Разработка конструкции и топологии ИМС датчика фазы

в) Расчет режимов диффузии эмиттерной области.

Определим концентрацию примеси на уровне перехода Э-Б N_исх.э.

    ;     где       ;         

Полагая для высоколегированного  эмиттера, что , а

 N´_срЭ = N_срЭ, то Q_Э = N_срЭ ∙ Х _{пер(Э-Б)} = 1/(q ∙ m ∙ )

т.к. N_ср ∙ r_Э/R_сл = N_ср/(q ∙ m ∙ R_сл ∙ N_ср)

Для определения Q_Э воспользуемся требованием высокой проводимости эмиттера, которая должна иметь удельное поверхностное сопротивление £ 2 : 3 Ом. Примем R_cл = 2 Ом.

Тогда r_Э = R_сл∙Х_{пер(Э-Б)} =2∙0.0002=4∙ Ом-см.

Из графика r = f(N) приближенно определим концентрацию примеси в эмиттере N_Э = 4 ∙ . Из графика m = f(N_Э)   m = 100

Тогда Q_Э= .

 Поделим Q_Э на       

Из графика D ∙ t =  f[ ] получим

Концентрация примеси  доноров в эмиттере.

            

пусть  Т_рэ = 1020°С, N_исхэ = .

Из графиков D = f(T), D_рэ = Отсюда t_рэ = 24 мин.

Доза легирования в процессе загонки определяется по формуле:

Q_ЗЭ = 1.13 ∙ N_оз ∙

Отсюда для процесса загонки примеси в эмиттер       (5)

Полагая N_озэ =   D_зэ∙t_зэ = (6).

При Т_зэ = 930°С, N_исхэ =   по графику D = f(T) , D_зэ  =

      Из (6)  t_зэ = 

Окончательно: N_исхЭ = ; N_оэ = ;

Q_Э = ; Т_рэ = 1020°С; t_рэ = 24 мин.

D_рэ = ; Т_зэ = 930°С; t_зэ = 28 мин.; D_зэ  = .

 

г) Расчет поверхностного сопротивления областей транзисторов.

Для контроля и проектирования диффузионных резисторов необходимо знать величины поверхностных сопротивлений областей транзистора, которые определяются по формуле:

1. Определим поверхностное сопротивление коллектора:

r_ок = 7 ∙ по графику r = f(N), при N_ОК =

Для равномерно легированного кремния  Ом.

2. Определим поверхностное сопротивление базовой области:

где N´_срБ  - средняя концентрация введенной примеси;  

N_исх.ср = N_к – N_ок при равномерно легированном коллекторе m_рб = f(N_Σ)

m_рб – подвижность дырок в области базы.

N_Σ – суммарная концентрация примеси на глубине Х = Х_{пер.(Б-К)}

N_Σ = N´_{ср б} + N_к = + =

Из графика m = f(N), m = 180,

тогда

R_{сл б} = ( )/( ) = 330 Ом.

3. Определим поверхностное сопротивление эмиттерной области:

r_э = 1/((q ∙ m_n) ∙ (N´_{ср э} – N_{ср исх}));

Для диффузионных областей, где распределение  примеси неравномерно по глубине, разность концентраций должна иметь смысл  средней концентрации, нескомпенсированной примеси N_ср, найденной в пределах 0 - Х_пер.

N_ср = N´_ср  – N_{исх ср}, где N´_ср – полная концентрация введенной примеси.

 

N_ср.б – средняя концентрация р - примеси до Х_{пер(Б-Э)}

Находим N_ср.б также как и N_ср.Э,  только берем Q_б,  Х_{пер(Б-Э)},  Д_рб и t_рб.

Получим, что N_ср.б =

N_исх.ср  = - = .

N_Σ(э)=N´_срЭ+N_ср.б +N_ок= + + = .

По графику m = f(N_Σ) при N_Σ = , m =50, тогда                   

r_э = Ом∙см.

R_{сл э} = / = 1.14 Ом.

Окончательно: R_{сл к} = 41.7 Ом; R_{сл б} = 330 Ом; R_{сл э} = 1.14 Ом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Топологический  расчет транзистора.

 

Цель топологического  расчета – получение в плане  минимально возможных размеров областей транзистора, которые зависят от мощности рассчитываемой транзистором и следующими топологическими ограничениями.

а) Минимальный размер элемента топологического рисунка  а_min обусловленный разрешающей способностью процесса фотографии (4мкм).

б) Максимальное отклонение размера элемента рисунка ±∆1 = 0,5 мкм обусловлены погрешностями размеров элементов рисунков фотошаблона и погрешностями размеров на операциях экспонирования и травления.

в) Погрешностями смещения ±∆2 = ±2 мкм.

г) Боковая диффузия примеси  под маскирующий окисел.

При высоких уровнях  тока резко проявляется эффект оттеснения эмиттерного тока. Поэтому токонесущая способность транзистора определяется не площадью эмиттера, а периметром. Отсюда при проектировании эмиттера необходимо обеспечить максимальное отношение периметра к площади.

а) Периметр эмиттерной области можно определить по формуле:

П = 6 ∙ J_Э1 = 2 ∙ l _Э1 + 2 ∙ l _Э2 (в мкм)          (*)

Jэ – максимальный ток эмиттерной области, мА.

l _Э1,  l _Э2 – длина и ширина эмиттерной области, мкм.

Для обеспечения максимального  отношения периметра к площади, примем l _Э1 = l _Эmin = а_min + 2 ∙ Х_{пер(Э-Б)}= 4 + 2 ∙ 2 = 8 мкм;

Из формулы (*): мкм; при J_Э = 5 мА.

