Задание на курсовое проектирование
Тема: Основы проектирования интегральных микросхем широкополосногоусилителя
Срок представления проекта к защите –
Исходные данные для проектирования
Схема электрическая принципиальная, таблица электрическихпараметров элементов усилителя
/>
Содержание пояснительной записки курсового проекта:
Выбор физической структуры полупроводниковой ИМС на БП-транзисторах
Расчёт геометрических размеров элементов ИМС
Разработка эскиза топологии ИМС широкополосного усилителя
Перечень графического материала:
Эскиз топологии ИМС широкополосного усилителя
Руководитель проекта _________________________
Задание принял к исполнению ________________________
Реферат
Пояснительная записка содержит 30 страниц, 3 рисунка, 4использованных источников, 1 приложение.
Перчень ключевых слов: принципиальная схема,широкополосный усилитель, расчет геометрических размеров, эскиз топологии.
Объект разработки: топология ИМС широкополосногоусилителя.
Цель работы: расчет геометрических размеров элементовсхемы усилителя, конструирование эскиза топологии.
Методы разработки: конструирование эскиза топологии спомощью пакета программ AutoCAD.
Полученные результаты: библиотека элементов усилителя,эскиз топологии в формате AutoCAD.
Степень внедрения: не внедрено.
Область применения: не применяется.
Основные конструктивные и технико-эксплуатационныехарактеристики: количество слоев в кристалле – 6, количество элементов впринципиальной схеме –20 элементов, из них: 9 n-p-n транзистора, 9 резисторов.
Содержание
Введение
1. Общие принципы построения топологии биполярных ИМС
1.1 Выбор физической структуры разрабатываемой ИМС
2 Проектирование и расчет геометрических размеровэлементов ИМС
2.1 Проектирование и расчет биполярных интегральных транзисторов
2.2 Расчет геометрических размеров резисторов
3 Разработка библиотеки элементов широкополосногоусилителя
3.1 Расчет геометрических размеров биполярного n-p-n транзистора
3.2 Расчет геометрических размеров диффузионного резистора
4 Основные правила проектирования топологии ИМС
4.1 Проектирование топологии ИМС
Заключение
Список использованных источников
Приложение А. Эскиз топологии широкополосного усилителя
Введение
Основной тенденцией в современных полупроводниковых ИМСявляется увеличение степени интеграции. Это, как правило, проявляется в усложнениипроцесса проектирования топологии ИМС и в итоге появляющегося большего числаошибок на стадии проектирования. Поэтому можно сказать, что разработкатопологии ИМС является наиболее важной и ответственной операцией припроектировании любой ИМС.
В практике проектирования топологии существует многоподходов. К одному из них можно отнести следующие этапы проектирования:
получение исходных данных;
расчет геометрических размеров активных и пассивныхэлементов;
разработка эскиза топологии;
разработка предварительных вариантов топологии;
выбор окончательного варианта топологии и егооптимизация.
Целью данного курсового проекта является расчетгеометрических размеров элементов ИМС широкополосного усилителя, проектированиетопологии данной схемы. Исходными данными при этом являются: схема электрическаяпринципиальная и электрические параметры.
Научной новизны курсовой проект не имеет. Практическаязначимость заключается в том, что разработана топология полупроводниковой ИМС сзаданными, в задании на проектирование, параметрами.
Разработанная топология полупроводниковой ИМС – этозаконченный элемент ИМС, который можно использовать при проектированиианалоговых микросхем.
1 Общие принципы построения топологии биполярных Имс
Общего подхода к проектированию биполярных интегральныхмикросхем нет и быть не может, каждый тип характеризуется своими особенностямив зависимости от требований и исходных данных ИМС. Исходными данными приконструировании микросхем являются: принципиальная электрическая схема сноминальными допусками на электрические параметры элементов, базовыйтехнологический процесс с указанием технологических допусков. Принципиальнаясхема разрабатываемой ИМС широкополосного усилителя приведена на рисунке 1.1, аэлектрические параметры на данную схему в таблице 1.
