подложкой под каждой из них рекомендуется создавать изолированную область. В этом случае емкость между контактной площадкой и подложкой оказывается включенной последовательно с емкостью изолирующего перехода и, следовательно, результирующая паразитная емкость уменьшается.

18). Соединения, используемые для ввода питания и заземления, следует выполнять в виде коротких широких полосок, что обеспечивает уменьшение паразитных сопротивлений.

19). Число внешних выводов в схеме, а также порядок расположения и обозначения контактных площадок выводов микросхем на кристалле должны соответствовать выводам корпуса.

20). Коммутация элементов микросхем должна иметь минимальное количество пересечений. Если полностью избежать пересечений не удается, их можно осуществить, используя обкладки конденсаторов, формируя дополнительные контакты к коллекторным областям транзисторов, применяя диффузионные перемычки и создавая дополнительные слои изоляции между пересекающимися проводниками. При разработке топологической схемы необходимо стремиться к получению минимально возможной длины межэлектродных соединений.

21). Когда наличие паразитных емкостей не существенно, резисторы могут быть размещены в тех же изолированных областях, что и транзисторы. При этом не имеет значения, должны ли они соединяться между собой. Расстояние между резисторами должно быть не менее 10 мкм. Коллектор транзистора и резистор должны располагаться на расстоянии не менее 12 мкм.

22). Расстояние между диффузионной базовой областью и контактом коллектора может быть увеличено, чтобы провести одну или две металлические дорожки между контактами коллектора и базы. Это можно сделать, так как коллекторный ток главным образом протекает от базы через скрытый слой к коллекторному контакту. Однако чем больше расстояние между базой и коллектором, тем больше паразитное сопротивление и паразитная емкость коллектора. Металлический проводник не может быть размещен между контактами базы и эмиттера за счет удлинения диффузионного базового слоя.

23). Наиболее важным правилом при разработке топологии является минимизация площади, занимаемой микросхемой. Это позволяет увеличить число микросхем, изготовляемых на пластине с заданным диаметром. Кроме того, необходимо учесть, что вероятность случайных дефектов в полупроводниковом кристалле возрастает с увеличением площади. Размеры микросхем зависят от числа изолирующих областей и их площадки, а также от суммарной площади соединительной металлизации, включая площадь, занимаемую контактными площадками.

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

l_e = 3d_min + ? , (2.1)

где d_min - минимальный геометрический размер, обеспечиваемый используемым методом литографии.

Далее определяем максимальный удельный ток для произвольного случая по формуле

, (2.2)

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

? - максимальное значение коэффициента передачи тока;

. (2.3)

При ? < 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 l_e и b_e.

l_b ? l_e + 4d_min + 2?_фш + ?_совм , (2.4)

b_b ? b_e + 2d_min + 2?_фш + ?_совм , (2.5)

где ?_совм – погрешность при совмещении фотошаблонов,

?_фш – 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 – R_S, мощность рассеяния – P; погрешность номинала – Y_R, температурный диапазон работы – ?T, b_min, 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 К_ф > 1, то расчет начинаем с расчета b

Если К_ф < 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 Y_Кф - относительная погрешность изготовления резисторов;

Y_R - относительная погрешность номинала резистора;

Y_Rs - относительная погрешность поверхностного сопротивления;

- относительная погрешность изменения номинала при изменении температуры.

Затем зная b_расч и К_ф определяем l_расч,

l_расч = К_ф?b_расч. (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 b_расч это эффективная, а не топологическая ширина резистора.

, (2.21)

где b_расч - топологическая ширина резистора (ширина на фотошаблоне);

- расползание диффузии в боковую область при диффузии.

. (2.22)

3 РАЗРАБОТКА БИБЛИОТЕКИ ЭЛЕМЕНТОВ ГЕНЕРАТОРА

Принципиальная электрическая схема генератор представленная в приложении . Она состоит из 35 элементов, из них: 14 n-p-n транзистора, 8 p-n-p транзисторов, 6 резисторов и 7 планарных транзисторов с инжекционным питанием (И²Л – логика). Таким образом, для создания библиотеки элементов цифра – аналогового преобразователя необходимо рассчитать геометрические размеры 1 n-p-n транзистора, 1 p-n-p транзисторов и резистора.

