Влияние радиационного излучения на биполярные транзисторы

Основная часть

Содержание

5.1 Описание работы микросхемы ШИМ - контроллера.............................. 2

5.2 Влияние радиационного излучения на биполярные транзисторы......... 5

5.2.1 Типы излучений и взаимодействие их с веществом................... 5

5.2.2 Влияние радиации на работу полупроводниковых приборов. 9

5.2.3 Технология изготовления схем, устойчивых к радиации......... 11

5.3 Технологические особенности и маршрут изготовления кристалла на основе КСДИ........................................................................................................................ 13

5.4 Расчет топологических размеров при формировании структур КСДИ жидкостным травлением..................................................................................................... 23

5.4.1 Расчет глубины канавки............................................................. 23

5.4.2 Расчет ширины окон в маскирующем окисле.......................... 27

5.4.3 Расчет толщины маскирующего слоя SiO2............................... 30

5.4.4 Расчет геометрических размеров кармана КСДИ................... 31

5.5 Экспериментальная часть....................................................................... 34

Описание работы микросхемы

Рассматриваемаямикросхема представляет собой однотактный ШИМ- контроллер с повышенной радиационной стойкостью, предназначенный для применения в источниках вторичного электропитания (ИВЭП) аппаратуры специального назначения. Она может быть использована как контроллер в последовательно-резонансных преобразователях на частотах до 1 МГц.

Основные характеристики:

однотактное управление, возможность применения как в токовом режиме, так и в обычном ШИМ-режиме, функционирование на частотах до 1МГц, задержка прохождения сигнала через схему не более 50 нс, полумостовые выходы на ток до 1,5 А, ограничение тока в каждом периоде, плавный запуск и ограничение значения максимальной длительности выходного импульса, защита от пониженного напряжения питания с гистерезисом, низкий ток потребления в состоянии «Выключено» (не более 2.5 мА).

Рассмотрим функциональную схему микросхемы, которая представлена на рис. 5.1.1.

Рис.5.1.1− Схема электрическая функциональная

Таблица 5.1 назначения выводов

Номер Вывода	Назначение вывода
	Инвертирующий вход усилителя ошибки, (W−)
	Неинвертирующий вход усилителя ошибки, (W+)
	Выход усилителя ошибки, инвертирующий вход ШИМ-компаратора, (m)
	Вход/выход синхронизации, SYN
	Вывод подключения времязадающего резистора, RХ
	Вывод подключения времязадающего конденсатора, СХ
	Неинвертирующий вход ШИМ-компаратора, (HU)
	Вывод плавного запуска, (START)
	Неинвертирующие входы компараторов выключения и перегрузки по току, (HI/STOP)
	Общий вывод, 0V
	Выход драйвера А, (А)
	Эмиттеры драйверов А и В, Е
	Коллекторы драйверов А и В, К
	Выход драйвера В, (В)
	Вывод питания, VCC
	Выход источника опорного напряжения, (VREF)

 

В состав микросхемы входят: прецизионный источник опорного напряжения, источник смещения G1 на 1,25 В, широкополосный усилитель ошибки DA1, быстродействующие компараторы ограничения тока DA2 и выключения схемы DA3, схема микромощного начального включения (блокировка от пониженного напряжения питания) DA4, ШИМ-компаратор DA5, схема плавного запуска DD1, VT1, VT2, G6, компаратор контроля значения опорного напряжения DA6, два полумостовых выходных драйвера DA7, DA8, ШИМ защелка DD3, схема управления выходными ключами DD7, DD8, высокочастотный генератор пилообразного напряжения (осциллятор G7), внутренняя логика DD1, DD2, DD4, DD5, DD6.

 

 

Задающий генератор пилообразного напряжения G7 может работать на частоте до 1МГц. Её устанавливают внешними компонентами резистором R и конденсатором С, подключенных к выводам 5 и 6 микросхемы. На выводе 5 вырабатывается напряжение 3 В, а ток через резистор R отражается на вывод 6 в отношении 1:1. Поэтому зарядный ток конденсатора С определяется из выражения I_ЗАР = 3/R.

