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.

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]

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.

3. Расчет интегрального транзистора

1. Определяем максимальное пробивное напряжение Ukbo из неравенства.

(В), (1)

где Ukbmax = 20 (В) — максимальное напряжение на коллекторном переходе.

2. По графику зависимости Ukbпр (Nak) определяем концентрацию акцепторов в эпитаксиальном слое Nak .

(см-3).

3. Определяем подвижность электронов из графика зависимости подвижности от концентрации ?(Nak).

(см2/В· с).

4. Определяем длину диффузионного смещения доноров в базе.

(мкм). (2)

5. Вычисляем диффузионный потенциал U0.

(В). (3)

6. Рассчитаем контактную разность потенциалов? к на коллекторном переходе.

(В), (4)

где k — постоянная Больцмана; e — заряд электрона;

; (см-3).

7. Выбираем величину диффузионного смещения акцепторов в эмиттерном кармане.

. (5)

8. Расcчитываем ширину области объемного заряда, распространяющуюся в сторону коллектора? Xkk и в сторону базы? Xkb при максимальном напряжении на коллекторном переходе Ukbmax.

(мкм). (6)

(мкм). (7)

9. Ширина высокоомного коллектора Xkk должна быть больше или равной ширине слоя объемного заряда? Xkk. Используем оксидную изоляцию Xсс=0.3 мкм. Определяем толщину эпитаксиального слоя.

(мкм). (8)

10. Учитывая, что в приближении малой инжекции ?=La?Xi/Ld?Wba вычисляем время жизни неосновных дырок в базе вблизи эмиттерного перехода.

. (9)

. (10)

11. Оцениваем технологическую ширину базы по соотношению.

(мкм). (11)

12. 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)

14. Уточняем технологическую ширину базы.

(мкм). (15)

15. Определяем ширину активной базы.

(16)

(мкм). (17)

(18)

16. Проверяем величину ?. 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.

NA=1?1015 см-3 — концентрация легирующей примеси.

bk=2 мкм — ширина канала.

hi=0,5 мкм — глубина p-n± переходов.

Cox=4?10−8 Ф/см2 — удельная емкость подзатворного диэлектрика.

lk=2 мкм — длина канала.

U`пор=0,8 В.

СЗК=4,8?10−8 Ф/см2 — удельная ёмкость затвор-канал.

?nS=750 см2? В-1?с-1 — поверхностная подвижность электронов.

UЗ=3 В — напряжение на затворе.

UC=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)

S (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:

bk=1 мкм — ширина канала;

hi=0,2 мкм — глубина p-n± переходов;

lk=1 мкм — длина канала;

UЗ=2 В — напряжения на затворе;

UC=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.

5. Разработка технических требований

1. Наименование изделия:

Полупроводниковая интегральная микросхема «Параметрический стабилизатор».

2. Назначение:

Используется стабилизации напряжения в слаботочных схемах, либо как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов.

3. Максимальный ток коллектора: 4 мА.

4. Максимальный ток базы: 0.4 мА.

5. Максимальный ток эмиттера: 4.5 мА.

6. Входное напряжение: 2 В.

7. Выходное напряжение: 2.5 В.

9. Габаритные размеры: 10?10?3 мм.

6. 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.

Операция фотолитографии.

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.

100%-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

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Интегральная_схема.

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Стабилизатор.

3. http://electro-voto.ru/publics/arts/post-26/

4. Коледов Л. А., Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок, «Лань»: М. — 400 с.

5. Р. М. Терещук, К. М. Терещук, С. А. Седов, Справочник радиолюбителя, — Государственное издательство технической литературы УССР, 1957. с. 356.