Курсовая работа (т): Проектирование интегрального параметрического стабилизатора напряжения

1.5 Транзисторные стабилизаторы напряжения. Компенсационные стабилизаторы

Стабилизатор имеет структуру эмиттерного повторителя: нагрузка включена в цепь эмиттера, а на базу вместо переменного сигнала подано постоянное опорное напряжение U_оп. Источником опорного напряжения обычно служит диодный стабилизатор.

,  (5)

т.е. выходное наряжение определяется значением опорного напряжения.

Если пренебречь базовым током, то входной и выходной токи практически одинаковы: . Следовательно, увеличение тока нагрузки влечет за собой такое же увеличение коллекторного тока и тем самым - мощности, рассеиваемой в транзисторе. Очевидно, что короткое замыкание на выходе недопустимо, т.к. приводит к перегрузке транзистора. Этот вывод относится ко всем стабилизаторам последовательного типа, у которых регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой. Во избежание перегрузки мощные стабилизаторы последовательного типа снабжают специальной системой защиты.

Выходное сопротивление данного стабилизатора такое же, как у эмиттерного повторителя.

Из того, что сопротивление опорного элемента мало, и выходное сопротивление растет с уменьшением тока и по мере приближения к режиму холостого хода может достигать неприемлемых значений. Чтобы сгладить зависимость выходного сопротивления от тока нагрузки, можно включить параллельно нагрузке (до выходных зажимов) постоянный шунт. Этот шунт обеспечит некоторый остаточный эмиттерный ток даже при холостом ходе.

Если пренебречь сопротивлением коллекторного перехода, т.е. положить , то приращение  не будет проникать в базовую и эмиттерную цепи транзистора, поскольку в коллекторной цепи находится идеальный источник тока (рис. 1.5 б). В этом случае .

С учетом сопротивления  приращение выходного напряжения  в зависимости от  можно записать в виде следующих соотношений:

,

,

где в правых частях стоят коэффициенты передачи соответствующих резистивных делителей напряжения.

Подставляя соотношение  в (1), получаем коэффициент стабилизации:

.  (6)

Рассмотрим теперь более сложную схему. На рис. 1.6. приведена схема транзисторного стабилизатора с последовательным включением регулирующего элемента в виде транзистора Т₁. Напряжение между базой и эмиттером усилительного транзистора Т₂.определяется разностью между напряжением опорного диода Д₁ и напряжением, снимаемым с делителя R₄, R₅ . Опорное напряжение кремниевого стабилитрона выше напряжения делителя, благодаря чему транзистор Т₂ открыт. При неизменном входном напряжении коллекторный ток через транзистор Т₂ будет постоянным и напряжение, поступающее с коллекторной нагрузки R₁ на базу регулирующего транзистора Т₁ также будет постоянным.

Рис. 1.6. Схема транзисторного стабилизатора компенсационного типа

Изменение входного напряжения приводит к изменению напряжения на коллекторной нагрузке транзистора Т₂, что в свою очередь приводит к изменению внутреннего сопротивления транзистора Т₁, и падению напряжения на нем. Для нормальной работы стабилизатора режим работы транзисторов необходимо выбрать так, чтобы при номинальных входном напряжении и токе нагрузки их рабочие токи соответствовали середине линейных участков вольт-амперных характеристик. Применение составных транзисторов в качестве регулирующего элемента приводит к увеличению коэффициента стабилизации. В этом случае возрастает общий коэффициент усиления по току, равный произведению коэффициентов усиления составляющих транзисторов, и уменьшается выходное сопротивление стабилизатора. Увеличением числа составных транзисторов практически нельзя получить сколь угодно большой коэффициент стабилизации, так как его величина сильно зависит от температуры окружающей среды. При изменении температуры на 1°С коэффициент стабилизации меняется примерно на 0,05-0,08%. Для уменьшения воздействия температуры используют термо-компенсирующие элементы, например кремниевые стабилитроны, которые включают в прямом направлении в плечо делителя R₄, R_3.

Низкий КПД является основным недостатком компенсационных стабилизаторов. Чем глубже регулирование выходного напряжения, тем ниже КПД.

Интегральные стабилизаторы напряжения представляют собой сложные стабилизаторы компенсационного типа, выполненные в виде микросхем. Они дают возможность по-новому подходить к вопросам электропитания крупных радиосистем, так как позволяют индивидуальную установку стабилизаторов на каждой съемной плате, а где не требуется стабильность напряжений, применять нестабилизированные источники.

В настоящее время промышленностью выпускаются стабилизаторы в интегральном исполнении на ток до 3 А с напряжением от 1,2 до 30 В. При большей величине тока к стабилизатору подключается дополнительно один или более транзисторов. Дополнительный более мощный транзистор включается таким образом, что образует составной транзистор с основными регулирующими транзисторами стабилизатора.