Зарядный ток формирует на выводе 6 линейно нарастающее напряжение до тех пор, пока не будет достигнут верхний порог 2,8 В, после чего включается цепь разряда внутри микросхемы, которая разрядным током I_РАЗР быстро уменьшает напряжение на выводе 6 до 1 В, и начинается новый цикл заряда.

На выводе 4 формируется тактовый импульс низкого уровня 2,3 В в течение цикла заряда и высокого уровня 4,5 В в течение цикла разряда.

Усилитель ошибки DA1 микросхемы представляет собой операционный усилитель (ОУ). Потенциал выхода ОУ не может превышать потенциал на выходе 8. Коэффициент усиления можно устанавливать, используя обычную технику обратных связей. Типовая АЧХ усилителя имеет значение коэффициента усиления 95 дБ на постоянном токе и один низкочастотный полюс на 100 Гц.

Источник опорного напряжения (ИОН) выполнен по схеме на ширине запрещенной зоны кремния. Выходное напряжение ИОН индивидуально подстраивается на 5,1 В при производстве микросхем. От ИОН запитаны компараторы, внутренняя логика, источник смещения на 1,25 В, ОУ, осциллятор. ИОН имеет защиту от короткого замыкания.

Выходной сигнал ШИМ-компаратора DA5 соответствует эмиттерно-связанной логике для питания 5,1 В. Диапазон синфазного входного сигнала компаратора ограничен снизу на уровне приблизительно 1 В диапазоном n-p-n входной пары; сигнал, поступающий на вывод 7 микросхемы может изменяться от 0 до 3 В, поэтому для согласования уровней перед подачей на неинвертирующий вход компаратора он сдвигается вверх при помощи источника смещения G1 внутри кристалла на величину 1,25 В; инвертирующий вход ШИМ-компаратора соединен с выходом усилителя DA1 и выводом 3; на инвертирующие входы компараторов DA2 и DA3 поданы напряжения 1 В и 1,4 В соответственно, полученные от опоры 5,1 В при помощи делителя; неинвертирующие входы компараторов соединены с выводом 9 микросхемы.

Ток переключения элементов внутренней логики выбран на уровне 400 мкА. Поэтому, хотя на пути между входными компараторами и выходными усилителями тока находятся два элемента ИЛИ (DD2 и DD4), ШИМ защелка DD3, инверторы (DD7, DD8), они дают только 20 % всей задержки; основная задержка приходится на компараторы и выходные каскады.

Однако как быстро сигнал не проходил бы через тракт, это мало значит, если на выходе не обеспечено быстрое переключение с требуемой амплитудой. Выходные полумостовые драйверы (полумостовые усилители тока) DA7, DA8 позволяют коммутировать нагрузку емкостью 1000 пФ за 30 нс при напряжении питания контроллера 15В.

Компаратор защиты от пониженного напряжения питания DA4 срабатывает, если напряжение питания (Uп) меньше некоторого значения (напряжения срабатывания (Uсрб) минус напряжение гистерезиса (Uгис)). Низкий уровень с его выхода элементом И-НЕ DD6 инвертируются в высокий и поступает на вход элементов ИЛИ-НЕ DA7, DA8, которые инвертируют его еще раз. В результате выходные усилители DA7, DA8 переходят в состояние низкого уровня.

 

Расчет глубины канавки

Для получения заданных глубины монослоя и ширины разделительных канавок необходимо рассчитать глубину травления разделительных канавок.

Необходимая глубина разделительных канавок достигается анизотропным травлением кремния через маску SiO₂. Процесс основан на разности скоростей травления в различных направлениях, перпендикулярных атомным плоскостям.

Так как маскирующий окисел при травлении кремния также травится, но с меньшей скоростью, то его толщина должна быть достаточной для вытравливания канавок необходимой глубины. Скорость травления кремния и маскирующего окисла зависит от состава травителя и режимов травления.

Глубина травления разделительных канавок выбирается исходя из максимальной толщины монослоя и минимального технологического запаса на «вскрытие» КСДИ.