/>
Рисунок 1.1 – Принципиальная схема широкополосногоусилителя
Таблица 1.Номер резистора Ri, кОм γRi, % PRi, мВт Номер транзистора Imaxэ, мА Uкв, В Номер диода Igi, мА Uкв, В 1,5 4,2 20 1,0 1-5 4 12 1,2 2,8 12 2,4 1,0 20 1,0 6,7 4 12 3 0,1 15 4,0 8,9 8 12 6 2,65 18 1,5 7 0,7 16 4,2 Tmax = 950C 8,9 5,4 20 1,0 Tmin = -500C
1.1 Выбор физической структуры разрабатываемой ИМС
Основной структурой, определяющей электрические параметрыи характеристики микросхемы, является транзистор. Поэтому, исходя изтребований, предъявляемых к транзистору, производят выбор физической структурыразличных областей [1], т.е. задаются определенными электрофизическими параметрами,к числу которых относятся: концентрация легирующих примесей, подвижностьносителей заряда, время жизни и скорость поверхностной рекомбинации неосновныхносителей заряда, удельное сопротивление материала, диэлектрическаяпроницаемость материала. Для расчета остальных элементов используется выбраннаяфизическая структура основного транзистора.
В настоящее время существуют два основных вида физическойструктуры ИМС: микросхемы на основе биполярных транзисторов и микросхемы на основеМОП — структуры. Наибольшее количество слоев имеют микросхемы на основебиполярных транзисторов (рис. 1.2). Это скрытый n+-слой, эпитаксиальный, p+ — разделительный, базовый, эмиттерный, специальный резистивный, и т.д… Дляизготовления микросхем на основе МОП – транзисторов необходим лишь одиндиффузионный слой.
/>
Рисунок 1.2 — Физическая структура биполярного n-p-nтранзистора со скрытым n+-слоем.
Удельное сопротивление подложки выбирается исходя изтребований к рабочему напряжению коллекторного перехода транзистора. При этомнапряжение пробоя перехода коллектор-подложка должно быть больше, чем пробивноенапряжение перехода коллектор-база. Удельное сопротивление подложки должно бытькак можно большим. Это обеспечивает одновременно малую паразитную емкостьперехода коллектор-подложка, но и надо иметь в виду, что одновременно будетувеличиваться сопротивление тела подложки, а это есть паразитный параметр,который сказывается на частотных свойствах. Удельное сопротивление подложкиρ — должно выбираться компромиссным путем из диапазона 1...10 Ом∙см.Толщина подложки должна обеспечивать механическую прочность микросхемы и онавыбирается из диапазона hр =250...500 мкм.
Уровень легирования эпитаксиального слоя выбираетсяисходя из нескольких противоречивых требований:
-для высокого пробивного напряжения изолирующего переходаи для малой удельной емкости переходов необходимо, чтобы уровень легирования эпитаксиальногослоя 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 можновыше.
Эти противоречивые требования приводят к следующемукомпромиссу: сопротивление эпитаксиальной пленки выбирается таким, чтобы онообеспечивало заданное высоковольтное напряжение самого высоковольтного транзисторас учетом способа его изготовления. Это приводит к выбору значения удельногосопротивления из диапазона ρк = 0,15…5 Ом∙см. Но при всех реальныхпараметрах транзисторов такие значения удельного сопротивления приводят кзавышенному значению сопротивления тела коллектора. Во избежании этого вводятвысоколегированный n+-слой. Т.к. напряжение коллектор – база транзисторовсоставляет Uкб = 12 В, то есть в несколько раз меньше пробивного напряженияперехода коллектор – база, следовательно не необходимости в применениидополнительных мерах защиты от пробоя.
Толщина эпитаксиальной пленки должна по возможности бытькак можно меньше, но существует следующее ограничение:
/>,(1.1)
где
hэп-глубина залегания коллекторного перехода;
/>-глубина проникновения n+-областив эпитаксиальный слой при всех температурных режимах формирования структуры;
/>-ширина области пространственногозаряда перехода коллектор-база при рабочем напряжении;
/>-все технологические погрешности.
Скрытый n+-слой изготавливается для того, чтобыобеспечить минимальное сопротивление тела коллектора. Исходя из этой задачискрытый слой должен быть максимально легирован, но должна быть обеспеченаневозможность смыкания этого слоя с базой при подаче на этот переходколлектор-база рабочего напряжения. При этом расползание слоя при дальнейшихтехнологических операциях должно быть строго контролировано. Поверхностноесопротивление скрытого слоя обычно составляет RSСС = 6...8 Ом/квадрат, толщинаhсс = 3...8 мкм, поверхностная концентрация легирующих примесей (часто этосурьма из-за невысокого коэффициента диффузии при высоких температурах) RSСС =1018…1019 см-3.