3.1 Расчет геометрических размеров биполярного n-p-n транзистора

Расчет геометрических размеров n-p-n транзистора производится в соответствии с методикой приведенной в пункте 2.1., следовательно, все расчет производятся исходя из размеров области эмиттера. Расчет области эмиттера производим исходя из минимального геометрического размера достижимого используемым методом литографии (по формуле 2.1) и по максимальному эмиттерному току (по формуле 2.2). Но так как мы не имеем исходных данных для расчета по этим формулам то, размер эмиттерной области можно провести по эмпирической формуле, полученной опытным путем.

I _эmах=0,16 П_эф, (3.1)

где I_эmах – эмиттерный ток, превышение которого вызывает переход к высокому уровню инжекции;

П_эф – эффективный периметр эмиттера.

Так как в задании на курсовой проект не указан максимальный удельный ток эмиттера, то исходя из того что схема маломощная примем I_эmах = 2 мА.

Размеры эмиттера определяются упрощенной формулой 3.1.

П_эфф = =12,5 мкм

При работе транзистора фактически инжектирует только та часть эмиттера, которая ближе к базовому контакту. Тогда расчетный размер эмиттера выберем равным 14 мкм. Таким образом, эмиттер транзистора будет иметь квадратную форму со стороной b_э = l_э = 14 мкм, а размер контактного окна к эмиттерной области выберем равным минимальному размеру окна в окисле d_min = b_эк = l_эк = 6 мкм.

Из задания на курсовой проект погрешность совмещения фотошаблонов и погрешность при изготовлении фотошаблона равны ?_совм = ?_фш =0,5 мкм, минимальный размер окна в окисле d_min = 6 мкм.

Все остальные геометрические размеры транзистора рассчитываются по формулам, приведенным в пункте 2.

Длина области базы рассчитывается по формуле 2.4

l_б ? 14 + 4?6 + 2?0,5 + 0,5 = 39,5 мкм.

Примем l_б = 40 мкм.

Ширина области базы рассчитывается по формуле 2.5

b_б ? 14 + 2?6 + 2?0,5 + 0,5 = 27,5 мкм.

Примем b_б = 28 мкм.

Длина окна контакта к базовой области равна минимальному размеру окна в окисле l_бк = d_min = 6 мкм, ширина

b_бк ? b_б – 2d_min + 2?_фш + ?_совм = 28 – 12 + 1 + 0,5 = 15,5 мкм.

Примем b_бк = 14 мкм.

a ? h_эс+ x_jкб+2?_фш + ?_совм = 8 + 2,5 + 1 + 0,5 = 12 мкм,

с h_эс+x_jэб+2?_фш + ?_совм = 8 + 1,7 + 1 + 0,5 = 11,2 мкм.

Примем с = 12 мкм.

f x_iкб+x_jэб+2?_фш + ?_совм = 2,5 + 1,7 + 1 + 0,5 = 5,7 мкм.

Примем f = 6 мкм.

= 28 + 24 + 1 + 0,5 = 53,5 мкм.

Примем b_к = 54 мкм.

Геометрические размеры подконтактной области коллектора рассчитываются по формулам

= 18 + 1 + 0,5 = 19,5 мкм.

Примем l_кк = 18 мкм.

= 54 – 24 + 1 + 0,5 = 31,5 мкм.

Примем b_кк = 30 мкм.

= 40 + 18 + 12 + 12 + 6 + 1 +0,5 =

= 89,5 мкм,

Примем l_к = 90 мкм.

3.2 Расчет геометрических размеров биполярного p-n-p транзистора

Горизонтальный транзистор отличатся от вертикального тем, что до коллекторной области доходят только те носители, которые инжектируют боковой частью эмиттерного перехода в горизонтальном направлении. Донная инжекция дырок является паразитной. Однако, при наличии скрытого слоя этот эффект исключается, т.к. скрытый слой играет роль отражателя носителей заряда, тем самым повышая коэффициент усиления. Также, для увеличения коэффициента усиления область коллектора полностью окружает эмиттерную область. Графическое изображение p-n-p транзистора приведена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 Физическая структура биполярного p-n-p транзистора со скрытым n⁺-слоем

Расчет линейных размеров p-n-p транзистора производится аналогично расчету n-p-n транзистора, рис.3.3. Следовательно, размер эмиттера p-n-p транзистора будет равным размерам n-p-n транзистора, т.е. b_э = l_э = 14 мкм, а размер контактного окна к эмиттерной области выберем равным минимальному размеру окна в окисле d_min = b_эк = l_эк = 6 мкм.