Размер окна под эмиттерный контакт примем l_ЭК = а_min = 4мкм.

Размер проводника над эммитером:

 

 

 

 

 

 

 

l_ЭП  ³ l_ЭК + 2 ∙ ∆2 = 9 мкм.

При дальнейшем расчете  необходимо учесть следующие требования:

а) Расчет вести на наиболее неблагодарное сочетание погрешностей;

б) Отсутствие перекрытия перехода кромкой  проводника (уменьшение паразитной емкости);

в) Полное заполнение металлом окна под  контакт;

г) Расстояние между боковыми переходами смежных областей равно диффузионной длине не основных носителей.

Учитывая условие б) имеем: l_Э  =  l_ЭП +2∙∆l + 2 ∙∆2=9 + 1 + 4 = 14 мкм

Размер окна под диффузию эммитерной области:

l_ОЭ  =  l_Э – 2 ∙ Х_{пер(Э-Б)}= 14 – 4 = 10 мкм.

Окончательно: l _ЭП  = 9 мкм;

                         l_ЭК  = 4 мкм;

                          l_ОЭ  = 10 мкм;

                           l_Э = 14 мкм;

Расчет размеров базовой  области

 

Топологический расчет базовой области сводится к определению  расстояния между переходами в месте  расположения базового контакта d_Б1

и расстояния d_Б2 на участках, где нет контакта.

Размер окна под боковой контакт  l_БК≥ аmin.

Размер базового проводника l_БП = l_БК + 2∙∆1 + 2∙∆2=1 + 4 + 4 = 9 мкм.

Учитывая  требования б), размер между переходами Э-Б и Б-К, где есть базовый контакт: d_Б1= l_БП+2∙∆1+2∙∆2+аmin= 9 + 1 + 4 + 4 = 18 мкм.

Размер  между переходами Э-Б и Б-К со стороны, где нет базового контакта

 

 

 

 

 

При соблюдении требования г) {l_ПБ = 4 мкм.}

           d_Б2 = l_ПБ + ∆1 + ∆2 = 6.5 мкм.   Примем d_Б2 = 7 мкм.

Определим большую сторону  базовой области:

           l_Б1 = l_Э + d_Б1 + d_Б2 = 14 + 18 + 7 = 39 мкм.

Определим размер меньшей  стороны базовой области:

           l_Б2 = l_Э + 2 ∙ dБ2= 14 + 14 = 28 мкм.

Размеры окна под диффузию базы: l_БО1 = l_Б1 – 2∙Хпер.(Б-К) = 33 мкм.

                                                            l_БО2 = l_Б2 – 2∙Хпер.(Б-К) = 22 мкм.

Окончательно:      l_БК = 4 мкм;       l_Б2= 28 мкм.       l_БО1= 33 мкм.

                               l_БП= 9 мкм.       l_Б1= 39 мкм.      l_БО2= 22 мкм.

                              

 

Расчет  размеров коллекторной области.

Размер окна под коллекторный контакт примем:

L_on+ = l_КК = аmin  = 4 мкм.

Тогда размер коллекторного проводника:

l_КП = l_КК + 2 ∙ ∆1 + 2 ∙ ∆2 = 9 мкм.

а размер между переходами К-П и Б-К в стороне контакта:

d_К1 = l_КП + 2 ∙ ∆1 + 2 ∙ ∆2 + аmin  = 18 мкм.

Размер между переходами К-П и К-Б в стороне, где нет  контакта, но есть n+-область: l_n+ = l_оn+ +2 ∙ Хпер.(Б-Э)= 4 + 4 = 8 мкм.

 d_K2 = l_n+ + 2 ∙ ∆1 + 2 ∙ ∆2= 8 + 1 + 4 = 13 мкм.

 

 

 

Размер большой стороны  коллекторной области:

l_K1 = l_Б1 + d_К2 + d_К1=39 + 31 = 70 мкм.     

l_К2 = l_Б2 + 2∙d_К2= 28 + 18 + 13 = 59 мкм.

Размер окна под разделительную диффузию примем lор = аmin  = 4 мкм.

Тогда размер между коллекторными областями  в плане (ширина изолирующего канала): B = l_OP + 2∙Хпер(К-П)=4 + 2 ∙ 16.75 = 37.5 мкм.

Окончательно:    l_КК = 4 мкм     l_К2 = 59 мкм     l_n+ = 8 мкм     l_OP = 4 мкм

                              l_КП= 9 мкм       l_К1= 70 мкм      в = 37,5 мкм

                         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет геометрических размеров резисторов.

 

         Расчет геометрических размеров интегрального полупроводникового резистора начинают с определения его ширины. За расчетную ширину b резистора принимают значение, которое не меньше наибольшего значения одной из трех величин: b_техн, b_точн, b_р, т.е. , где b_техн  - минимальная ширина резистора, определяемая разрешающей способностью технологических процессов (4 мкм); b_точн - минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная погрешность геометрических размеров; b_р  - минимальная ширина резистора, определяемая из максимально допустимой мощности рассеяния.

 

         Диффузионные резисторы выполнены  на основе базового слоя, имеющего  .

1. Определяем коэффициенты формы резисторов:

 

2. Расчет геометрических размеров резистора R1 (аналогично R2):

 мкм

 мкм

 мкм

 мкм

 мкм

 

3. Расчет геометрических размеров резистора R3:

 мкм

 мкм

 мкм

 мкм