Расчет топологии n-p-n транзистора

Рис. 4. Параметры топологии и структуры транзистора

Все транзисторы проектируются исходя из минимального размера Dmin, за исключением многоэмиттерных, для которых следует добиваться минимума коэффициента передачи тока базы в инверсном режиме - B_R (необходимо получить значение B_R < 0.1) этот параметр рассчитывается по формуле [6]:

 

 

где: M – число эмиттеров, S_Э = L_Эd_Э, - площадь эмиттера, S_Б = L_БZ_Б, - общая площадь базы,

 

.

 

Остальные параметры рассчитываются по следующим формулам:

Ток насыщения:

 

 

Коэффициент усиления тока базы в нормальном режиме:

 

,

 

где η =2...4 – коэффициент, учитывающий градиент примеси в базе.

 

Сопротивление базы:

 

 

Сопротивление коллектора:

 

R_C=R_{C 1} +R_{C 2}

 

 

Время пролета базы:

 

 

Емкости рассчитываются по формуле:

 

; N =min(N_Д (x_j), N_А (x_j));

- для коллекторного p-n – перехода,

- для эмиттерного p-n – перехода,

 

C_p-n – ёмкость p-n перехода при нулевом смещении, S _S - общая площадь p-n – перехода, первое слагаемое – плоское дно, второе слагаемое – цилиндрические боковые части, третье слагаемое – сферические угловые части, значения концентраций N_Д, N_А берутся вблизи p-n перехода, V_B - потенциальный барьер p-n – перехода при нулевом смещении.

 

Диоды

 

В качестве диодов в ПИМС используют транзисторные n-p-n структуры в диодном включении. В быстродействующих схемах в качестве диода используют эмиттерный p-n – переход, при этом коллекторный переход закорочен. При необходимости применения диода с более высоким рабочим напряжением (до 60 В) используют коллекторный p-n – переход. Эмиттерную область в такой структуре обычно не формируют, что позволяет существенно уменьшить размеры диода.

На характеристики диода в конкретной схеме существенное влияние могут оказывать паразитные элементы: p-n-p транзистор, емкость диода С_Д и емкость изоляции С_И. В следующей таблице приведены типовые параметры наиболее часто применяемых диодов при r_К = 0.5 Ом×см, r_БП = 200 Ом/□, r_Э = 2.2 Ом/□ (поверхностное сопротивление эмиттерной области), S_Э = 300 мкм², S_Б = 2000 мкм².

 

Параметр	Эмиттерный переход	Коллекторный переход
Напряжение пробоя UДMAX, В
Обратный ток IДU, нА	1.7	6.7
Время выключения tВЫКЛ, нс
Емкость диода CД, пФ (при Uобр = 5 В)	0.17	0.23
Емкость изоляции CИ, пФ (при Uобр = 5 В)	0.97	0.97

 

При расчете диода используются те же исходные данные, что для биполярного транзистора. Топология синтезируется с учетом заданного максимального тока диода I_ДMAX, или исходя из заданного минимального размера. Затем рассчитывают основные параметры: барьерную емкость C_Д(U_Д), максимальное обратное напряжение U_ДMAX, обратный тепловой ток I_Д0, прямое падение напряжения U_Д(I_Д). Порядок расчета диода следующий:

1. Выбор варианта реализации диода

2. Расчет параметров: L_a, L_Д, B_N

3. Синтез топологии – определение размеров: M, Z_Э, R_Б, Z_Б

4. Расчет параметров: C_Д(U_Д), U_Дmax, I_Д0, U_Д(I_Д)

 

Примечание. Поскольку в ПИМС в качестве диодов используются транзисторы в диодном включении (см. выше), то для этого можно использовать один из спроектированных ранее транзисторов, при расчете схемы с помощью SPICE кодируется такое включение транзистора.

 

Резисторы

 

Тонкопленочные резисторы

 

Резисторы тонкоплёночные – тонкие резистивные плёнки, нанесённые на диэлектрическую подложку. Концы плёнки замыкаются на контактные площадки, имеющие высокую проводимость (металлы). Используются в гибридных ИС (резисторы напыляются на подложку, транзисторы – наклеиваются).

 

 

Рис. 5. Сопротивление резистора прямоугольной конфигурации

 

Рис. 6. Тонкая резистивная пленка в форме квадрата

 

Сопротивление двух квадратов одинаковы, т.е. квадрат с любой стороной “ a ” имеет одно и то же сопротивление. Такое сопротивление называется поверхностным (R_S), оно зависит только от толщины и материала плёнки:

 

 

Размерность поверхностного сопротивления: Ом×см×(см/см²)=Ом, т.е. просто размерность сопротивления, но, чтобы подчеркнуть, что это – сопротивление пленки квадратной формы, используется название размерности «ом на квадрат», обозначается: Ом/□.

Сопротивление линейного резистора

 

 

определяется количеством квадратов со стороной w, которые уместятся на длине l. Для повышения сопротивления используют более сложную топологию резистора - меандр (змейку). Для изменения толщины d надо менять технологию. В интегральной технологии d по всей площади одинакова, следовательно, можно менять только длину и ширину.

 

Рис. 7. Резистор сложной конфигурации

 

Сопротивление резистора сложной конфигурации:

 

.