Базовая область изготавливается методом диффузии, поэтомуявляется неоднородно легированной. Степень легирования выбирается из следующихтребований:
-для увеличения напряжения пробоя перехода эмиттер-база иэффективности эмиттера следует легировать базу как можно меньше;
-снижение уровня легирования увеличивает паразитноесопротивление базы и ухудшает частотные характеристики транзистора;
-если базу слабо легировать, так что поверхностнаяконцентрация будет составлять NSб ≤ 5∙1016 см-3, то это можетпривести к инверсии проводимости поверхностного слоя базы и выходу транзистораиз строя.
Поверхностная концентрация примесей составляют примерноNSб = 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 какможно выше. Но если уровень легирования достигает NSЭ ≈ 1021 см -3, тогдауменьшается время жизни носителей заряда, что приводит к уменьшениюэффективности эмиттера. Поэтому уровень легирования выбирается из диапазона NSЭ= 1019…5∙1020 см-3, поверхностное сопротивление составляет RSэ = 5…7Ом/квадрат. Глубина залегания перехода эмиттер-база определяется, как:
/>,(1.2)
Глубина разделительной диффузии должна быть чуть большетолщины эпитаксиальной пленки, так чтобы обеспечивалось слитие этой области сподложкой. Уровень легирования этой области должен быть достаточно высок дляэффективной изоляции p-n перехода на кристалле повышенной площади.
В полупроводниковых микросхемах в качестве межэлементныхсоединений применяются проводники из пленки алюминия. Для исключения пересеченийпроводников используется 3 основных метода: многослойная металлизация,прокладка шин металлизации над каналами резисторов, защищенными слоем SiO2 ипроводящие диффузионные перемычки под слоем двуокиси кремния.
Минимальная ширина металлизированной дорожки (призаданной ее толщине) определяется допустимой плотностью тока. Толщина слоя Alшин металлизации составляет порядка 1,5 мкм и шина имеет удельное сопротивлениеслоя RS ≈ 0,05 Ом/квадрат Значение RS для пленки приблизительно в 2,5…3раза превышает значение, получаемое из удельного сопротивления алюминия. Этосвязано с миграцией Al от коллекторных контактов выходных транзисторов, чтоповышает сопротивление тела коллектора, рост нитей Al, приводит к закорачиваниюэмиттерных p-n переходов и другое.
Геометрические размеры контактных площадок определяютсябазовой технологией изготовления микросхем и составляют часто 100 × 100мкм. Площадь контактных площадок должна обеспечивать хорошее соединение. Ихцелесообразно размещать под отдельными изолированными областями для уменьшениярезультирующей паразитной емкости и исключение опасности коротких замыканий придефекте в окисле.
2 Проектирование и расчет геометрических размеровэлементов ИМС
В данном разделе приведена методика расчетовгеометрических размеров биполярных транзисторов и геометрических размероврезисторов.
2.1 Расчет биполярных интегральных транзисторов
В полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторахосновным является n-p-n транзистор. Все n-p-n транзисторы можно разделить на 2группы:
а. Универсальные,
б. Специальные.
Универсальные в свою очередь делятся на: микро ималомощные (рассеиваемая мощность в диапазоне 0,3…3 мВт), транзисторы среднеймощности (3…25мВт), мощные транзисторы (более 25мВт). Специальные делятся на:многоэмиттерный транзистор и p-n-p транзистор.
Выбор геометрических размеров транзисторов, количествоэмиттеров, базовых и коллекторных контактов и их форма определяютсятребованиями к параметрам. Максимальная плотность эмиттерного тока, превышениекоторой приводит к уменьшению коэффициента усиления транзистора, ограничиваетрабочий ток. Определение размеров эмиттерной области а, следовательно, итопологии транзистора проводится исходя из обеспечения максимальногокоэффициента усиления при рабочем токе эмиттера [2].
Расчет геометрических размеров эмиттерной области ведетсяследующим образом. Длина эмиттерной области рассчитывается по формуле
le = 3dmin + Δ,(2.1)
где
dmin-минимальный геометрический размер, обеспечиваемыйиспользуемым методом литографии.
Далее определяем максимальный удельный ток дляпроизвольного случая по формуле
/>,(2.2)
где
Iemax-эмиттерный ток, превышение которого вызываетпереход к высокому уровню инжекции;
β-максимальное значение коэффициента передачи тока;
/>.(2.3)
При ψ
После определения геометрических размеров эмиттернойобласти транзистора необходимо определить полные геометрические размеры этогоэлемента. 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 разделительнойдиффузии и краем диффузии n+- слоя к коллектору.
