Інтегральні мікросхеми

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

1. Проектування мікросхем

2. Вихідні дані для проектування

3. Проектування напівпровідникових мікросхем

3.1 Конструкції і розрахунок активних елементів

3.2 Розрахунок пасивних елементів

3.3 Розрахунок інтегрального резистора

3.4 Розрахунок паразитних зв'язків

4. Проектування ГІС

4.1 Розрахунок пасивних елементів

4.2 Вибір навісних компонентів

4.3 Розрахунок площі плати

4.4 Розрахунок паразитних зв'язків

Висновки

Література



1. Проектування мікросхем

Мікроелектроніка - це галузь електроніки, яка охоплює дослідження, конструювання, виготовлення і застосування мікроелектронних виробів та пристроїв з високим ступенем інтеграції.

Інтегральна схема - це мікроелектронний вирі, який виконує визначену функцію перетворення і обробки сигналів електрично з'єднаних елементів і кристалів. Цей виріб, з точки зору вимог до випробовувань, поставки й експлуатації, розглядається, як єдине ціле.

Інтегральні мікросхеми класифікуються:

1. Напівпровідникові-малі габарити, висока надійність, мала маса можливість використання групових методів виробництва майже на всіх стадіях виготовлення.

2. Плівкові-це ІМС де всі елементи і між елементні з'єднання, яких виконані у вигляді плівок (тонко - та товсто плівкові).

3. Гібридна ІМС - це ІМС, яка складається з навісних активних компонентів і плівкових пасивних елементів.

4. Суміщені ІМС - це ІМС, у яких всі активні елементи виконані в об'ємі напівпровідника, а пасивні елементи і між елементні з'єднання напилені у вигляді плівок на поверхні цього напівпровідника.

Елементи інтегральної мікросхеми - це частина інтегральної мікросхеми, яка реалізує функцію будь-якого електро радіоелемента (транзистора, резистора, діода, конденсатора). Ця частина виконана нероздільно від кристала або підложки інтегральної мікросхеми. Тому елемент не може бути відокремлений від підложки, як самостійний виріб.

Компонент інтегральної мікросхеми - це частина інтегральної мікросхеми, яка реалізує функцію будь-якого електро радіоелемента, і може бути виконана як самостійний виріб з точки зору вимог до випробовування, використання і експлуатації. [1,2,3].

Проектування топології мікросхеми

Топологічне креслення - це документ, на якому показане розміщення, форми елементів та їх з'єднання. Розробка топології - основний етап в процесі конструювання ІМС, на якому вирішують задачі компонування елементів мікросхеми з врахуванням технологічних можливостей її виготовлення. Вихідні дані для розробки топології ІМС

1. Схема електрична принципова, вимоги до електричних параметрів, параметрів активних і пасивних елементів

2. Конструктивно-технологічні вимоги та обмеження

Етапи розробки топології

1. Вибір конструкції активних елементів

2. Розрахунок пасивних елементів ІМС

3. Побудова комутаційної схеми (схема з'єднань елементів)

4. Розробка попереднього варіанту топології

5. Розрахунок паразитних зв'язків

6. Оптимізація топології ІМС

7. Випуск конструкторської документації: схема електрична принципова, комутаційна схема, топологічне креслення, пошарове креслення.

Перевірка вірності розробки ІМС

Останній із складених і перевірених варіантів топології ІМС піддають перевірці у такій послідовності: перевіряють відношення технологічних обмежень(мінімальна відстань між елементами, мінімальні розміри елементів, наявність фігур суміщення для всіх шарів ІМС, розміри контактних площадок для приєднання виводів, розрахункових розмірів елементів, потужність розсіювання резисторів, а також забезпечення можливості контролю характеристик елементів ІМС). [1,2].



2. Вихідні дані для проектування

а. Схема електрична принципова

б. Параметри елементів мікросхеми

R1 = 1000Ом±20%

R2 = 33000Ом±20%

R3 = 5100Ом±20%

R4 = 1000Ом±20%

R5 = 33000Ом±20%

R6 = 5100Ом±20%

С1 = 0,1пФ±20%

С2 = 1пФ±20%

С3 = 0,3пФ±20%

С4 = 0,1пФ±20%

VT1 ГТ321А

VT2 ГТ321А

VT3 КТ501

VT4 КТ501

в. Умови експлуатації: діапазон робочих частот температур -60+120?С, відносна вологість повітря 98% при t=20?C, атмосферний тиск 6,7*102-3?105Па, вібрація, діапазон частот1-600Гц, прискорення 10g.



3. Проектування напівпровідникових мікросхем

3.1 Конструкції та розрахунок активних елементів

Основним схемним елементом напівпровідникових мікросхем є n-p-n транзистор, його конструкція показана на рисунку 1. Параметри ділянок транзистора приведені в таблиці 1.

