Разработка интегральной микросхемы параметрического стабилизатора
Введение
На данный момент все большей популярностью
пользуется параметрический стабилизатор напряжения феррорезонансный, работа
которого базируется на феррорезонансном эффекте в узле
конденсатор-трансформатор. Такой принцип действия позволяет обеспечить непрерывную
корректировку параметров входящего тока в рамках разрешенной нагрузки. Если не
вдаваться в подробности физического устройства стабилизатора данного типа, то
можно сказать, что при наличии ряда очевидных минусов в сравнении с аналогичным
оборудованием компенсирующего действия, данный вид стабилизаторов все равно
используется очень часто. Этому есть две основные причины: большой ресурс
работы устройства и его высочайшее быстродействие.
Получается, что такой стабилизатор является
наиболее действенным и простым вариантом, который прекрасно подходит почти для
всех типов оборудования. Стабилизаторы данного типа очень часто используются
для подключения бытовых электроприборов. И действительно, чаще всего
параметрические стабилизаторы оказываются оптимальным решением благодаря
исключительной надежности и своей простоте. Современные устройства не содержат
в своем составе движущихся частей, а имеющийся шумовой эффект весьма успешно
поглощается корпусом из пластмассы или алюминия. На бесшумность аппарата оказывает
положительное влияние наличие резиновых элементов [3].
1. Задание на курсовой проект
Спроектировать интегральную микросхему,
изображённую на рис 1.
Рис. 1. Параметрический стабилизатор
Стабилизатор напряжения - преобразователь
электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в
заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и
сопротивления нагрузки.
По типу выходного напряжения стабилизаторы
делятся на стабилизаторы постоянного тока и переменного тока. Как правило, тип
питания (постоянный либо переменный ток) такой же, как и выходное напряжение,
хотя возможны исключения.
В зависимости от расположения элемента с
изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы делятся на два типа:
Последовательный: регулирующий элемент включен
последовательно с нагрузкой.
Параллельный: регулирующий элемент включен
параллельно нагрузке.
В зависимости от способа стабилизации:
Параметрический: в таком стабилизаторе
используется участок ВАХ прибора, имеющий большую крутизну.
Компенсационный: имеет обратную связь. В нём
напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между
ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента.[2]
. Конструктивно-технологическое исполнение схемы
Микросхема состоит из полевого и биполярного
транзисторов, навесного резистора, навесного стабилитрона и кремниевой подложки
n-типа.
Формирование элементов проводим по планарной
технологии.
На рис. 2. показана структура биполярного p-n-p
транзистора. Выводы Э, Б, К - от эмиттера, базы и коллектора транзистора
соответственно.
На рис. 3. Показана структура полевого p-n-p
транзистора
Рис 2. Структура биполярного транзистора
Рис. 3. Структура полевого транзистора
После разрезания слитка монокристаллического
кремния на пластины, их шлифуют, химически очищают и формируют пленку окисла
кремния. Далее используя операции фотолитографии, эпитаксии, ионного
легирования формируется коллекторная, базовая и эмиттерная области
соответственно. Резисторы формируются одновременно с базовой областью. После
этого напыляются алюминиевые контакты. Далее схема проходит проверку на
работоспособность.
. Расчет интегрального транзистора
. Определяем максимальное пробивное напряжение
Ukbo из неравенства.
(В),
(1)
где Ukbmax = 20 (В) - максимальное напряжение на
коллекторном переходе.
. По графику зависимости Ukbпр (Nak) определяем
концентрацию акцепторов в эпитаксиальном слое Nak .
(см-3).
. Определяем подвижность электронов из графика
зависимости подвижности от концентрации μ(Nak).
(см2/В·с).
. Определяем длину диффузионного смещения
доноров в базе.
(мкм).
(2)
. Вычисляем диффузионный потенциал U0.
(В).
(3)
. Рассчитаем контактную разность потенциалов ϕк
на коллекторном переходе.
(В),
(4)
где k - постоянная Больцмана; e - заряд
электрона;
; (см-3).
