Последовательность расчета параметров интегральных резисторов.
Параметры, которые определяют сопротивление интегрального резистора, можно разделить на две группы 1 параметры полупроводникового слоя толщина W характер распределения примеси по глубине N x зависимость подвижности носителей заряда от концентрации N 2 топологические параметры длина резистора l ширина резистора b. Первая группа параметров оптимизируется для получения наилучших результатов интегральных транзисторов.
Именно для этого расчет транзисторов производится в первую очередь. Таким образом, задача расчета резистора сводится к выбору полупроводникового слоя, в котором будет создаваться резистор, и формы контактов и вычисления длины и ширины.
Воспроизводимость номинальных значений сопротивления обычно равна 15-20 и зависит от ширины резистора. Так, при возрастании ширины от 7 до 25 мкм точность воспроизведения номинала возрастает с 15 до 18 . 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 R. Исходя из технологических возможностей оборудования выберем R 20 3 рабочий диапазон температур Tmin , Tmax. 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 Tmin -60 С Tmax 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 Na0 - концентрация акцепторов у поверхности базы, см-3 N - концентрация акцепторов в базе, см-3 Nдк - концентрация доноров в коллекторном слое, см-3 q - единичный заряд, Кл - подвижность носителей заряда, см2 Вс W - глубина коллекторного p-n перехода, мкм Для расчета принимаем Na0 8 1018 см-3 Nдк 1016 см-3 значения интегралов расчитываются численными методами на основе существующих зависимостей подвижности носителей от их концентрации.
В результате 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 S 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 КФ КФ 0,00474 R5 КФ 15,719 КФ КФ 0,00636 4. Рассчитаем минимальную ширину резистора bточн, которая обеспечит заданную погрешность геометрических размеров 5.5 где b - погрешность ширины резистора l - погрешность длины резистора В нашем случае R1 - R4 bточн 1,0455 мкм R5 bточн 1,0617 мкм 5. Определяем минимальную ширину резистора bP , 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 bрасч max bP , bточн 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 bрасч 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 трав - у 5.7 трав - погрешность растравливания маскирующего окисла, у - погрешность боковой диффузии для расчета примем трав 0,3 у 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 bтоп. За bтоп принимают значение большее или равное bпром 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 трав у 5.8 В нашем случае R1 - R4 b 7,8 мкм R5 b 35,8 мкм 12. Определяем расчетную длину резистора lрасч b R S - n1k1 - n2k2 - 0,55Nизг 5.9 где Nизг - 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 трав у 5.10 в нашем случае R1 - R4 lпром 200,84 мкм R5 lпром 286,2 мкм 14. За топологическую длину резистора lтоп берем ближайшее к lтоп 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 трав у 5.11 R1 - R4 l 198,2 мкм R5 l 284,2 мкм 16. Определяем сопротивление рассчитанного резистора Rрасч S 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 Rрасч 0,007 R5 Rрасч 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 где д э - диэлектрическая постоянная диэлектрика 0 - диэлектрическая постоянная вакуума, 0 8,8510-6 пФ мкм S - площадь верхней обкладки, мкм2 d - толщина диэлектрика, мкм. В противоположность диффузионным конденсаторам МДП-конденсаторы могут работать при любой полярности приложенного напряжения.
Кроме того, их емкость не зависит от приложенного напряжения и частоты переменного тока. Исходные данные для расчета. необходимое значение емкости С 20 пФ допуск на емкость С 20 рабочее напряжение U 4 В интервал рабочих температур УХЛ 3.0 Тmin -60 C, Тmax 40С рабочая частота 500 МГц. 1. Задаемся напряжением пробоя конденсатора исходя из заданного рабочего напряжения Uпр 2 3 U 6.2 В нашем случае Uпр 12 В. 2. Определяем толщину диэлектрика, мкм d Uпр Епр 6.3 где Епр - электрическая прочность диєлектрика, для SiO2 Епр 103 В мкм. В нашем случае d 0,012 мкм 3. Емкость МДП - конденсатора определяется по формуле, 6.1 , пФ, исходя из которой площадь верхней обкладки, мкм2 6.4 SiO2 4, в нашем случае S 6822,76 мм2. Ширина конденсатора, мкм 6.5 В нашем случае 82,6 мкм 4. Выбираем расстояние координатной сетки для черчения h равным 1 мм, масштаб M выбираем равным 500 1. Расстояние координатной сетки Hf h M 6.6 В нашем случае Hf 2 мкм. 5. Приводим ширину конденсатора к расстоянию координатной сетки атоп Hf 6.7 здесь х - целая часть х. В нашем случае атоп равно 41 расстоянию координатной сетки. 6. Рассчитываем емкость Срасч рассчитанного конденсатора по формуле 6.1 Срасч 20,1271 пФ. 7. Рассчитываем отклонение Срасч от С 6.8 В нашем случае Срасч 0,636 , что вполне удовлетворяет заданной в начале расчета погрешности. 7.