Разработка топологии

3 Разработка топологии

Физическая структура и ее параметры определяются требованиями, предъявляемыми к наиболее важному транзистору (группе транзисторов).

Микросхемы на основе биполярных транзисторов (рисунок 3.1.) имеют следующие слои: эмиттерный, базовый, скрытый n+-слой – диффузионные и коллекторный (эпитаксиальный) слои; подложка p-типа (при изоляции p-n переходом).

Рисунок 3.1 - Физическая структура биполярного n-p-n транзистора на основе подложки p-типа, с эпитаксиальным слоем и со скрытым слоем n+-типа.

Рисунок 3.2 – Топология n-p-n транзистора в общем виде.

Электрическая принципиальная схема компаратора напряжения приведена в ПРИЛОЖЕНИЕ А. Для этой схемы были рассчитаны номиналы резисторов и максимальные токи через транзисторы (коллекторные токи).

IT1= 0,2 мА, IT12= 30 мкА,

IT2= 20 мкА, IT13= 30 мкА,

IT3= 26 мкА, IT14= 20 мкА,

IT4= 26 мкА, IT15= 26 мкА,

IT5= 30 мкА, IT16= 26 мкА,

IT6= 30 мкА, IT17= 30 мкА,

IT7= 30 мкА, IT18= 100 мкА,

IT8= 30 мкА, IT19= 0,5 мА,

IT9= 60 мкА, IT20= 10 мА,

IT10= 30 мкА, IT21= 0,5 мА,

IT11= 30 мкА, IT22= 0,5 мА.

Так как для данной схемы коэффициенты усиления транзисторов (h21) незначительно влияют на параметры схемы то при расчете геометрических размеров h21 транзисторов учитывать не будем, но выберем структуру обеспечивающую как можно больший h21. То есть предполагаем структуру со скрытым n+ - слоем.

Расчет n-p-n транзисторов. Исходя из того, что не заданы многие параметры, позволяющие произвести более точный расчет, ограничимся некоторым приближенным расчетом.

Токовые характеристики транзисторов определяет в основном периметр эмиттера, к тому же эмиттерная область является наименьшей в интегральных транзисторах, поэтому расчет начнем с этой области.

Для расчета периметра эмиттерной области воспользуемся следующей эмпирической формулой [2]:  (3.1), где IКмакс = IЭмакс –максимально допустимый ток эмиттера, мА; ПЭф - эффективный периметр эмиттера, мкм.

Эффективный периметр эмиттера зависит от конфигурации транзистора. Для маломощных транзисторов выберем асимметричную конфигурацию (рисунок 3.3), для которой эффективный периметр равен ширине эмиттера (ПЭф=BЭ) [1].

Рисунок 3.3 – Асимметричная конфигурация n-p-n транзистора.

Выберем данную конфигурацию для транзисторов VT3, VT7, VT8, VT12, VT13, VT15, VT17 исходя из заданных значений коллекторных токов.

Транзисторы VT3, VT7, VT8, VT12, VT13, VT15, VT17 будут иметь минимально возможные размеры топологии, так как их коллекторных токи очень малы.

Произведем расчет топологии приведенных транзисторов. Размеры эмиттерной области для этого случая будут определяться как (LЭК= D, D - минимальный размер окна в окисле) [1]:

Ширину базового контакта возьмем равной ширине эмиттерной области:

Расстояние от эмиттерной области до контакта к базе определим как:

Но это расстояние определяется также возможностью осуществить разводку металла от эмиттера и от базы. Металл должен перекрывать окно в окисле не менее чем на 2 мкм, к тому же расстояние между двумя соседними проводниками должно составлять не менее чем 6 мкм. Исходя из этого расстояние L2 = 8 мкм.

Рассчитаем ширину базовой области:

Возьмем BБ = 26 мкм.

Рассчитаем длину базовой области:

Определим расстояние от базовой области до области n+ - подлигирования для создания контакта к коллектору:

Здесь d - зазор, который нужно предусмотреть, чтобы не сомкнулись базовая область и область n+ подлигирования к коллектору при расширении ОПЗ соответствующих переходов. Обычно для данного расстояния d = xjЭ + xjБ,

Возьмем L5 = 8 мкм.

Длину n+ -области подлигирования для коллекторного контакта определим как:

Ширину этой n+- области для данной конфигурации транзистора примем равной ширине базовой области:

.

Ширина контакта к коллектору определяется как:

Расстояние от n+ -области подлигирования до разделительной области определим как:

где d - зазор, который нужно предусмотреть, чтобы не сомкнулись разделительная область и область n+ подлигирования к коллектору при расширении ОПЗ соответствующих переходов. Обычно для данного расстояния d » 0,8×hepi.

