Основы проектирования интегральных микросхем широкополосного усилителя (стр. 3 из 4)

где

bрасч-топологическая ширина резистора (ширина на фотошаблоне);

-расползание диффузии в боковую область при диффузии.

.(2.22)

3 Разработка библиотеки элементов широкополосного усилителя

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 технологическим нормам ОАО «Орбита» - dmin = 6 мкм, Δфш = 0,5, Δсовм. = 0,5), соотношение 2.1, и по максимальному эмиттерному току (соотношение 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 Пэф,(3.1)

где

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

Пэф–эффективный периметр эмиттера.

Максимальный эмиттерный ток для транзисторов использующихся в схеме широкополосного усилителя приведен в таблице 1. Типовое значение эмиттерного тока - Iэmах = 4 мА, то есть подставляя данное значение тока в соотношение 3.1 можно определить эффективный периметр эмиттера:

Пэфф =

= 16 мкм

При работе транзистора фактически инжектирует только та часть эмиттера, которая ближе к базовому контакту. Тогда расчетный размер эмиттера выберем равным 16 мкм. Таким образом, эмиттер транзистора будет иметь квадратную форму со стороной

bэ = lэ = 3 dmin – Δ = 14 мкм.

Окна к эмиттерной области выберем равным минимальному размеру окна в окисле dmin = bэк = lэк = 6 мкм.

Как было замечено выше, погрешность совмещения фотошаблонов и погрешность при изготовлении фотошаблона равны Δсовм = Δфш =0,5 мкм, минимальный размер окна в окисле dmin = 6 мкм.

Все остальные геометрические размеры транзистора рассчитываются 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 минимальному размеру 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 коллектора рассчитываются 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 диффузионного резистора

В схеме широкополосного усилителя (Приложение А) имеются 9 резисторов с разбросом номиналов от 700 Ом до 5,4 кОм и различной мощностью рассеивания. 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, рассчитаем резистор R1 и проведем расчет его геометрических размеров по методике описанной в пункте 2.2, при Rs = 250 Ом/□.

Расчет начинаем с определения коэффициента формы:

Так как Кф > 1, то расчет начинаем с расчета ширины резистора - b.

,(2.14)

где

-минимальная ширина резистора, обеспечивающая необходимую рассеиваемую мощность;

-минимальная эффективная ширина резистора, обеспечивающая заданную точность изготовления.

Минимальная эффективная ширина диффузионного резистора bmin = dmin = 6 мкм.

Из соотношения 2.15 определяем

. Значение рассеиваемой резистором мощности и номинал приведено в табличных данных задания на курсовой проект, типовое значение допустимой мощности рассеиваемой резистором – P0 ≈ 5 Вт/мм2.

= 3,45 мкм

;

.

где

YR = 20 %-относительная погрешность номинала резистора;

YRs = 5 - 10 %-относительная погрешность поверхностного сопротивления (примем YRs = 10 %);

-относительная погрешность изменения номинала при изменении температуры. Температурный коэффициент сопротивления 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 резистора исходя 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 остальных резисторов.

.

Минимальная эффективная ширина диффузионного резистора bmin = 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 резистора исходя 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 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.