/>,(2.8)
/>,(2.9)
/>.(2.10)
/>
Рисунок 2.1 — Топологический чертеж маломощного n-p-nтранзистора
Размеры коллектора определяются как
/>,(2.11)
/>.(2.12)
По такой же методике рассчитываются геометрическиеразмеры таких элементов, как p-n-p транзисторы и диоды на основе какого-либоперехода транзистора.
Рассчитанные таким образом линейные размеры транзистора сконкретной конфигурацией является минимально возможным для данного типатехнологии и должны быть учтены для конкретных параметров и конкретных областейприменения транзистора.
2.2 Расчет геометрических размеров резисторов
Резисторы биполярных микросхем обычно изготавливаются наоснове 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 диапазонработы – ΔT, bmin, погрешности изготовления – />; удельная мощность рассеяния – P0и т.д [3].
В диапазоне номиналов от 100 Ом до 50 кОм резисторыизготовляют 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
Если R = 50…1000 Ом, тогда резисторы делаютсяпрямоугольной формы.Если R > 1…2 кОм, то рекомендуется изготавливатьрезистор сложной формы с любым числом изгибов и любой длиной прямоугольныхучастков.
/>,(2.14)
где
/>-минимальная ширина резистора,обеспечивающая необходимую рассеиваемую мощность;
/>-минимальная эффективная ширинарезистора, обеспечивающая заданную точность изготовления.
/>,(2.15)
/>,(2.16)
/>,(2.17)
где
YКф-относительная погрешность изготовления резисторов;
YR-относительная погрешность номинала резистора;
YRs-относительная погрешность поверхностногосопротивления;
/>-относительная погрешностьизменения номинала при изменении температуры.
Затем зная bрасч и Кф определяем lрасч,
lрасч = Кф∙bрасч.(2.18)
Рассчитав предварительную длину и ширину резисторанеобходимо 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 нетопологическая ширина резистора.
/>,(2.21)
где
bрасч-топологическая ширина резистора (ширина нафотошаблоне);
/>-расползание диффузии в боковуюобласть при диффузии.
/>.(2.22)
3 Разработка библиотеки элементов широкополосногоусилителя
Принципиальная электрическая схема генераторпредставленная в приложении. Она состоит из 35 элементов, из них: 14 n-p-nтранзистора, 8 p-n-p транзисторов, 6 резисторов и 7 планарных транзисторов синжекционным питанием (И2Л – логика). Таким образом, для создания библиотекиэлементов цифра – аналогового преобразователя необходимо рассчитатьгеометрические размеры 1 n-p-n транзистора, 1 p-n-p транзисторов и резистора.
3.1 Расчет геометрических размеров биполярного n-p-nтранзистора
Расчет геометрических размеров n-p-n транзистора производитсяв соответствии с методикой приведенной в пункте 2.1., следовательно, все расчетпроизводятся исходя из размеров области эмиттера. Расчет области эмиттерапроизводим исходя из минимального геометрического размера достижимогоиспользуемым методом литографии (по технологическим нормам ОАО «Орбита» — dmin= 6 мкм, Δфш = 0,5, Δсовм. = 0,5), соотношение 2.1, и помаксимальному эмиттерному току (соотношение 2.2). Но так как мы не имеемисходных данных для расчета по этим формулам то, размер эмиттерной областиможно провести по эмпирической формуле, полученной опытным путем.
I эmах = 0,16 Пэф,(3.1)
где
Iэmах–эмиттерный ток, превышение которого вызываетпереход к высокому уровню инжекции;
Пэф–эффективный периметр эмиттера.
Максимальный эмиттерный ток для транзисторовиспользующихся в схеме широкополосного усилителя приведен в таблице 1. Типовоезначение эмиттерного тока — Iэmах = 4 мА, то есть подставляя данное значениетока в соотношение 3.1 можно определить эффективный периметр эмиттера:
Пэфф = />= 16 мкм
При работе транзистора фактически инжектирует только тачасть эмиттера, которая ближе к базовому контакту. Тогда расчетный размерэмиттера выберем равным 16 мкм. Таким образом, эмиттер транзистора будет иметьквадратную форму со стороной
bэ = lэ = 3 dmin – Δ = 14 мкм.
