Микроэлектроника и функциональная электроника

5.1 Диффузионные  резисторы на основе базовой  области.

Резисторы данного типа приобрели наибольшее распространение, так как при их использовании  достигается объединение высокого удельного сопротивления, что необходимо для уменьшения площади, которую занимает резистор, и сравнительно небольшого температурного коэффициента ТКR       ( ±(0,5…3)·10^-3 1/°С ).

5.2. Исходные  данные для расчета топологических  параметров полупроводниковых резисторов.

Для расчета длины и ширины резисторов необходимы следующие входные данные:

1) номинальные значения сопротивлений  R, заданные в принципиальной схеме.

R₁- R₄ – 4700 Ом;

R₅ – 3300 Ом.

2) допустимая погрешность D R.

Исходя из технологических возможностей оборудования выберем DR = 20%

3) рабочий диапазон температур (T_min , T_max).

Исходя из предположения, что разрабатываемая  ИМС будет предназначена для  эксплуатации в климатических условиях, характерных для широты Украины, выберем диапазон температур, определяемый климатическим исполнением УХЛ 3.0 (аппаратура, предназначенная для эксплуатации в умеренном и холодном климате, в закрытых помещениях без искусственно регулируемых климатических условий). Исходя из этого:

T_min = -60 °С;

T_max = +40 °С.

4) средняя мощность  Р, которая рассеивается на  резисторах.

Мощность, рассеиваемая на резисторах, будет расчитана на основе измерянных ранее токов через  резисторы, используя закон Ома.

 

P = I2 R,

( 5.1)

 

где I – ток через резистор, А;

R – сопротивление резистора, Ом.

Измерянные значения токов несколько увеличим для  учета возможных скачков входных  токов схемы:

Табл. 6.1 Расчет мощностей  резисторов

Значение тока	IR1-4, мА	0,26
	IR5, мА	4,94
Увеличенное значение тока	I ’R1-4, мА	0,5
	I ’R5, мА	5
Расчитанная мощность	РR1-4, мВт	1,175
	РR5, мВт	82,5

 

5.3. Последовательность  расчета топологических параметров  параметров полупроводниковых резисторов.

Для расчета параметров интегральных резисторов используется написанная для этих целей программа, значения рассчитанных параметров, приведенные ниже, расчитаны с ее помощью.

1. Выбираем тип резистора,  исходя из его номинального  сопротивления. В расчитываемой  схеме все резисторы целесообразно  изготовить дифузионными, сформированными  в базовом р-слое.

2. Расчитываем удельное поверхностное сопротивление:

 

( 5.2)

 

где N_a0 – концентрация акцепторов у поверхности базы, см^-3 ;

N – концентрация акцепторов в базе, см^-3 ;

N_дк – концентрация доноров в коллекторном слое, см^-3 ;

q – единичный заряд, Кл;

m - подвижность носителей заряда, см²/В·с;

W – глубина коллекторного p-n перехода, мкм;

Для расчета принимаем N_a0 = 8*10¹⁸ см^-3 ; N_дк = 10¹⁶ см^-3 ; значения интегралов расчитываются численными методами на основе существующих зависимостей подвижности носителей от их концентрации. В результате             r_S = 222,81 Ом/. Типичное значение поверхностного сопротивления базовой области - 200 Ом/, расчитанное значение показывает приемлемость использования выбранных концентраций.

3. Рассчитываем коэффициент формы резисторов и его относительную погрешность:

 

	( 5.3)
	( 5.4)

 

где Dr_S/r_S – относительная погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления легированного слоя, которая вызвана особенностями технологического процесса, для расчета примем ее равной 0,05; ТКR – температурный коэффициент сопротивления базового слоя, он равен 0,003 1/°С.

Результаты расчета  следующие:

 

R1 - R4 :	КФ = 21,094; DКФ/ КФ = 0,00474
R5 :	КФ = 15,719; DКФ/ КФ = 0,00636

 

4. Рассчитаем минимальную  ширину резистора b_точн, которая обеспечит заданную погрешность геометрических размеров:

 

( 5.5)

 

где Db – погрешность ширины резистора;

Dl – погрешность длины резистора

В нашем случае

R1 - R4 :	bточн = 1,0455 мкм
R5 :	bточн = 1,0617 мкм

 

5. Определяем минимальную  ширину резистора b_P , которая обеспечит заданную мощность Р:

 

( 5.6)

 

где Р₀ – максимально допустимая мощность рассеяния для всех ИМС, для полупроводниковых ИМС Р₀ = 4,5 Вт/мм².