Как правило, скорость травления вдоль плоскости (100) в десятки раз больше скорости травления вдоль плоскости (111).

Рис.5.4.1 − Разделительная канавка

A – отверстие в маске.

X – скос маски.

X₀ – подтравливание под маску

X₁ –расстояние от края маски до середины канавки.

H – глубина канавки.

V₁₀₀ – скорость травления плоскости 100.

V₁₁₁ – скорость травления плоскости 111.

K = V₁₀₀ / V₁₁₁ = 33 – соотношение скоростей травления.

α = 54.74° – угол между плоскостями 100 и 111.

 

Выразим H:

. (1)

Ширина разделительной канавки на поверхности пластины определяется из следующего равенства:

.

 

Рассмотрим . .

Зная время травления t, найдем величину стороны CD:

.

.(2)

Тогда

.(3)

 

Выразим время травления:

, тогда .(4)

Подставим выражение в (3) и получим:

.

 

Теперь вернемся к (1):

.

Преобразуем и выразим глубину канавки H:

 

,

 

,

 

,

 

.

Рис.5.4.2 – График зависимости скорости травления кремния плоскости (100) от температуры в различном процентом содержании раствора КОН[]

Определив из рис.5.4.2 скорость травления плоскости V(100) для 23% КОН при Т= 70⁰С и соотношения скоростей травления K, найдем скорость травления плоскости V(111):

V(111)= V(100)/K=0,46/33=0,0109мкм/мин

Из формулы(2) найдем подтравливание под маску:

Х0=0,0109*80/0,81=1,03мкм

тогда из формулы(3):

Х = 1,03+17=18,03мкм

где Х1=17мкм- расстояние от края маски до середины канавки

Рассчитаем глубину канавки H:

 

Выполненный расчет подтверждает размер глубины канавки, заданный в технологическом маршруте изготовления КСДИ.

Экспериментальная часть

В данной ВКР был проведен эксперимент с анизотропным травлением кремния. Целью эксперимента было получить соотношение скоростей плоскости (100) и (111) и сравнить его с имеющимися литературными данными.

В эксперименте использовалось 4 кремниевые пластины с ориентацией подложки (100). Травление осуществлялось в 23%ом (с добавлением изопропилового спирта) растворе КОН. Температура во время процесса поддерживалась с точностью 70±1°С. Время травления составило 60 минут. Травление проводилось в ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» на участке ФЛГ на установке анизотропного травления. В качестве маски использован слой оксида кремния рассчитанной ранее толщины.

После травления пластины (100) на заданную глубину получается канавка, боковые стенки которой имеют ориентацию (111). С помощью микроинтерферометра МИИ - 4 измерены глубины двух канавок на каждой из четырех пластин (таблица №1).

Таблица № 5.5.1 Глубина канавки на разных пластинах

Пластина №	Верхняя точка, мкм	Нижняя точка, мкм	Глубина канавки, мкм
		8,5	34,5
		45,5	33,5
		13,5	34,5
	14,5	34,5
		61,5	33,5

 

 

Средняя глубина канавки Hср ≈ 34мкм

Определим скорость травления плоскости (100)

, тогда (1)

Тогда из формулы(1) найдем скорость травления плоскости (100)

у меня на компе читается 0,56, а потом какая-то кобызяка вместо единиц измерения

Из рисунка 5.5.1[8] делаем вывод о том, о хорошем согласовании экспериментальные и справочные данных

Рис.5.5.1 Скорость травления плоскости (100) при различных концентрациях травителя КОН

Для того чтобы определить скорость травления плоскости (111), воспользуемся формулой

(2)

 

где

L(111) – величина подтрава под окисел

 

L1 - Ширина окон после снятия окисла

L2 - Ширина окон до снятия окисла

tmp - время травления

С помощью микроинтерферометра МИИ - 4 измерены ширина окон в маскирующем окисле и уход под окисел (таблица №1).