Окна к эмиттерной области выберем равным минимальномуразмеру окна в окисле dmin = bэк = lэк = 6 мкм.
Как было замечено выше, погрешность совмещенияфотошаблонов и погрешность при изготовлении фотошаблона равны Δсовм =Δфш =0,5 мкм, минимальный размер окна в окисле dmin = 6 мкм.
Все остальные геометрические размеры транзисторарассчитываются по формулам, приведенным в пункте 2.
Длина области базы рассчитывается по формуле 2.4
lб ≥ 14 + 4·6 + 2∙0,5 + 0,5 = 39,5 мкм.
Примем lб = 40 мкм.
Ширина области базы рассчитывается по формуле 2.5
bб ≥ 14 + 2·6 + 2∙0,5 + 0,5 = 27,5 мкм.
Примем bб = 28 мкм.
Длина окна контакта к базовой области равна минимальномуразмеру окна в окисле lбк = dmin = 6 мкм, ширина
bбк ≤ bб – 2dmin + 2Δфш + Δсовм = 28 – 12+ 1 + 0,5 = 15,5 мкм.
Примем bбк = 14 мкм.
a ≥ hэс+ xjкб+2Δфш + Δсовм = 8 + 2,5 + 1+ 0,5 = 12 мкм,
с /> hэс+xjэб+2Δфш + Δсовм =8 + 1,7 + 1 + 0,5 = 11,2 мкм.
Примем с = 12 мкм.
f /> xiкб+xjэб+2Δфш + Δсовм= 2,5 + 1,7 + 1 + 0,5 = 5,7 мкм.
Примем f = 6 мкм.
/> = 28 + 24 + 1 + 0,5 = 53,5 мкм.
Примем bк = 54 мкм.
Геометрические размеры подконтактной области коллекторарассчитываются по формулам
/> = 18 + 1 + 0,5 = 19,5 мкм.
Примем lкк = 18 мкм.
/> = 54 – 24 + 1 + 0,5 = 31,5 мкм.
Примем bкк = 30 мкм.
/> = 40 + 18 + 12 + 12 + 6 + 1 +0,5=
= 89,5 мкм,
Примем lк = 90 мкм.
3.2 Расчет геометрических размеров диффузионногорезистора
В схеме широкополосного усилителя (Приложение А) имеются9 резисторов с разбросом номиналов от 700 Ом до 5,4 кОм и различной мощностьюрассеивания. Наибольшее распространение получили диффузионные резисторы наоснове базовой диффузии.
Так как все резисторы выполнены на одном слое, то нетнеобходимости приводить подробные расчеты каждого резистора. Для примера, рассчитаемрезистор R1 и проведем расчет его геометрических размеров по методике описаннойв пункте 2.2, при Rs = 250 Ом/□.
Расчет начинаем с определения коэффициента формы:
/>
Так как Кф > 1, то расчет начинаем с расчета ширинырезистора — b.
/>,(2.14)
где
/>-минимальная ширина резистора,обеспечивающая необходимую рассеиваемую мощность;
/>-минимальная эффективная ширинарезистора, обеспечивающая заданную точность изготовления.
Минимальная эффективная ширина диффузионного резистораbmin = dmin = 6 мкм.
Из соотношения 2.15 определяем />. Значение рассеиваемой резистороммощности и номинал приведено в табличных данных задания на курсовой проект, типовоезначение допустимой мощности рассеиваемой резистором – P0 ≈ 5 Вт/мм2.
/> = 3,45 мкм
/>;
/>.
где
YR = 20 %-относительная погрешность номинала резистора;
YRs = 5 — 10 %-относительная погрешность поверхностногосопротивления (примем YRs = 10 %);
/>-относительная погрешностьизменения номинала при изменении температуры. Температурный коэффициентсопротивления базового резистора — αT = 0,002 Ом∙К-1.
/>∙100 % = 29 %
/> = 20 – 10 – 29 = 20 %
/> = 1,1 мкм
Примем эффективную ширину резистора — bрасч. = 6 мкм.
lрасч = Кф∙bрасч = 16,8 ∙ 6 = 100,8 мкм.
Примем lрасч. = 101мкм.
По формуле (2.20) проведем проверку номинала резистораисходя из расчетных значений длины и ширины резистора.
R1 = 250∙[(95/6) + (4-1) ∙ 0,55] = 18,6∙250= 4,3 кОм
Аналогичным образом производиться расчет для остальныхрезисторов.
