Курсовая работа (т): Проектирование интегрального параметрического стабилизатора напряжения

Для формирования кристалла ИМС по V-ATE-процессу используют двухслойные кремниевые пластины р-типа с эпитаксиальным n-слоем и скрытыми n⁺ -слоями, в которых локальной диффузией акцепторной примеси создают базовые области (рис. 2.11, а). Затем в условиях маскирования оксидом кремния производят травление V-образных канавок на всю глубину эпитаксиального слоя (рис. 2.11, б), после чего поверхность V-образных канавок покрывают тройным диэлектрическим слоем SiO₂ - Si₃N₄ - SiO₂ (рис. 2.11, в). После этого формируют локальные высоколегированные эмиттерные и приконтактные коллекторные области n⁺ -типа. Завершают процесс металлизацией, для чего используют Аl или трехслойную систему Ti - Pt - Аu. При этом металлизированная разводка расположена на рельефной поверхности (рис. 2.11, г).

Отличительной особенностью VIP-процесса является формирование кристаллов ИМС с гладкой поверхностью, что повышает качество и надежность внутрисхемных соединений. Для этого полученную после травления рельефную поверхность (рис. 2.12, а) защищают двойным слоем SiO₂ - Si₃N₄ (рис. 2.12, б), поверх него выращивают поликристаллический кремний, лишнюю часть которого удаляют полированием до слоя Si₃N₄ (рис. 2.12, в). Завершают формирование элементов и внутрисхемных соединений металлизацией, как по обычной технологии (рис. 2.12, г) [3].

3. Электрическая схема разрабатываемого элемента

Для проектирования мною выбрана простейшая схема транзисторного стабилизатора напряжения.

Рис. 3.1. Электрическая схема проектируемого элемента.

Простейшая схема однокаскадного стабилизатора последовательного типа приведена на рис. 3.1. Эталонным источником напряжения Э является стабилитрон Д. При изменении входного напряжения U_вх в начальный момент изменяется и напряжение U_вых. Следовательно, изменяется напряжение между базой и эмиттером транзистора, которое складывается из разности напряжений на стабилитроне и U_вых. В результате изменяется падение напряжение на участке эмиттер - база и сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером) изменяется. Соответственно меняется и падение напряжения на транзисторе, компенсируя изменение входного напряжения. Выходное напряжение при этом остается практически неизменным.

. Расчет составных параметров

Зададим для начала толщины некоторых слоев и глубины залегания переходов: толщина слоя коллектора (не считая скрытого n⁺ слоя) - 9 мкм, глубина залегания база-коллекторного p-n перехода - 3 мкм.

Выберем концентрации слоев:

N_К = 5∙10¹⁵ см^-3 - концентрация примеси в коллекторе

N_p = 10¹⁸ см^-3 - концентрация примеси в базе

N_n= 2∙10²¹ см^-3 - концентрация примеси в эмиттере.

По графическим зависимостям, приведенным в Е.А Федотове, определяем соответствующие подвижности носителей зарядов:

μ_К = 1295 см²/(В∙с) - подвижность носителей заряда в коллекторе

μ_p = 100 см²/(В∙с) - подвижность носителей заряда в базе

μ_n = 50 см²/(В∙с)- подвижность носителей заряда в эмиттере

Находим значения удельной электропроводности слоев:

     Ом^-1см^-1,

    Ом^-1см^-1,

    Ом^-1см^-1,

где e = 1.6∙10^-19 Кл - заряд электрона.

Произведем расчет параметров транзистора VT.

Найдем диффузионную длину электронов L

,                                           (1)

где τ =10^-7 с [1]

 = 3865 (см²/с),

где D - коэффициент диффузии электронов

L = = 0,0622 (см).

Рассчитаем коэффициент инжекции электронов из эмиттера в базу для случая бездрейфового транзистора:

,                     (3)

где W - ширина базы.

Рассчитаем коэффициент переноса электронов через базу. Он будет равен:

, b = 1 - 12,8W²,                            (4)

; ;

;

Полученное нами кубическое уравнение решается в математическом пакете Maple. Полученные корни равны 10.3, 0.94 и (-2.11). Так как ширина базы W не может быть отрицательной третий корень, равный -2.11, отпадает. Ширина базы должна быть порядка 1 мкм, следовательно значение 10.3 нам так же не подходит. Из этого делаем вывод, что ширина базы равна W=0.94(мкм).

Найдем пробивное напряжение коллекторного p-n перехода. Для этого воспользуемся соотношениями и параметрами из [2]

,                         (5)

где ,3

  =3.6∙10⁷ В/м - максимальная напряженность поля, при которой возможен пробой (определяется из графической зависимости в [2] )

   = 8.85∙10^-12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума.

Из формулы (5) найдем значение

(В)

Расчет пробивного напряжения дает значение =114В. Такое значение удовлетворяет заданию (по заданию  ≥ 20 В).

Проверим теперь, не произойдет ли прокола базы. Для этого рассчитаем ширину области пространственного заряда, которая распространится в базу при обратном смещении коллекторного перехода [1]

,           (6)

Здесь  - общая ширина ОПЗ

Мы видим, что . Таким образом прокола базы не произойдет.

Рассчитаем теперь пробивное напряжение стабилитрона VD, формируемого на основе базо-эмиттерного перехода. Это напряжение рассчитывается аналогично коллекторному.

= 1.86∙10⁸ В/м [2], = 6.57 В

Следующий расчетный параметр - коэффициент стабилизации

,                    (7)

где  - выходное стабилизированное напряжение 9 В,  - напряжение питания.