 

где: - сопротивление излома; - длина прямоугольных участков.

Можно показать, что .

Резистор, показанный на рис. 7 имеет 6 изломов (N _ИЗЛ).

Материалы тонкоплёночных резисторов – сплавы с высоким сопротивлением, например нихром.

 

Диффузионные резисторы

 

Диффузионные резисторы – формируются в полупроводниковой подложке с помощью методов диффузии или ионной имплантации.

 

Рис. 8. Диффузионный резистор

 

Чтобы использовать диффузионную область в качестве резистора, необходимо сместить в обратном направлении отделяющий ее p-n переход. Для этого подложку (n-тип) надо подключить к самому высокому потенциалу в схеме, т.е. к положительному источнику питания Е+. В данной конструкции всегда существует паразитный ток утечки.

При необходимости реализовать сопротивление большего номинала делается контур с изгибами (типа «меандр»).

где - сопротивление контактных площадок. К_П = 0,5...1 = - даны в справочниках.

При использовании полупроводниковой технологии нельзя реализовать резисторы произвольного номинала; существуют ограничения сверху и снизу, R_min и R_max.

Обычно R_S p-слоя меняется от 100...300 Ом/□. Как правило, минимальная ширина резистора w _min не менее 2...3 минимальных размеров. Уменьшить w _min невозможно из-за несовершенства технологического процесса. Оценим:

 

l _min = w _min = 10 мкм.

 

Размер кристалла микросхемы (чипа) ~ 2´2 мм => l _max=1 мм (меандр).

Для минимального: , R_min =100 Ом/□ =100 Ом. (R_min =50...100 Ом). R_max=R_Smax =300 =30 кОм. (R_max=30...50 кОм).

 

На практике часто надо реализовать сопротивление большего номинала.

1. Сжатый резистор (pinch, пинч-резистор)

 

Рис. 9. Сжатый резистор

 

Поверхностное сопротивление сжатого p слоя, между слоями n и n⁺: R_S =1...3 кОм/□.

 

2. Используется ионная имплантация с тонкими слоями

Рис. 10. Имплантация с тонкими слоями

 

Тонкий p слой (x_jp ~ 0,2...0,8 мкм) имеет большое поверхностное сопротивление R_S =10⁴ Ом/□.

 

Для малых сопротивлений (1...50 Ом) используются высоколегированные области (эмиттерный n⁺ - слой):

 

Рис. 11. Высоколегированная (эмиттерная) область

 

В схемах малой степени интеграции используется однослойная металлизация – слой алюминия на поверхности окисла, который формирует контакты к элементам ИС и межсоединения. В этом случае возможны ситуации, когда не удается избежать пересечения проводников. В этом случае используется так называемый «подныр»: один проводник остается алюминиевой шиной, а второй проходит под ним по низкоомному резистору.

Эквивалентная электрическая схема диффузионного резистора, ограниченного обратно смещённым p-n переходом показана на рис. 12.

Емкости рассчитываются по формуле:

 

; N =min(N_Д (x_j), N_А (x_j));

 

.

 

C_p-n – ёмкость p-n перехода при нулевом смещении, S _S - общая площадь p-n перехода, первое слагаемое – плоское дно, второе слагаемое – цилиндрические боковые части, третье слагаемое – сферические угловые части.

 

Рис. 12. Эквивалентная схема резистора

 

Рис. 13. Размеры резистора, 1,2 – контактные окна.

 

МДП транзисторы

 

Рис. 14. Структура МДП транзистора

 

Пороговое напряжение U_{ЗИ ПОР} – при котором концентрация электронов в канале около поверхности Si - SiO₂ равна концентрации дырок в подложке p-типа, т.е. канал образуется, если U_З > U_ПОР.

 

Рис. 15. Выходная характеристика

 

 

В линейной (крутой, триодной) области:

 

 

Формула верна для U_З >U_ПОР, U_C<U_З–U_ПОР, при U_C=0 I_C=0

Если U_C мало и выполняется неравенство , тогда:

т.е. I_c - линейная функция U_c, здесь: W - ширина канала, L - длина канала, µ_ns-подвижность электронов вблизи поверхности(0,5 µ_n – в глубине). e_OX - диэлектрическая проницаемость окисла, l _OX - толщина окисла,

- удельная емкость структуры затвор – канал, Ф/м², .

При U_C=U_З-U_ПОР канал вблизи стока исчезает и транзистор работает в области насыщения (пологой, пентодной) с перекрытым каналом

Подставим это значение в формулу для I_C:

 

 

т.е. в области насыщения ток стока I_C от напряжения на стоке U_C не зависит.

С увеличением U_C канал вблизи стока перекрывается больше и больше: так как расширяется обедненный слой стокового p-n перехода, следовательно, длина канала L уменьшается, следовательно, ток I_C растет, характеристики в области насыщения имеют небольшой наклон.

Крутизна:

 

Удельная крутизна: - является параметром транзистора.

Оценим:

 

В PSpice используется параметр, называемый коэффициент крутизны:

 

.

 

kp является параметром микросхемы в целом, а не отдельного транзистора, так как и одинаковы для всей микросхемы, а длина и ширина канала являются параметрами транзистора.