В нашем случае

R1 - R4 :	bр = 3,5183 мкм
R5 :	bр = 34,1512 мкм

6. Расчетное значение  ширины резистора определяется  максимальным из расчитанных  значений:

 

b_расч = max{ b_P , b_точн }

 

R1 - R4 :	bрасч = 3,5183 мкм
R5 :	bрасч = 34, 1512 мкм

 

Расчеты b для R₁ - R₄ дают значение ширины резистора меньше технологически возможной (5 мкм), поэтому для последующих расчетов принимаем b_расч = 5 мкм

7. С учетом растравливания  окон в маскирующем окисле  и боковой диффузии ширина  резистора на фотошаблоне должна быть несколько меньше расчетной:

 

bпром = bрасч – 2(Dтрав - Dу)

( 5.7)

 

D_трав – погрешность растравливания маскирующего окисла,

Dу – погрешность боковой диффузии

для расчета примем D_трав = 0,3 ; Dу = 0,6 тогда

R1 - R4 :	bпром = 5,6 мкм
R5 :	bпром = 34,7512 мкм

 

8. Выберем расстояние  координатной сетки h для черчения равным 1 мм и масштаб чертежа 500:1, тогда расстояние координатной сетки на шаблоне

 

 мкм.

9. Определяем топологическую  ширину резистора b_топ . За b_топ принимают значение большее или равное b_пром значение, кратное расстоянию координатной сетки фотошаблона.

В нашем случае

R1 - R4 :	bтоп = 6 мкм
R5 :	bтоп = 34 мкм

 

10. Выбираем тип контактных  площадок резистора. Исходя из  расчитанной топологической ширины выбираем для R₁ - R₄ площадку, изображенную на рис.1а, для R₅ – на рис. 1б.

 

 

 

 

 

 

а	б
Рис. 1 Контактные площадки

 

11. Находим реальную  ширину резистора на кристалле,  учитывая погрешности, вызванные  растравливанием окисла и боковой  диффузией:

 

b = bтоп + 2(Dтрав + Dу)

( 5.8)

 

В нашем случае:

 

R1 - R4 :	b = 7,8 мкм
R5 :	b = 35,8 мкм

 

12. Определяем расчетную  длину резистора:

 

lрасч = b(R/rS – n1k1 – n2k2 – 0,55Nизг

( 5.9)

 

где N_изг – количество изгибов резистора на 90°; k₁, k₂ – поправочные коэффициенты, которые учитывают сопротивление околоконтактных областей резистора при разных конструкциях этих областей; n₁, n₂ – количество околоконтактных областей каждого типа.

В нашем случае

R1 - R4 :	lрасч = 198,579 мкм
R5 :	lрасч = 284,4

 

13. Расчитаем длину резистора на фотошаблоне, учитывая растравливание окисла и боковую диффузию:

 

lпром = lрасч + 2(Dтрав + Dу)

( 5.10)

 

в нашем случае

R1 - R4 :	lпром = 200,84 мкм
R5 :	lпром = 286,2 мкм

 

14. За топологическую  длину резистора l_топ берем ближайшее к l_топ значение, кратное расстоянию координатной сетки на фотошаблоне.

В нашем случае

R1 - R4 :	lтоп = 200 мкм
R5 :	lтоп = 286 мкм

 

15. Расчитываем реальную  длину резистора на кристалле:

 

l = lтоп - 2(Dтрав + Dу)

( 5.11)

 

R1 - R4 :	l = 198,2 мкм
R5 :	l = 284,2 мкм

 

16. Определяем сопротивление  рассчитанного резистора

 

Rрасч = rS ( 1/b + n1k1 + n2k2 + 0,55Nизг)

( 5.12)

 

В нашем случае

 

R1 - R4 :	Rрасч = 4732, 991 Ом
R5 :	Rрасч = 3301, 55 Ом

 

Погрешность расчета:

( 5.13)

 

В нашем случае

R1 - R4 :	DRрасч = 0,007
R5 :	DRрасч = 0,00046

 

Результаты расчета  вполне удовлетворяют заданной погрешности.

 

6. Последовательность  расчета МДП – конденсатора.

МДП-конденсаторы (металл-диэлектрик-полупроводник) используют в качестве диэлектрика  тонкий слой (0,05…0,12 мкм) SiO₂ или Si₃N₄ . Нижней обкладкой служит высоколегированный эмиттерный слой, верхней – пленка алюминия толщиной от 5000 до 1 мкм. Типичный МДП-конденсатор представляет собой обыкновенный плоский конденсатор, и его емкость определяется по формуле, пФ:

 

( 6.1 )