Ширину базы W рассчитаем по соотношению

W ? 2x_jб + 2?_фш + ?_совм = 2?2,5 + 1 +0,5 = 6,5 мкм.

Примем W = 8 мкм

l_к ? l_e + 2W + 4d_min + 2?_фш + ?_совм = 14 + 2?8 + 4?6 + 1 +0,5 = 55,5 мкм.

Примем l_к = 56 мкм.

b_к ? b_e + 2W + 2d_min + 2?_фш + ?_совм = 14 + 2?8 + 2?6 + 1 +0,5 = 43,5 мкм.

Примем b_к = 44 мкм.

Длина окна контакта к коллекторной области равна минимальному размеру окна в окисле l_кк = d_min = 6 мкм, ширина

b_кк ? b_к – 2d_min + 2?_фш + ?_совм = 44 – 12 + 1 + 0,5 = 33,5 мкм.

Примем b_бк = 32 мкм.

a ? h_эс+ x_jкб+2?_фш + ?_совм = 8 + 2,5 + 1 + 0,5 = 12 мкм,

с h_эс+x_jэб+2?_фш + ?_совм = 8 + 1,7 + 1 + 0,5 = 11,2 мкм.

Примем с = 12 мкм.

f x_iкб+x_jэб+2?_фш + ?_совм = 2,5 + 1,7 + 1 + 0,5 = 5,7 мкм.

Примем f = 6 мкм.

= 44 + 24 + 1 + 0,5 = 69,5 мкм.

Рисунок 3.3 - Топологический чертеж маломощного p-n-p транзистора

Примем b_б = 70 мкм.

Геометрические размеры подконтактной области базы рассчитываются по формулам

= 18 + 1 + 0,5 = 19,5 мкм.

Примем l_бк = 18 мкм.

= 70 – 24 + 1 + 0,5 = 47,5 мкм.

Примем b_бк = 46 мкм.

= 56 + 18 + 12 + 12 + 6 + 1 +0,5 =

= 105,5 мкм,

Примем l_к = 106 мкм.

3.3 Расчет геометрических размеров диффузионного резистора

В схеме генератора (Приложение 1) присутствуют 6 резисторов. Наибольшее распространение получили диффузионные резисторы на основе базовой диффузии.

Так как все резисторы выполнены на одном слое, то нет необходимости приводить подробные расчеты каждого резистора. Для примера, возьмем резистор R4 с номиналом 6 кОм, и проведем расчет его геометрических размеров по методике описанной в пункте 2.2, при R_s = 250 Ом/?.

Расчет начинаем с определения коэффициента формы:

Так как К_ф > 1, то расчет начинаем с расчета b.

Ширина резистора рассчитывается по формуле 2.21, b_топ = d_min = 6 мкм.

,

где b_расч = 6 + 2?(0,8?2,5) = 10 мкм

Затем, зная b_расч и К_ф определяем l_расч,

l_расч = К_ф?b_расч = 24?10 = 240 мкм.

3.4 Расчет геометрических размеров транзистора с инжекционным

питанием

Как уже было замечено выше, в схеме генератора имеется 7 элементов инжекционной логики, т.е. транзисторы с инжекционным питанием (рисунок 3.4). В отличие от структуры обычного планарного транзистора, структура содержит еще один электрод – инжектор p₁. Второе отличие заключается в изменении функций электронных областей n₁ и n₂: n₁–область служит эмиттером, а n₂–область – коллектором. Таким образом, транзистор с инжекционным питанием представляет собой 4-х слойную структуру p₁-n₁-p₂-n₂ типа, в которой можно выделить два транзистора: n-p-n и p-n-p типа.

Транзистор p-n-p типа образован инжекторной p₁-областью, играющей роль эмиттера, частью эмиттерной n₁-области, служащей базой, и базовой p₂-областью, выполняющей функцию коллектора.

Транзистор n-p-n типа образован частью эмиттерной n₁-области, частью базовой p₂-области и коллекторной n₂-областью.