2. Методы изоляции и технологии изготовления интегральных схем

Для нормальной работы ИМС необходимо, чтобы элементы или группы элементов были размещены в электрически изолированных друг от друга областях. Эти области должны иметь следующие электрические и физические свойства: напряжение пробоя изоляции более высокое, чем напряжение питания ИМС; малую паразитную емкость, небольшие токи утечки, высокую теплопроводность, близость коэффициента термического расширения (КТР) изолирующей области к КТР кремния, большую радиационную стойкость, малую площадь, отводимую под изоляцию. Технологию изготовления ИС различают по принципу создания изоляции.

.1 Изоляция p-n переходом

.1.1 Стандартная технология

Сущность этой технологии состоит в том, что транзисторные структуры формируют локальной диффузией в эпитаксиальном слое n-типа, нанесенном на пластину р-типа, а изолирующие области создают путем проведения разделительной диффузии на всю глубину эпитаксиального слоя.

Последовательность формирования кристалла полупроводниковой ИМС, содержащей транзистор, диод, резистор, конденсатор и внутрисхемные соединения, по стандартной планарно-эпитаксиальной технологии приведена на рис. 2.1. (на рис. 2.1. показана часть пластины, в пределах которой формируется только одна схема).

Рис. 2.1. Последовательность формирования кристалла полупроводниковой ИМС по планарно-эпитаксиальнои технологии:

- подложка р-типа; 2- оксид кремния; 3- скрытый слой n⁺ -типа; 4- эпитаксиальный слой n-типа (коллекторные области); 5- базовая область р-тнпа; 6- эмиттерная область n⁺ -типа; 7- металлизация; 8- конденсатор на основе оксида кремния; 9- диод (U_кб= 0); 10- биполярный транзистор; 11-диффузионный резистор р-типа

Вначале составляют партию пластин с одинаковыми геометрическими размерами и заданным удельным сопротивлением, обычно состоящую из 10-20 шт. В отечественной промышленности используют пластины кремния диаметром 60-102 мм и толщиной 0,2- 0,4 мм, с удельным сопротивлением 1 - 10 Ом•см. Пластины подвергают очистке путем химической обработки поверхности с последующим ее травлением и промывкой в деионизованной или дистиллированной воде (этот процесс повторяют перед каждой последующей операцией). Затем осуществляют процесс окисления поверхности пластин (создание маскирующего оксида) в однозонной диффузионной печи в атмосфере сухого или влажного кислорода или паров воды при температуре ~1150°С.

Первую фотолитографию проводят для вскрытия окон в слое маскирующего оксида кремния. Через окна в оксиде в две стадии на глубину 1-2 мкм проводят диффузию сурьмы или мышьяка, в результате формируется хорошо проводящая n ⁺ -область под коллектором будущего транзистора (рис. 2.1. а).

После этого удаляют оксид кремния со всей поверхности пластин, очищают пластины и осуществляют эпитаксиальное наращивание слоя кремния n-типа (рис. 2.1. б). Для эпитаксиального наращивания используют, как правило, хлоридный метод в эпитаксиальных вертикальных реакторах при температуре ~ 1200°С. При этом получают слои кремния толщиной  8-10 мкм, с удельным сопротивлением 0,1 - 1,0 Ом•см. На поверхности пластины с эпитаксиальным слоем повторным термическим окислением создают слой оксида толщиной 0,5-1 мкм. С помощью процесса второй фотолитографии с определенных участков поверхности пластины селективно удаляют слой оксида - формируют окна в маскирующем слое под разделительную диффузию (рис. 2.1, в). В тех участках, с которых был удален слой оксида, путем разделительной диффузии бора в две стадии формируют изолирующие области р-типа. Первую стадию диффузии проводят при более низкой температуре (примерно 1100°С) в течение незначительного промежутка времени (единицы - десятки минут), вторую - при более высокой температуре (около 1200°С) в атмосфере сухого кислорода в течение времени, необходимого для проникновения бора на всю глубину эпитаксиального слоя. Тем самым создают коллекторные области n-типа, изолированные областями р-типа (рис. 2.1, г), причем распределение примесей в изолированных областях n-типа равномерное, а в изолирующих областях р-типа оно подчиняется закону Гаусса.

Для создания базовых областей транзисторов, резисторов и диодов в изолированные области n-типа проводят диффузию акцепторных примесей. Для этого в оксидном слое путем третьей фотолитографии создают окна с размерами, необходимыми для реализации элементов с требуемыми номиналами. Базовую диффузию проводят в две стадии. В качестве примеси используют бор.

Первая стадия (загонка) осуществляется при температуре 900-1000°С (в зависимости от применяемого источника диффузанта) и начинается в среде аргона и кислорода, а заканчивается в инертной среде - подается один аргон без диффузанта. Загонку осуществляют также ионным легированием. После этого путем травления в азотной или фтористой кислоте с поверхности пластин удаляют боросиликатное стекло.

Вторая стадия (разгонка) проводится при более высокой температуре (1150°С) в окислительной среде, в результате чего происходит перераспределение бора на определенную глубину. При этом создаются базовые области глубиной 2,5-3,5 мкм с удельным поверхностным сопротивлением 150-300 Ом/, а на поверхности пластин - слой оксида кремния (рис. 2.1, д).