Рисунок 1. Конструкція n-p-n транзистора.

1. Контактні ділянки

2. Діелектрична плівка

3. Базова область

4. Колекторна область

5. Емітерна область, омічний під колекторний контакт

6. Підкладка

7. Прихований n шар



Таблиця 1. Параметри областей транзистора.

Назва області	Концентрація домішки N, см-3	Товщина шару d, мкм	Питомий об'ємний опір матеріалу p, Ом*см	Питомий поверхневий опір шару p0, Ом/?
Підкладка р-типу	1,5*1015	200-400	10	-----
Прихований n шар	-----	2,5-10	-----	10-30
Колекторна область	1016	2,5-10	0,15-50	-----
Базова р-область	5*1018	1,5-2,5	-----	100-300
Емітерна n-область	1021	0,5-2,0	-----	2-15
Ізолююча область	-----	3,5-12	-----	6-10
Плівка SiO2	-----	0,3-0,6	-----	-----
Металічна плівка Al	-----	0,6-10	1,7-10-6	0,06-0,1

Розрахунок площі одного транзистора n-p-n типу.

SVT=LVT*BVT, де (1)

LVT = 147,5мкм - довжина транзистора

BVT = 105мкм - ширина транзистора

SVT = 15487,5мкм2.

Конструкція p-n-p транзистора.

Рисунок 2. Конструкція p-n-p транзистора.

1. Контактні ділянки

2. Діелектрична плівка

3. Базова область

4. Емітерна область

5. Колекторна область

6. Підкладка

7. Прихований n шар

Розрахунок площі одного транзистора p-n-p типу.

SVT=LVT*BVT, де

LVT = 147,5мкм - довжина транзистора

BVT = 105мкм - ширина транзистора

SVT = 15487,5мкм2.

Площа всіх транзисторів p-n-p типу.

15487,5мкм2*2=30975мкм2.

3.2 Розрахунок пасивних елементів

Інтегральні резистори формуються на будь-якій з дифузійних областей інтегрального транзистора, на епітаксіальному шарі та за допомогою іонного легування. Опір інтегрального резистора являє собою опір ділянки дифузійного шару, обмеженого p-n переходом. Він визначається геометричними розмірами резистивної області та розподілом домішок по глибині дифузійного шару.

Конструкція інтегрального резистора на базовому шарі вказана на рисунку 3.[1].



Рисунок 3. Резистор на базовому шарі.

3.3 Розрахунок інтегрального резистора

Повний опір інтегрального резистора, де

R=(+ 2Кф.к.д + 0.55Nвиг.)(2)

R- опір резистора, Ом

- питомий поверхневий опір легованого напівпровідникового шару,

l- довжина резистора, мкм

b- ширина резистора, мкм

- коефіцієнт форми контактної ділянки

- кількість вигинів на кут 90?

Довжина резистора розраховується за формулою

l = b(2кф.к.д. -0.55 Nвиг.) (3)



З технологічних можливостей вибираємо ширину резистора b=10-20мкм.

Орієнтувальний розрахунок резистора на емітерному шарі:

R=1000Ом; =10мкм; 0Б= 300.; Кф.к.д.= 0,07;

l=20*( - 2*0.07)=63.2мкм

SRБ=LRБ* BRБ=153,2*90=13788мкм2.

Таблиця 2. Параметри резисторів.

№	Опір, Ом	Шар	, Ом/?	L, мкм	, мкм2
R1,4	1000	База	300	63,2	8256
R2,5	330000	Коллектор	3000	194	21920
R3,6	5100	Коллектор	3000	31,2	2048

Розрахунок площі всіх резисторів.

=8256*2+21920*2+2048*2=64448мкм2

Розрахунок інтегрального конденсатора.

В інтегральних конденсаторах роль діелектрика виконують збіднені шари, зворотно зміщених p-n переходів, роль обкладок леговані напівпровідникові області. Конструкція конденсатора вказана на рисунку 4. [1].

Рисунок 4. Конструкція інтегрального конденсатора.

Таблиця 3. Параметри інтегральних конденсаторів.

Тип конденсатора	Питома ємність С0, пФ/мм2	Максимальна ємність Сmax. пФ	Допуск б,%	ТКС( бс)?10-3, 1/0С	Пробивна напруга, Uпр,В	Добротність.
ДК на переходах:
Б-К	150(350)	300	±15-20	-1,0	30-70	50-100
Е-Б	600(1000)	1200	±20	-1,0	7-8	1-20
К-П	100(250)	-	±15-20	-	35-70	-
МДН з діелектриком
SiO2	400-600	500	±20	0,015	30-50	25-80
Si3N4	800-1600	1200	±20	0,01	50	20-100



Орієнтовний розрахунок конденсатора на Е-Б переході.