/>
/>.
Минимальная эффективная ширина диффузионного резистораbmin = dmin = 6 мкм.
/> = 44,7 мкм
/>;
/>.
где
YR = 15 %;
YRs = 10 %
/> 30 %
/> = 15 – 10 – 30 = 25 %
/> = 7 мкм
Примем эффективную ширину резистора — bрасч. = 45 мкм.
lрасч = Кф∙bрасч = 0,4 ∙ 45 = 18 мкм.
Примем lрасч. = 18 мкм.
По формуле (2.20) проведем проверку номинала резистораисходя из расчетных значений длины и ширины резистора.
R3 = 250∙(18/45) = 100 Ом
Остальные резисторы рассчитываются аналогичным образом.
4 Основные правила проектирования топологии ИМС
Главное требование при разработке топологии — максимальная плотность упаковки элементов при минимальном количествепересечений межэлементных соединений. При этом обеспечивается оптимальноеиспользование площади кристалла при выполнении всех конструктивных итехнологических требований и ограничений. Исходными данными при разработкетопологии являются принципиальная электрическая схема, технологические иконструктивные требования и ограничения.
При разработке топологии ИМС придерживались следующихосновных правил проектирования топологии полупроводниковых ИМС с изоляциейp-n-переходом [1]:
1). Для учета влияния диффузии примеси под маскирующийокисел, растравливания окисла, ошибок фотолитографии при составлениитопологической 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 бытьприложено напряжение обратного смещения, что практически осуществляетсяподсоединением подложки p-типа, или области разделительной диффузии p-типа, кточке схемы с наиболее отрицательным потенциалом. При этом обратное напряжение,приложенное к изолирующему p-n — переходу, не должно превышать напряженияпробоя.
3). При размещении элементом микросхем и выполнениизазоров между ними необходимо строго выполнять ограничения, соответствующиетиповому технологическому процессу.
4). Резисторы, формируемые на основе базовогодиффузионного слоя, можно располагать в одной изолированной области, котораяподключается к самому положительному потенциалу схемы, т.е. к коллекторномуисточнику питания.
5). Резисторы на основе эмиттерного и коллекторного слоевследует располагать в отдельных изолированных областях.
6). Реальная форма резисторов, кроме ширины полоски, неявляется критичной. Резисторы могут быть прямыми, изогнутыми или иметь любуюдругую форму, однако во всех случаях отношение длины резистора к его ширинедолжно быть согласовано с удельным сопротивлением исходного диффузионного слояи обеспечено получением заданного номинала. Высокоомные резисторы следуетвыполнять в виде параллельных полосок с перемычками между ними. Номинальноесопротивление резистора в этом случае будет выдержано более точно, чем приизогнутом резисторе.
7). Для уменьшения мест локального нагрева резисторы сбольшой рассеиваемой мощностью не следует располагать вблизи активныхэлементов, а рекомендуется выносить из на край кристалла.
8). Резисторы, у которых нужно точно выдержать отношениеноминалов, должны иметь одинаковую ширину и конфигурацию и располагаться рядомс друг другом. Это правило относится и к другим элементам микросхем, длякоторых требуется обеспечить согласование характеристик, т.е. их топологиидолжны быть одинаковы, а взаимное расположение — как можно более близким.
9). Любой диффузионный резистор может пересекатьсяпроводящей дорожкой, так как проведение металлического проводника по слоюдвуокиси кремния, покрывающего резистор, не оказывает существенного вредноговлияния.
10). Форма и место расположения конденсаторов не являетсякритичными.
11). Для диффузионных конденсаторов требуются отдельныеизолированные области. Исключение составляют случаи, когда один из выводовконденсатора является общим с другой изолированной областью.
12). Транзисторы n-p-n-типа, работающие в режимеэмиттерного повторителя, можно размещать в одной изолированной области вместе срезисторами.
13). Все коллекторные области n-типа, имеющие различныепотенциалы, должны быть изолированы.
14). Для каждого диода, формируемого на основе переходаколлектор-база, должна быть предусмотрена отдельная изолированная область.Диоды, формируемые на основе перехода эмиттер-база, можно размещать в однойизолированной области.
15). Для улучшения развязки между коллекторными изолированнымиобластями контакт к подложке рекомендуется выполнять в непосредственнойблизости от мощного транзистора.
16). Для диффузионных областей требуются отдельныеизолированные области.