Таблица № 5.5.2. Ширина окон в маскирующем окисле и уход под окисел

Пластина №	Ширина окон до снятия окислаL1, мкм	Ширина окон после снятия окисла L2, мкм	Уход под окиселL(111), мкм
	47,65	49,11	1,5
47,77	49,37	1,6
	48,90	49,04	0,14
48,62	49,48	0,8
	47,11	49,92	2,81
48,11		1,89
	48,17	48,87	0,7
48,1	48,9	0,8

Средний уход под окисел L(111)ср ≈ 0.78 мкм

Подставим значения в формулу (2)

снова кобызяка

Зная скорости травления плоскостей (100) и (111), найдем соотношение скоростей:

K = V₁₀₀ / V₁₁₁ ≈ 43

1. несовмещение шотошаблона

не свежий травитель

несоблюдение температурно временного тарвления.

 

Основная часть

Содержание

5.1 Описание работы микросхемы ШИМ - контроллера.............................. 2

5.2 Влияние радиационного излучения на биполярные транзисторы......... 5

5.2.1 Типы излучений и взаимодействие их с веществом................... 5

5.2.2 Влияние радиации на работу полупроводниковых приборов. 9

5.2.3 Технология изготовления схем, устойчивых к радиации......... 11

5.3 Технологические особенности и маршрут изготовления кристалла на основе КСДИ........................................................................................................................ 13

5.4 Расчет топологических размеров при формировании структур КСДИ жидкостным травлением..................................................................................................... 23

5.4.1 Расчет глубины канавки............................................................. 23

5.4.2 Расчет ширины окон в маскирующем окисле.......................... 27

5.4.3 Расчет толщины маскирующего слоя SiO2............................... 30

5.4.4 Расчет геометрических размеров кармана КСДИ................... 31

5.5 Экспериментальная часть....................................................................... 34

Описание работы микросхемы

Рассматриваемаямикросхема представляет собой однотактный ШИМ- контроллер с повышенной радиационной стойкостью, предназначенный для применения в источниках вторичного электропитания (ИВЭП) аппаратуры специального назначения. Она может быть использована как контроллер в последовательно-резонансных преобразователях на частотах до 1 МГц.

Основные характеристики:

однотактное управление, возможность применения как в токовом режиме, так и в обычном ШИМ-режиме, функционирование на частотах до 1МГц, задержка прохождения сигнала через схему не более 50 нс, полумостовые выходы на ток до 1,5 А, ограничение тока в каждом периоде, плавный запуск и ограничение значения максимальной длительности выходного импульса, защита от пониженного напряжения питания с гистерезисом, низкий ток потребления в состоянии «Выключено» (не более 2.5 мА).

Рассмотрим функциональную схему микросхемы, которая представлена на рис. 5.1.1.

Рис.5.1.1− Схема электрическая функциональная

Таблица 5.1 назначения выводов

Номер Вывода	Назначение вывода
	Инвертирующий вход усилителя ошибки, (W−)
	Неинвертирующий вход усилителя ошибки, (W+)
	Выход усилителя ошибки, инвертирующий вход ШИМ-компаратора, (m)
	Вход/выход синхронизации, SYN
	Вывод подключения времязадающего резистора, RХ
	Вывод подключения времязадающего конденсатора, СХ
	Неинвертирующий вход ШИМ-компаратора, (HU)
	Вывод плавного запуска, (START)
	Неинвертирующие входы компараторов выключения и перегрузки по току, (HI/STOP)
	Общий вывод, 0V
	Выход драйвера А, (А)
	Эмиттеры драйверов А и В, Е
	Коллекторы драйверов А и В, К
	Выход драйвера В, (В)
	Вывод питания, VCC
	Выход источника опорного напряжения, (VREF)

 

В состав микросхемы входят: прецизионный источник опорного напряжения, источник смещения G1 на 1,25 В, широкополосный усилитель ошибки DA1, быстродействующие компараторы ограничения тока DA2 и выключения схемы DA3, схема микромощного начального включения (блокировка от пониженного напряжения питания) DA4, ШИМ-компаратор DA5, схема плавного запуска DD1, VT1, VT2, G6, компаратор контроля значения опорного напряжения DA6, два полумостовых выходных драйвера DA7, DA8, ШИМ защелка DD3, схема управления выходными ключами DD7, DD8, высокочастотный генератор пилообразного напряжения (осциллятор G7), внутренняя логика DD1, DD2, DD4, DD5, DD6.