С=1пФ; СоЕ-Б=600пФ/мм2;

Розрахунок площі верхньої обкладки:

S= , де (4)

С - ємність конденсатора, пФ

Со - питома ємність Е-Б переходу, пФ/мм2.

Sв= = =0,002мм2.

Розрахунок довжини та ширини квадрата верхньої обкладки.

lВЕ=ВЕ=b==0,044мм2=44мкм2.

Розрахунок площі конденсатора

S=bk*lk=114*139=15846мкм2.

Таблиця 4. Параметри конденсаторів.

№	Ємність, С, пФ.	Питома ємність, Со, пФ/мм2.	Площа верхньої обкладки, Sв, мм2.	lВЕ=ВЕ, мкм.	Площа конденсатора, S, мкм2.
С1,4	0,1	150	0,0006	24,5	11292,75
С2	1	600	0,002	44	20016
С3	0,3	150	0,002	44	20016



Розрахунок площі всіх конденсаторів.

=11292,75*2+20016*2=62617мкм2

3.4 Розрахунок паразитних зв'язків

Паразитні зв'язки паралельних провідників розташованих один біля одного, розраховується за формулою:

Сij=0.0885l*Fij, де (6)

- діелектрична проникність підкладки

- діелектрична проникність зовнішнього середовища

l - довжина паралельних доріжок, см

Fij - ємнісний коефіцієнт, i та j провідників

Для двох паралельних провідників коефіцієнт розраховується за формулою: Fij=1,56+0,41*lg, де (7)

b1 ,b2- ширина провідників

а- відстань між провідниками

Розрахунок паразитних зв'язків.

b1=0,00175см;

b2=0,00175см;

а=0.00375см;

l1=0,04см;

еSiO2=4;

ез.с.=4;

F1,2=1,56+0,41*lg=1,56

C1,2=0.0885**0,015*1,56=0,0441444



Дані для розрахунку

1. Опір, R(ом).

2. Відносна похибка, гR(%).

3. Потужність, яка розсіюється резистором, Р(мВт).

4. Питомий опір плівки, (Ом/?).

5. Питома потужність, Ро(мВт/мм2).

6. Т.К.R (бR).

7. Робоча температура, t(с?).

Приклад розрахунку тонко плівкового резистора.

Дані для розрахунку.

Вибираємо матеріал так, щоб кількість квадратів була до 10.

Cr, =500Ом/мм2, бR=0,6*10-4с0,

R1=1000Ом±20%; Р=6мВт;

Кф= =2; Ро=10 мВт/мм2

1. Розрахунок ширини резистора.

bроз max{bтех,bр,bточ} (8)

bтех=0,1мм - мінімальна ширина резистора.

bp- ширина резистора, при якій забезпечується задана потужність. ;

bp = = (9)

bp= =мм.

- лінійна ширина резистора, яка визначається точністю виготовлення.



b= , де (10)

Дb,Дl- похибка виготовлення, Дb=Дl=±0,03мм.

- допустима похибка коефіцієнта форми,

, де (11)

=20%; =3-5%; ?3%; =1-2%;

= бR*(tmax-20с?); (12)

=0,6*10-4*(120-20)=6%;

=20%-5%-6%-1%-1%=7%(0,07); b=

1.Розрахунок довжини резистора.

l=b*Кф==1.2мм.

2. Розрахунок повної довжини резистора.

lпов=l+2e=1.2+2*0.2=1.6мм.

3. Розрахунок площі резистора.

SR= lпов*b=1.6*0.64=2.24мм2.

Таблиця 5. Параметри тонко плівкових резисторів.

№	Опір, Ом.	Матеріал	, Ом/?.	Кф.	SR, мм2.
R1,4	1000	хром	500	2	2,24
R3,6	5100	Кермет К-50С	3000	1,7	0,43
R2,5	33000	Кермет К-50С	10000	3,3	0,297



Розрахунок площі всіх тонко плівкових резисторів.

=2.24*2+0.43*2+0.297*2=5.934

Розрахунок тонко плівкових конденсаторів.

Тонко плівковий конденсатор являє собою трьохшарову структуру, яку отримують осадженням плівок: провідник - діелектрик - провідник. [1]. Конструкція тонко плівкового конденсатора вказана на рисунку 5.

Рисунок 5. Конструкція тонко плівкового конденсатора.

1. Верхня обкладка

2. Діелектрична плівка

3. Нижня обкладка

4. Підкладка

Дані для розрахунку

1. Ємність, С(пФ).

2. Відносна похибка, гс(%).

3. Робоча напруга, Uр(В).

4. Температурний коефіцієнт ємності, бС.

5. Діелектрична проникність, е.

6. Електрична міцність, Епр(В/см).