. Выбираем величину диффузионного смещения
акцепторов в эмиттерном кармане.
.
(5)
. Расcчитываем ширину области объемного заряда,
распространяющуюся в сторону коллектора ΔXkk
и в сторону базы ΔXkb при
максимальном напряжении на коллекторном переходе Ukbmax.
(мкм). (6)
(мкм). (7)
. Ширина высокоомного коллектора Xkk должна быть
больше или равной ширине слоя объемного заряда ΔXkk. Используем
оксидную изоляцию Xсс=0.3 мкм. Определяем толщину эпитаксиального слоя.
(мкм).
(8)
. Учитывая, что в приближении малой инжекции β=La×Xi/Ld×Wba
вычисляем
время жизни неосновных дырок в базе вблизи эмиттерного перехода.
.
(9)
.
(10)
. Оцениваем технологическую ширину базы по
соотношению.
(мкм). (11)
. Определяем концентрацию акцепторов на
эмиттерном переходе.
(см-3).
(12)
13. Так как область эмиттера сильно легирована,
то можно считать, что область объемного заряда буде в основном сосредоточена в
базе.
(мкм).
(13)
. (14)
. Уточняем технологическую ширину базы.
(мкм).
(15)
. Определяем ширину активной базы.
(16)
(мкм). (17)
(18)
. Проверяем величину β.
Для
этого вычислить коэффициент D дырок в базе вблизи эмиттерного перехода.
(19)
(20)
4. Расчет характеристик МДП-транзистора
Исходные параметры:
q=1,6×10-19 Кл - заряд
электрона.
Cox=4×10-8 Ф/см2 - удельная
емкость подзатворного диэлектрика.=2 мкм - длина канала.`пор=0,8 В.
СЗК=4,8×10-8 Ф/см2
- удельная ёмкость затвор-канал.
μnS=750 см2×В-1×с-1
- поверхностная подвижность электронов.З=3 В - напряжение на затворе.=0,3 В -
напряжение на стоке.
Вычислим изменение порогового напряжения
МДП-транзистора:
. (1)
Определяем величину порогового напряжения для
короткоканального МДП-транзистора по соотношению:
,
(2)
(В).
Рассчитываем ток стока для линейной зависимости
тока стока от напряжения на стоке по соотношению:
, (3)
(мкА).
Вычислим величину тока стока для полого участка
ВАХ:
(4)
(А).
Определяем следующие параметры транзистора:
Крутизна стокозатворной характеристики:
,
(5) (1/Ом).
Внутреннее сопротивление:
(6)
(Ом).
Коэффициент усиления по напряжению:
,
(7)
.
Граничная частота МДП-транзистора:
,
(8)
(Гц).
Выполним этот же расчёт, только для других
данных:=1 мкм - ширина канала;=0,2 мкм - глубина p-n+- переходов;=1 мкм - длина
канала;З=2 В - напряжения на затворе;=0,1 В - напряжение на стоке.
При этих данных получает другие характеристики
МДП-транзистора:
0,615 (В).
(мкА).
(А).
(1/Ом).
(Ом).
.
(Гц).
Для изготовления микросхемы воспользуемся
первыми данными.
. Разработка технических требований
. Наименование изделия:
Полупроводниковая интегральная микросхема
«Параметрический стабилизатор».
. Назначение:
Используется стабилизации напряжения в
слаботочных схемах, либо как источник опорного напряжения в более сложных
схемах стабилизаторов.
. Максимальный ток коллектора: 4 мА.
. Максимальный ток базы: 0.4 мА.
. Максимальный ток эмиттера: 4.5 мА.
. Входное напряжение: 2 В.
. Выходное напряжение: 2.5 В.
. Габаритные размеры: 10×10×3
мм.
. Разработка топологии интегральной микросхемы
Топология интегральной микросхемы -
зафиксированное на кристалле пространственно-геометрическое расположение
совокупности элементов интегральной микросхемы и связей между ними.