 

 

Задающий генератор пилообразного напряжения G7 может работать на частоте до 1МГц. Её устанавливают внешними компонентами резистором R и конденсатором С, подключенных к выводам 5 и 6 микросхемы. На выводе 5 вырабатывается напряжение 3 В, а ток через резистор R отражается на вывод 6 в отношении 1:1. Поэтому зарядный ток конденсатора С определяется из выражения I_ЗАР = 3/R.

Зарядный ток формирует на выводе 6 линейно нарастающее напряжение до тех пор, пока не будет достигнут верхний порог 2,8 В, после чего включается цепь разряда внутри микросхемы, которая разрядным током I_РАЗР быстро уменьшает напряжение на выводе 6 до 1 В, и начинается новый цикл заряда.

На выводе 4 формируется тактовый импульс низкого уровня 2,3 В в течение цикла заряда и высокого уровня 4,5 В в течение цикла разряда.

Усилитель ошибки DA1 микросхемы представляет собой операционный усилитель (ОУ). Потенциал выхода ОУ не может превышать потенциал на выходе 8. Коэффициент усиления можно устанавливать, используя обычную технику обратных связей. Типовая АЧХ усилителя имеет значение коэффициента усиления 95 дБ на постоянном токе и один низкочастотный полюс на 100 Гц.

Источник опорного напряжения (ИОН) выполнен по схеме на ширине запрещенной зоны кремния. Выходное напряжение ИОН индивидуально подстраивается на 5,1 В при производстве микросхем. От ИОН запитаны компараторы, внутренняя логика, источник смещения на 1,25 В, ОУ, осциллятор. ИОН имеет защиту от короткого замыкания.

Выходной сигнал ШИМ-компаратора DA5 соответствует эмиттерно-связанной логике для питания 5,1 В. Диапазон синфазного входного сигнала компаратора ограничен снизу на уровне приблизительно 1 В диапазоном n-p-n входной пары; сигнал, поступающий на вывод 7 микросхемы может изменяться от 0 до 3 В, поэтому для согласования уровней перед подачей на неинвертирующий вход компаратора он сдвигается вверх при помощи источника смещения G1 внутри кристалла на величину 1,25 В; инвертирующий вход ШИМ-компаратора соединен с выходом усилителя DA1 и выводом 3; на инвертирующие входы компараторов DA2 и DA3 поданы напряжения 1 В и 1,4 В соответственно, полученные от опоры 5,1 В при помощи делителя; неинвертирующие входы компараторов соединены с выводом 9 микросхемы.

Ток переключения элементов внутренней логики выбран на уровне 400 мкА. Поэтому, хотя на пути между входными компараторами и выходными усилителями тока находятся два элемента ИЛИ (DD2 и DD4), ШИМ защелка DD3, инверторы (DD7, DD8), они дают только 20 % всей задержки; основная задержка приходится на компараторы и выходные каскады.

Однако как быстро сигнал не проходил бы через тракт, это мало значит, если на выходе не обеспечено быстрое переключение с требуемой амплитудой. Выходные полумостовые драйверы (полумостовые усилители тока) DA7, DA8 позволяют коммутировать нагрузку емкостью 1000 пФ за 30 нс при напряжении питания контроллера 15В.

Компаратор защиты от пониженного напряжения питания DA4 срабатывает, если напряжение питания (Uп) меньше некоторого значения (напряжения срабатывания (Uсрб) минус напряжение гистерезиса (Uгис)). Низкий уровень с его выхода элементом И-НЕ DD6 инвертируются в высокий и поступает на вход элементов ИЛИ-НЕ DA7, DA8, которые инвертируют его еще раз. В результате выходные усилители DA7, DA8 переходят в состояние низкого уровня.

 

Влияние радиационного излучения на биполярные транзисторы