Принимаем отношение U_вых /U_вх ≈1

dU_вых /dU_вх  = К_л=К_ст=1+ R₁/r_б

 - определяются как сопротивление проводников длиной  и поперечным сечением  

Расчет сопротивления базы даёт значение, равное :

      = 0,0034

Расчет коэффициента стабилизации приводит к результату:

 =1+1/0,0034=295,26.

Рассчитаем параметры резистора R.

Расчетную длину резистора определяют по формуле:

где  - количество изгибов резистора на угол 90^о, принимаем равное 0; , - поправочные коэффициенты, учитывающие сопротивление контактных областей и зависящие от конфигурации контактной области; ,  - число контактных площадок, ; R - сопротивление резистора;  - поверхностное сопротивление резистивного слоя.

k=0,55.

Рассчитаем поверхностное резистивного слоя

,

.

Оценим промежуточное значение длины резистора:

Реальная длина резистора на кристалле:

Находим относительную погрешность коэффициента формы резистора:

.

Определим ширину  по следующей формуле:

∆b и l∆ - абсолютные погрешности ширины и длины резистивной полоски, обусловленные технологическими процессами.

.

Определим промежуточное значение ширины резистора:

.

Определяем сопротивление резистора по следующей формуле:

, что удовлетворяет техническому заданию.

5. Топология разрабатываемой ИМС

Рис. 4.1. Топология проектируемого элемента.

Топология представлена на рисунке 4.1 и имеет несколько особенностей: 1)транзистор имеет подковообразные формы эмиттера и коллектора, что увеличивает растекание рабочего тока и увеличивает мощность транзистора; 2) резистор имеет форму тонкой полоски из-за того, что он высокоомный (R=1087,45 Ом). Сама же топология была спроектирована с требованием компактного расположения ее составных элементов.

6. Разработка профильной схемы технологического маршрута ИМС

1)   Механическая обработка поверхности рабочей стороны Si пластины р-типа до 14-го класса чистоты и травление в парах НСl для удаления нарушенного слоя;

2)   Окисление для создания защитной маски при диффузии примеси n-типа, толщина равна 1 мкм;

3)   Фотолитография для вскрытия окон в окисле и проведения локальной диффузии As в местах формирования скрытых слоев;

4)   Диффузия для создания скрытого n⁺-слоя, глубина 3 мкм;

5)   Снятие окисла и подготовка поверхности перед процессом эпитаксиального наращивания;

Окисление поверхности эпитаксиального слоя для создания защитной маски при разделительной диффузии, проводится 40 минут в сухом O2 при температуре 1000С;

1)   Фотолитография для вскрытия окон под разделительную диффузию;

2)   Фотолитография для вскрытия окон под разделительную диффузию;

3)   Окисление

4)  Фотолитография для вскрытия окон под базовую диффузию;

5)  Формирование базового слоя диффузией примеси р-типа;

6)   Окисление

7)   Фотолитография для вскрытия окон под эмиттерную диффузию;

8)  Формирование эмиттерного слоя диффузией примеси n-типа;

9)  Фотолитография для вскрытия контактных окон;

10)Напыление пленки алюминия;

11)Фотолитография для создания рисунка разводки и нанесение слоя защитного диэлектрика

12)Монтаж кристаллов на ленту

13)Термокомпресия

14)Герметизация корпуса

15)Испытания, классификация, сортировка

16)Маркировка

17)Упаковка и складирование.

7. Комплект фотошаблонов к топологии разрабатываемой ИМС

Мною были изготовлены фотошаблоны к разрабатываемой ИМС. Фоторезист был выбран позитивный.

Рис. 6.1. Фотолитография для вскрытия окон в окисле для проведения локальной диффузии

Рис. 6.2. Фотолитография под разделительную диффузию

Рис. 6.3. Фотолитография под базовую диффузию

Рис. 6.4. Фотолитография под эмиттерную диффузию

Рис. 6.5. Фотолитография под коллекторную диффузию

Рис. 6.6. Фотолитография для вскрытия контактных окон

Рис. 6.7. Фотолитография для создания рисунка разводки

Заключение

В курсовой работе рассмотрены основы работы, простейшие схемы стабилизации напряжения, их особенности в интегральном исполнении. Также рассчитаны параметры составных элементов схемы , разработан технологический маршрут, топология интегрального параметрического стабилизатора напряжения.

В качестве изоляции была использована p-n-переходом, наиболее распространенный метод изоляции, отличающийся простотой и технологичностью процесса, а также малой стоимостью изготовления изделий по данной технологии.

Что касается топологии, то она отвечает требованию наиболее экономичного расположения элементов.

Список цитируемой литературы

1.    К.В. Шалимова. Физика полупроводников: Учебник для вузов.- М.: Энергоатомиздат, 2014. 392 с., ил.

2.      Р.Маллер, Т.Кейминс. Элементы интегральных схем: Пер. с англ. - М.: Мир, 2009. - 630 с., ил.

.        Л.А. Коледов, В.А. Волков, Н.И. Докучаев, Э.М. Ильина, Н.И. Патрик. Конструирование и технология микросхем, Курсовое проектирование: Учеб. пособие для вузов.- М.: Высш. шк., 2009. 231 с., ил.

.        И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность: Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов.- М.: Высш. шк., 2011. 464 с., ил.

.        А.А. Щука. Электроника: Учеб. пособие для вузов.- Санкт - Петербург: БХВ - Петербург, 2010. 799 с., ил.