Приклад розрахунку тонко плівкового конденсатора.

Дані для розрахунку.

Вибір матеріалу з врахування його параметрів.



SiO, Епр=1*106В/см, бс=3*10-4с0, е=11-12, tmax=+120с0,

С2=1пФ±20%; Uр=10В;

1. Розрахунок товщини діелектрика.

dmin?Кз* , де (13)

Кз=3 - коефіцієнт запасу електричної площі.

Uр - робоча напруга.

Епр - електрична міцність матеріалу.

dmin?3=3*10-5см

2. Розрахунок питомої ємності.

С0min{C0v, С0.точ.}

C0v - питома ємність конденсатора з врахуванням його електричної міцності.

С0.точ. - питома ємність конденсатора з врахуванням точності виготовлення.

C0v=0.0885; (14)

C0v=0.0885=0.354*105=354пФ/мм2.

С0.точ.=С*[]2

-для конденсатора з ? обкладками, де (15)

С- ємність конденсатора.

Дl,Дb- похибка виготовлення, Дb=Дl=±0,01мм.

- максимально допустима відносна похибка активної площі.

, де (16)

=2-3% - відносна похибка, викликана старінням плівок.

=3-5% - відносна похибка питомої ємності.

- відносна температурна похибка.

=бс*(tmax-20с0); (17)

==3*10-4*(120-20)=0,0003*100=0,03; (3%).

=20% - повна відносна пхибка.

=20%-5%-3%-1%=11%; (0,12).

С0.точ.= =30.25пФ/мм2.

3. Розрахунок площі верхньої обкладки.

SB=; (18)

SB==0,11мм2

4. Розрахунок довжини та ширини верхньої обкладки.

LB=BB==0.18мм.

5. Розрахунок нижньої обкладки.

LН=BН=LB*2q , де (19)



q=0,2 - розмір перекриття верхньої та нижньої обкладок.

LН=BН=0,18+2*0,2=0,58мм.

6. Розрахунок розміру діелектрика.

LД=BД=LН+2*f , де (20)

f=0,1 - розмір перекриття нижньої обкладки та діелектрика.

LД=BД=0,58+2*0,1=0,38 мм.

7. Розрахунок площі конденсатора.

Sc=Lв*Bв=0,182=0,032мм2

Таблиця 6. Параметри тонко плівкових конденсаторів

№	С, пФ.	Матеріал	Uр, В.	d, см	С0, пФ/мм.2	Sс, мм2.
С1,4	0,1	Моноокис германію	10	3*10-5	30,25	0,032
С2	1	Моноокис германію	10	3*10-5	30,25	0,032
С3	3	Моноокис германію	10	3*10-5	30,25	0,032

Розрахунок площі всіх тонко плівкових конденсаторів.

=0,032*4=0,1296мм2

=4,8мм2; =4,142мм2; 2,25мм2;

Розрахунок площі контактних ділянок.

Площа однієї контактної ділянки: Sкд=0,5*0,5=0,25мм2.



Площа всіх контактних ділянок:

=4*0,25=1мм2.

Sп.=3*(4,8+4,142+2,25+1)=36,576мм2.

Sп.=36,576мм2.

4.4 Розрахунок паразитних зв'язків

Паразитні зв'язки паралельних провідників розташованих один біля одного.

Розрахунок паразитних зв'язків.

b1=0.375мм;

b2=0.5мм;

а=0.325мм;

l1=0.4см;

еплати=8;

едіел.=4;

F1,2=1,56+0,41*lg= 1.6

C1,2=0.0885**0,4*1.6=0.034пФ.



Висновок

генератор напівпровідниковий комутаційний мікросхема

В даному курсовому проекті були розроблені топологічні креслення пускового генератору двох полярного сигналу в напівпровідниковому та гібридному варіантах з врахування конструктивно технологічних вимог та обмежень. Для побудови топології була побудована комутаційна схема та зроблені необхідні розрахунки. Розрахунок паразитних зв'язків показав, що паразитні ємності які виникають при роботі мікросхеми, незначні або мають малу величину та не впливають на роботу мікросхеми. Для напівпровідникової мікросхеми паразитна ємність двох паралельних провідників C1,2=0,0441пФ, для гібридної мікросхеми C1,2=0,034пФ. Розташування елементів на кристалі та на платі забезпечує нормальну роботу мікросхеми.



Література

1. Коледов Л.А. Конструирование и технология микросхем. Москва, Высшая школа, 1984, 231с.

2. Николаев И.М., Филинюк Н.А. Интегральные микросхемы и основы их проектирования. Москва, Радио и Связь, 1992, 424с.

3. Матсон Е.А., Крыжановский Д.В. Справочное пособие по конструированию микросхем. Минск, Высшая школа, 1982, 224с.

Размещено на Allbest.ru