Затем формируют эмиттерные области n⁺ -типа, которые служат эмиттерами транзисторов, катодами диодов, обкладками конденсаторов, омическими контактами к коллекторным областям, а иногда и внутрисхемными соединениями. Для этого пластины подвергают четвертой фотолитографии, за счет чего получают окна в оксидном слое под эмиттерные и контактные области к кремнию n-типа. Формирование эмиттерных областей n⁺ -типа осуществляется диффузией фосфора в одну или две стадии в кислородной среде. Диффузия фосфора проводится на глубину 0,8-2 мкм, при этом создаются высоколегированные области n⁺ -типа, удельное поверхностное сопротивление, которых составляет единицы ом на квадрат (рис. 3.1, е). Независимо от стадийности процесса диффузии (одна или две) распределение примеси в этих областях подчиняется функции erfc.

Заканчивается процесс получения полупроводниковых структур ИМС созданием внутрисхемных соединений и формированием защитного покрытия. Для этого вначале с поверхности пластины удаляют фосфоросиликатное стекло, а затем поверхность пластин окисляют для получения защитного оксида толщиной около 1 мкм. Этот слой оксида является также маскирующим при создании омических контактов металл - полупроводник. С этой целью методом пятой фотолитографии вскрывают окна в слое оксида под омические контакты (рис. 2.1. ж), поверхность пластин тщательно очищают, а затем термическим испарением в вакууме на поверхность пластин наносят слой алюминия толщиной 1-1,5 мкм. Алюминий наносят равномерно на всю поверхность пластины как на слой оксида, так и на участки, обработанные путем травления при фотолитографии. Затем поверхность алюминия подвергают фотогравировке с помощью шестой фотолитографии, чтобы получить внутрисхемные соединения необходимой конфигурации и контактные площадки; термообработка пластин дает хорошие контакты. На заключительном этапе наносят защитный слой оксида кремния и фотолитографией в нем вскрывают окна к контактным площадкам. На этом этапе заканчивается процесс формирования кристаллов ИМС. Структура готового кристалла ИМС показана на рис. 2.1. з (защитный слой не показан).

В производственных условиях после каждого этапа формирования ИМС осуществляют контроль. Так, после фотолитографии, чистки, окисления пластины подвергают 100%-ному контролю визуально. Диффузионные области контролируют после фотолитографии путем измерения удельного поверхностного сопротивления или снятия ВАХ. на образцах-спутниках либо по тестовым ячейкам. Пластины с готовыми микросхемами контролируют на функционирование с помощью зондовых установок. Забракованные микросхемы метят краской. После такого контроля пластины поступают на разделение на кристаллы, годные из них - на сборку.

Основными недостатками данного типового процесса изготовления ИМС являются случаи перераспределения примесей в ранее сформированных областях при последующих высокотемпературных операциях, что необходимо учитывать при расчетах и проектировании, а также наличие паразитных емкостей и токов утечки изолирующих р-n-переходов, что особенно сказывается в быстродействующих и микромощных цифровых и высокочастотных аналоговых микросхемах.

По стандартной планарно-эпитаксиальной технологии с разделительной диффузией изготовляют различные типы биполярных ИМС. Технология сравнительно проста, хорошо освоена в промышленных условиях и поэтому используется в наибольшем числе разработок и массового выпуска ИМС

.1.2 КИД-технология

Данная технология основана на использовании тонких эпитаксиальных слоев и коллекторной изолирующей диффузии (вместо разделительной в стандартном процессе).

Рис. 2.2. Последовательность формирования полупроводниковой ИМС по КИД-технологии

Сущность технологии изготовления полупроводниковых ИМС с использованием изолирующей коллекторной диффузии заключается в том, что коллекторные контактные области n⁺-типа формируют на всю глубину эпитаксиального слоя. Процесс осуществляется в такой последовательности. Сначала в высокоомную пластину р-типа проводят локальную диффузию для формирования скрытых слоев n⁺-типа, после чего выращивают тонкий (1-2 мкм) эпитаксиальный слой р-типа (рис. 2.2, а). Затем проводят локальную диффузию примеси n⁺-типа (коллекторных контактных областей) сквозь эпитаксиальный слой р-типа до смыкания со скрытым слоем. При этом образуются локальные эпитаксиальные слои р-типа, изолированные от подложки коллекторным слоем n⁺ -типа (рис. 2.2,б). Базовые области р-типа формируют диффузией без применения фотошаблонов, что улучшает качество транзисторов. В дальнейшем формируют эмиттерные области, металлизированные соединения и защитный слой. В итоге получают транзисторные структуры (рис. 2.3, в), изоляция которых осуществляется с помощью обратносмещенных р-n-переходов, хотя фактической изолирующей диффузии не проводится.

По сравнению со стандартной технологией КИД-технология проще. Технологический цикл изготовления кристаллов сокращается на 1-2 фотолитографические операции, что повышает процент выхода годных ИМС и снижает их стоимость. КИД-технология благодаря простоте изготовления ИМС, большей в 1,5-2 раза плотности размещения элементов по сравнению со стандартным процессом, схемной универсальности и высокому быстродействию изготовляемых ИМС получила самое широкое распространение. С ее помощью осуществляют производство большинства типов ИМС.