17). Для уменьшения паразитной емкости между контактнымиплощадками и подложкой под каждой из них рекомендуется создавать изолированнуюобласть. В этом случае емкость между контактной площадкой и подложкойоказывается включенной последовательно с емкостью изолирующего перехода и,следовательно, результирующая паразитная емкость уменьшается.
18). Соединения, используемые для ввода питания изаземления, следует выполнять в виде коротких широких полосок, что обеспечиваетуменьшение паразитных сопротивлений.
19). Число внешних выводов в схеме, а также порядокрасположения и обозначения контактных площадок выводов микросхем на кристалледолжны соответствовать выводам корпуса.
20). Коммутация элементов микросхем должна иметьминимальное количество пересечений. Если полностью избежать пересечений неудается, их можно осуществить, используя обкладки конденсаторов, формируядополнительные контакты к коллекторным областям транзисторов, применяядиффузионные перемычки и создавая дополнительные слои изоляции междупересекающимися проводниками. При разработке топологической схемы необходимостремиться к получению минимально возможной длины межэлектродных соединений.
21). Когда наличие паразитных емкостей не существенно,резисторы могут быть размещены в тех же изолированных областях, что итранзисторы. При этом не имеет значения, должны ли они соединяться между собой.Расстояние между резисторами должно быть не менее 10 мкм. Коллектор транзистораи резистор должны располагаться на расстоянии не менее 12 мкм.
22). Расстояние между диффузионной базовой областью иконтактом коллектора может быть увеличено, чтобы провести одну или двеметаллические дорожки между контактами коллектора и базы. Это можно сделать,так как коллекторный ток главным образом протекает от базы через скрытый слой кколлекторному 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 эмиттераза счет удлинения диффузионного базового слоя.
23). Наиболее важным правилом при разработке топологииявляется минимизация площади, занимаемой микросхемой. Это позволяет увеличитьчисло микросхем, изготовляемых на пластине с заданным диаметром. Кроме того,необходимо учесть, что вероятность случайных дефектов в полупроводниковомкристалле возрастает с увеличением площади. Размеры микросхем зависят от числаизолирующих областей и их площадки, а также от суммарной площади соединительнойметаллизации, включая площадь, занимаемую контактными площадками.
4.1 Проектирование топологии ИМС широкополосногоусилителя
Исходными данными являются принципиальная электрическаясхема (Приложение А) геометрические размеры элементов. На этом этапе решаютсятакие вопросы, как определение необходимого числа изолированных областей,минимизация возможного числа пересечений коммутационных шин элементов и длинышин.
Все транзисторы данной ИМС выполнены по стандартнойконфигурации рис.1.2.
Транзисторы VT3, VT5 исполняют роль дифференциальногоусилителя нагруженного активной нагрузкой выполненной на транзисторах VT2, VT4и резисторы R2, R4. Диоды D1, D2 включенные последовательно задают напряжениесмещения на базе транзисторов. Транзисторы VT1, VT7 включенные по схеме с общимэмиттером обеспечивают большое входное сопротивление данной схемы. Оконечныйкаскад выполнен на транзисторах VT8, VT9 и резисторах R6 – R9.
Резисторы R1 – R5, R6, R8 – R9 обладают довольно большим номиналом,следовательно, имеют сложную форму, т.е. выполнены в виде меандра. Резисторыпомещены в два изолирующих кармана, и подключается к самому высокому потенциалусхемы, т.е. к коллекторному источнику питания.
При проектировании топологии усилителя использовалось одинслой металлизации.
Для уменьшения паразитной емкости между контактнымиплощадками и подложкой под каждой из них создана изолированная область.
Топологический чертеж принципиальной схемы приведен вПриложении Б.
Заключение
На основе исходных данных приведенных в задании быларазработана библиотека элементов и рассчитаны геометрические размеры элементов.На основе рассчитанных элементов был разработан эскиз топологии ИМСширокополосного усилителя.
Список использованных источников
1.Матсон Э.А., Крыжановский Д.В. Справочное пособие поконструированию 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.; Подред. Л.А. Коледлва.-М.: Высш. шк., 1984. 231с., ил.
3.Березин А.С., Мочалкина О.В. Технология иконструирование интегральных схем М. Радио и связь 1983 г
4.Курносов. А. И., Юдин В. В. Технология производстваполупроводниковых и интегральных микросхем – М.: Высшая школа, 1986 г. – 368 с.
Приложение А
/>
/>