Рисунок 3.4 - Физическая и топологическая структура транзистора

с инжекционным питанием

Расчет геометрических размеров транзистора с инжекционным питанием проводится по тем же формулам что и остальные транзисторы.

Таким образом, эмиттерная область транзистора будет иметь квадратную форму со стороной b_э = l_э = 14 мкм, а размер контактного окна к эмиттерной области выберем равным минимальному размеру окна в окисле d_min = b_эк = l_эк = 6 мкм.

Все остальные геометрические размеры транзистора рассчитываются по следующим формулам:

Длина области базы рассчитывается по формуле

l_b ? 3l_e + 6d_min + 2?_фш + ?_совм

l_б ? 42 + 36 + 2?0,5 + 0,5 = 79,5 мкм.

Примем l_б = 80 мкм.

Ширина области базы рассчитывается по формуле 2.5

b_б ? 14 + 2?6 + 2?0,5 + 0,5 = 27,5 мкм.

Примем b_б = 28 мкм.

Длина окна контакта к базовой области равна минимальному размеру окна в окисле l_бк = d_min = 6 мкм, ширина

b_бк ? b_б – 2d_min + 2?_фш + ?_совм = 28 – 12 + 1 + 0,5 = 15,5 мкм.

Примем b_бк = 14 мкм.

a ? h_эс+ x_jкб+2?_фш + ?_совм = 8 + 2,5 + 1 + 0,5 = 12 мкм,

с h_эс+x_jкб+2?_фш + ?_совм = 8 + 2,5 + 1 + 0,5 = 12 мкм.

f 2x_iкб+2?_фш + ?_совм = 5 + 1 + 0,5 = 6,5 мкм.

Примем f = 7 мкм.

= 28 + 24 + 1 + 0,5 = 53,5 мкм.

Примем b_к = 54 мкм.

Геометрические размеры подконтактной области коллектора рассчитываются по формулам

= 18 + 1 + 0,5 = 19,5 мкм.

Примем l_кк = 18 мкм.

= 54 – 24 + 1 + 0,5 = 31,5 мкм.

Примем b_кк = 30 мкм.

= 80 + 18 + 12 + 12 + 6 + 1 +0,5 =

= 129,5 мкм,

Примем l_к = 130 мкм.

4 Проектирование топологии ИМС

Исходными данными являются принципиальная электрическая схема геометрические размеры элементов. На этом этапе решаются такие вопросы, как определение необходимого числа изолированных областей, минимизация возможного числа пересечений коммутационных шин элементов и длины шин.

Все транзисторы данной ИМС выполнены по стандартной конфигурации рис.1.1, рис.3.2. и рис. 3.4.

Транзисторы VT5, VT6, VT12 и VT13 выполняют роль токового зеркала с коэффициентом отражения равному 0,5. Для обеспечения подобного режима работы необходимо уменьшить площадь коллектора в два раза. Схемотехнически удобнее выполнить эти транзисторы в одном кармане, с общей базой и общим эмиттером.

Резистор R2 номиналом 40 кОм имеет сложную форму, т.е. выполнен в виде меандра. Все резисторы помещены в один изолирующий карман, и подключается к самому положительному потенциалу схемы, т.е. к коллекторному источнику питания.

При проектировании топологии генератора использовалось два слоя металлизации, т.к. коммутация элементов одним слоем была затруднительна. Для уменьшения паразитной емкости между контактными площадками и подложкой под каждой из них создана изолированная область.

Топологический чертеж принципиальной схемы приведен в Приложении 2.

заключение

На основе исходных данных приведенных в задании была разработана библиотека элементов и рассчитаны геометрические размеры элементов. На основе рассчитанных элементов был разработан эскиз топологии генератора ИМС управления реле задних противотуманных огней.

список использованных источников

1. Матсон Э.А., Крыжановский Д.В. Справочное пособие по конструированию микросхем Мн.: Высш. шк. 1982

2. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для вузов. Коледов Л.А., Волков В.А., Докучаев Н.Н. и др.; Под ред. Л.А. Коледлва.-М.: Высш. шк., 1984. 231с., ил.

3. Березин А.С., Мочалкина О.В. Технология и конструирование интегральных схем М. Радио и связь 1983 г

4. Курносов. А. И., Юдин В. В. Технология производства полупроводниковых и интегральных микросхем – М.: Высшая школа, 1986 г. – 368 с.