На рис. 3. представлены биполярный и полевой
транзисторы, все элементы соединены алюминиевыми выводами.
Рис. 4. Топология микросхемы
7. Технологический маршрут изготовления
интегральной микросхемы
Формирование пластины кремния КЭС-4,5 с
ориентацией(111).
Диаметр пластины - 100 мм, толщина - 200 мкм.
Предварительно слитки монокристаллов разрезаю на специальном станке проволочной
резки. После этого пластину шлифуют для получения 14-го класса чистоты
поверхности.
Кистевая мойка (0,05 % раствор синтанола).
Химическая очистка (состав растворителя
H2SO4+H2O2+NH4OH).
Термическое окисление оксидом кремния SiO2.
Кистевая мойка с инфракрасной сушкой.
Нанесение фоторезиста методом фотолитографии и
инфракрасная сушка.
Наносится сплошная пленка материала элемента,
формируется поверх нее фоторезистивная контактная маска. Далее стравливается
через окна в фоторезисте лишние участки пленки. Контактная маска воспроизводит
рисунок шаблона. Экспонированный фоторезист удаляется и пленка резистивного
материала стравливается на участках, не защищенных фоторезистом.
Проявление фоторезиста и сушка.
Плазмо-химическое травление (30-60 с).
Задубливание фоторезиста.
100%-й контроль чистоты поверхности.
100%-й контроль травления.
Химическая очистка(КАРО+H2O2+NH4OH).
Эпитаксиальное наращивание кремния p-типа
(формирование коллекторной области).
Молекулярно-лучевое эпитаксиальное наращивание
на подложке полупроводниковых веществ заключается в осаждении испаренных
компонентов на нагреваемую монокристаллическую подожку с одновременным
взаимодействием между ними.
Окисление.
Вскрытие окон под разделительную диффузию.
Эта диффузия n-типа (фосфор), проводится в две
стадии: вначале через поверхность эпитаксиального слоя кремния в тех местах,
где вскрыты окна в окисле, вводится определенное количество атомов фосфора,
образуя высоко легированный n+ слой, который на второй стадии диффузии при
высоких температурах в окислительной среде разгоняется до толщины, превышающей
толщину эпитаксиального слоя.
Формирование резистора R1 и R2 ионным
легирование фосфора.
Ионное легирование - способ введения атомов
примеси в поверхностный слой пластины путем бомбардировки ее поверхности ионов
с высокой энергией (10-2000 КэВ).
Кистевая мойка.
Формирование окисла.
Операция фотолитографии для вскрытия окон, чтобы
ввести примесь бора для формирования сильно легированного эмиттерного кармана.
100%-й контроль травления.
Формирование алюминиевых контактов.
Контроль чистоты алюминия.
%-й контроль чистоты.
Формирование защитного слоя диэлектрика.
Кистевая мойка в воде и сушка.
Освежение пластины в буферном растворе в течении
10 с.
Контроль результатов легирования на тестовых
структурах.
100%-й контроль чистоты.
Подпаивание навесных стабилитронов.
Контроль функционирования.
Заключение
В выполненной работе спроектирована микросхема
«параметрический стабилизатор», произведены расчеты элементов схемы,
разработаны технические требования и технологический маршрут изготовления
микросхемы. Также сформирована топология и выбраны навесные элементы.
Разработаны биполярный p-n-p транзистор и
полевой транзистор размерами 2,7 мкм.
Данная микросхема используется для стабилизации
напряжения в слаботочных схемах. Часто, такая схема стабилизатора применяется
как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов.
параметрический стабилизатор
микросхема транзистор
Список литературы
1.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Интегральная_схема.
.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Стабилизатор.
.
http://electro-voto.ru/publics/arts/post-26/
.
Коледов Л.А., Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и
микросборок, «Лань»: М. - 400 с.
.
Р.М. Терещук, К.М. Терещук, С.А.. Седов, Справочник радиолюбителя, -
Государственное издательство технической литературы УССР, 1957.- с.356.