Разработка интегральной микросхемы параметрического стабилизатора

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 [3].

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]

. 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.

. Расчет интегрального транзистора

. Определяем максимальное пробивное напряжение Ukbo из неравенства.

 (В),                     (1)

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

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

 (см-3).

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

(см2/В·с).

. Определяем длину диффузионного смещения доноров в базе.

 (мкм).                      (2)

. Вычисляем диффузионный потенциал U0.

 (В).                       (3)

. Рассчитаем контактную разность потенциалов ϕк на коллекторном переходе.

 (В),               (4)

где k - постоянная Больцмана; e - заряд электрона;

 ;  (см-3).

. Выбираем величину диффузионного смещения акцепторов в эмиттерном кармане.

.                     (5)

. Расcчитываем ширину области объемного заряда, распространяющуюся в сторону коллектора ΔXkk и в сторону базы ΔXkb при максимальном напряжении на коллекторном переходе Ukbmax.

(мкм).       (6)

 (мкм).        (7)

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

 (мкм).               (8)

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

.                        (9)

.                  (10)

. Оцениваем технологическую ширину базы по соотношению.

(мкм).        (11)

. 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)

. Уточняем технологическую ширину базы.

 (мкм).                      (15)

. Определяем ширину активной базы.

               (16)

(мкм).       (17) 

            (18) 

. Проверяем величину β. 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.

Cox=4×10-8 Ф/см2 - удельная емкость подзатворного диэлектрика.=2 мкм - длина канала.`пор=0,8 В.

СЗК=4,8×10-8 Ф/см2 - удельная ёмкость затвор-канал.

μnS=750 см2×В-1×с-1 - поверхностная подвижность электронов.З=3 В - напряжение на затворе.=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) (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:=1 мкм - ширина канала;=0,2 мкм - глубина p-n+- переходов;=1 мкм - длина канала;З=2 В - напряжения на затворе;=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.

. Разработка технических требований

. Наименование изделия:

Полупроводниковая интегральная микросхема «Параметрический стабилизатор».

. Назначение:

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

. Максимальный ток коллектора: 4 мА.

. Максимальный ток базы: 0.4 мА.

. Максимальный ток эмиттера: 4.5 мА.

. Входное напряжение: 2 В.

. Выходное напряжение: 2.5 В.

. Габаритные размеры: 10×10×3 мм.

. 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.

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.

%-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

Список литературы

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

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

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

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

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