Подобно определим расстояние от базовой области до разделения:

Примем L6 = L7 = 16 мкм.

Тогда B2 = B3 = L7 = 17 мкм.

Определим максимальный ток, который может обеспечить рассчитанная конфигурация транзистора в соответствии с формулой (3.1):

Рассчитаем топологию p-n-p транзистора.

Для p-n-p транзистора выберем следующую конфигурацию (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 – Топология горизонтального p-n-p транзистора.

Через транзисторы VT4 и VT16 p-n-p типа течет ток, который может обеспечить конфигурация с минимальными возможными размерами, для этого случая и проведем расчет.

При минимальных размерах, размеры эмиттерной области будут как у n-p-n транзистора (рисунок 2.3) то есть LЭ = BЭ = 16 мкм.

Расстояние B2 которое будет шириной активной базы рассчитывается как:

где d - зазор, который необходимо предусмотреть, чтобы при расширении ОПЗ коллекторного и эмиттерного переходов не произошло их смыкания

Примем В2 = 10 мкм.

Ширина коллекторной области в этом случае равна её длине и будет определяться как:

Примем LК = 70 мкм.

Расстояние L1 как для n-p-n транзистора (L5 на рисунке 3.3) будет L1 = 8 мкм.

Длина базовой области как для n-p-n транзистора (LК на рисунке 3.3) будет LБ = 16 мкм.

Ширину базовой области примем равной ширине коллекторной области BБ=BК=70 мкм.

Ширина контакта к базовой области определим как:

Длинна его будет минимальной, то есть 8 мкм.

Расстояния L2 и L3 будут подобны n-p-n транзистору (L6 и L7 на рисунке 3.3) и равны 16 мкм.

У транзисторов VT2, VT9, VT14, VT18 эмиттеры соединены между собой и базы также соединены между собой, поэтому используем специальную конфигурацию для этих транзисторов (приложение А). Так как токи в данных транзисторах протекают небольшие, размеры областей транзистора будут совпадать с размерами горизонтального p-n-p транзистора (рисунок 3.4).

Такую же конфигурацию используем для транзисторов VT5 и VT6, VT10 и VT11.

Расчет резисторов.

Резисторы биполярных микросхем обычно изготавливаются на основе отдельных диффузионных слоев. В данном курсовом проекте для изготовления резисторов предполагается использование специального резистивного слоя.

Ввиду того, что через все резисторы протекают очень маленькие токи, то не требуется учет минимальной ширины резистора по мощности. Поэтому возьмем ширину резистора равную минимальной ширине окна в окисле 8 мкм.

Примем вид контактных площадок, такой как у резистора на рисунке 3.6.

В схеме (приложение А) имеем следующие резисторы (по номиналам):

R1 = 70кОм,

R2 = R3 = 20кОм,

R4 = 46кОм,

R5 = 5кОм,

R6 = 17,2кОм,

Рисунок 3.6 – Конфигурация резистора в общем виде.

Длину резисторов определим из формулы [1]:

 (3.2)

где RS – поверхностное сопротивление,

К – коэффициент влияния контактных площадок.

Для выбранной конфигурации контактных площадок К = 0,2 [1].

Все резисторы высокоомные, поэтому их целесообразно выполнить на основе резистивного слоя с поверхностным сопротивлением Rs = 2000 Ом/□.

Выразим из формулы 3.2 длину резистора:

 (3.3)

Рассчитаем длину резистора R1:

Рассчитаем длину резисторов R2, R3:

Рассчитаем длину резистора R4:

Рассчитаем длину резистора R5:

Рассчитаем длину резистора R6:

В ходе разработки топологии возможны некоторые изменения геометрии элементов. В частности при изменении геометрии резисторов их перерасчет делать не будем, но для обеспечения необходимого сопротивления воспользуемся возможностью построения резисторов в программе PAROM.

На этом расчет топологии завершим.

По рассчитанным размерам и выбранной конфигурации всех элементов произведенных во втором пункте в программе проектирования топологии PAROM разработаем полную топологию блока выходного каскада.

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.

Заключение

В данном курсовом проекте проведён расчёт топологической схемы на основе принципиальной схемы. Рассчитаны элементы топологической схемы с параметрами, заданными на курсовое проектирование. Проведено размещение активных и пассивных элементов на площади кристалла. Вычерчивание топологической схемы проводилось в программе ПАРОМ с последующим её переводом в программу AutoCAD 2000 для редактирования и печати.

Список использованных источников

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

2. Николаев И. М., Филинюк Н. А. Интегральные микросхемы и основы их пректирования: Уч. Для техникумов. – 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1992 – 424с., ил.

3. 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.

4. Гребен А. Б. Проектирование аналоговых интегральных схем М. Энергия, 1976 г.

5. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы М. Мир, 1988г.

Приложение А