Логический элемент ТТЛ «И–НЕ» цифровой интегральной схемы

Техническое задание

1  Общие сведения о разработке.

1.1 Основанием для разработки курсового проекта является ТЗ, выдаваемое кафедрой, в соответствии со схемой электрической  и частичным описанием, изложенным на листе задания к курсовому проекту.

1.2 Назначение. Цифровые ИС предназначены для преобразования (обработки) сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции (например, выраженных в двоичном или другом цифровом коде). Цифровые ИС представляют собой множество транзисторных ключей, обладающих двумя устойчивыми состояниями (разомкнутым и замкнутым). Основным видом цифровых схем являются логические ИС, выполняю­щие одну или несколько логических функций, простейшими из которых реализуются такие функции, как  «И», «ИЛИ», «НЕ» и др. Соединяя соответствующим образом эти логические эле­менты, можно получить ИС, выполняющую любую более сложную логическую функцию. В принципе для этого дос­таточно использовать только элементы И—НЕ или ИЛИ-НЕ, поэтому они получили наибольшее распространение в ИС. По схемотехнической реализации основных логических функций вышеуказанные серии биполярных цифровых ИС по типам базовых электронных ключей разделены на схе­мы: резистивно-транзисторной логики (РТЛ), диодно-транзисторной логики (ДТЛ), резистивно-емкостной транзистор­ной логики (РЕТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), эмиттерно-связанной транзисторной логики (ЭСТЛ). Наиболь­шее распространение в современной аппаратуре получили серии ИС ТТЛ. Практи­ка показала, что этот тип цифровых ИС отличается лучши­ми электрическими параметрами, удобны в применении, имеют более высокий уровень интеграции и обладают боль­шим функциональным разнообразием.

1.3 Наименование. Логический элемент ТТЛ «И–НЕ».

2  Показатели назначения

2.1 Максимальная рабочая частота ≤100 кГц;

2.2 Напряжение питания +5В;

2.3 Граничная частота (для всех элементов) 4 мГц.

2.4 Параметры транзисторов

Параметры
Коэффициент  усиления тока в схеме ОЭ
Обратный ток коллектора, мкА
Время рассасывания, мкс
Максимальный прямой ток, мА	1	1
Сопротивление области базы, Ом

2.5 Параметры диодов

Параметры
Прямой ток, мА	3
Емкость, пФ
Ток утечки, мкА
Время восстановления, мкс

2.6 Параметры резисторов

Параметры	R1	R2	R3	R4
Сопротивление, кОм	3,9	1,6	1,0	0,2
Допуск, %	30
Мощность рассеивания, мВт	1

3 Исполнение бескорпусное при общей защите узла микросборки.

4 Производство серийное. Объём 50000 шт. в год.

5 Интервал рабочих температур от минус 40 до 60⁰С.

6 Радиоционные воздействия отсутствуют.

1 Анализ технического задания

Наиболее сложными элементами ИС являются биполярные транзисторы р-п-р или п-р-п – структуры. В данной работе рассматривается структура п-р-п. Тип транзисторов представляет собой чередующуюся последовательность областей п- и р-типа проводимости, причём любая пара их образует р-п- переход. Толщены этих областей, а также профили легирования в каждом слое должны быть заданы такими, чтобы обеспечивать необходимые параметры транзисторов. На их основании реализуются резисторы и диоды электрической схемы. Резисторы и диоды являются второстепенными элементами ИС и проектируются на основе слоёв и технологических операций для п-р-п- транзисторов.

Анализируя параметры транзисторов, заданных в настоящем техническом задании введём в данные транзисторов изменения не повлияющие на работу схемы. Принятие одинаковых параметров для всех транзисторов на этапе проектирования позволяет не только снизить количество расчётов, но и уменьшить число технологических операций, повысить технологичность МС.

 Анализируя условия эксплуатации и производства, выбираем в качестве конструктивно-технологического исполнения метод коллекторной изолирующей диффузии (КИД).

Использования этого метода позволяет повысить плотность элементов тем самым уменьшить размеры подложки, даёт большую проводимость коллектора, обладает пониженной (по сравнению с диодной) ёмкостной изоляцией, а также этот метод является экономически выгодным. Для этого метода также характерны низкие рабочие напряжения, что вполне устраивает т.к. согласно ТЗ  =5В. В ТЗ радиационные воздействия отсутствуют, это говорит о том, что дополнительные меры по обеспечению радиационной стойкости не требуются.

В виду того, что коэффициент нагрузки по напряжению не задан, примем его равным 0,8 тогда:

=/0,8=6,25В

2 Укрупненная структура технологического процесса метода КИД

1.  Окисление поверхности исходной подложки;

2.  Фотолитография окон в для диффузии  скрытого слоя;

3.  Диффузия доноров ( формирование скрытого п⁺  слоя под областями коллекторов);

4.   Удаление защитного слоя ;

5.  Эпитаксиальное наращивание слоя р-кремния на всю поверхность подложки;

6.  Окисление поверхности структуры;

7.  Фотолитография  в слое  окон для коллекторной изолирующей диффузии;

8.  Диффузия доноров на глубину эпитаксиального слоя ( формирование области коллектора и одновременно коллекторного- базового  и изолирующего переходов);

9.  Окисление;

10.  Фотолитография в слое  окон для эмиттерной диффузии;

11.  Диффузия доноров (формирование области эмиттера и  подлегирование приконтактных областей коллектора);

12. Окисление;

13. Фотолитография в  окон для контактов;

14. Напыление алюминия;

15. Фотолитография в алюминии рисунка соединительных проводников.

3 Электрофизические характеристики диффузионных структур

3.1. Расчет транзисторов

Для проектирования транзисторов необходимо задаться вертикальной структурой интегральной схемы (ИС), для этого задаем уровни легирования всех областей и металлургические глубины залегания всех р-n переходов, а также толщины этих областей.

Для проектирования ИС необходимо знать связь профилей легирования N(x) каждой операции диффузии с электрическими характеристиками полу­чаемых структур, чтобы по известным технологическим режимам (темпера­тура, время, вид диффузии и диффузанта) найти многие параметры струк­туры, определяющие свойства транзисторов.

Результирующее распределение может быть записано в виде:

                                (1)

где N_sэ - поверхностная концентрация эмиттера, задана и равна 10²¹,

N_б-концентрация базы, задана 5·10¹⁷ (т.к. база однородно легированная область), d_эо - характеристическая длина эмиттерной диффузии.

В формулу (1) не входит N_кh концентрация коллекторного эпитаксиаль­ного слоя, т.к. база наращивается эпитаксиально и тем самым сформирован­ный переход «база -коллектор» не оказывает влияния как технологически, так и конструктивно на переход «эмиттер-база».

Из выражения (1) можно выразить аналитическую характеристическую длину эмиттерной диффузии (d_эо), обеспечивающее заданную глубину залега­ния эмиттерного перехода (d_э):

       (2)

Параметры обедненного слоя р-n перехода. По обе стороны металлургиче­ской границы р-n перехода возникает обедненный носителями слой или область пространственного заряда (ОПЗ), которая характеризуется контактной разностью потенциалов Δφ:

                                          (3)

где N_А, N_Д - концентрации акцепторов и доноров на границах ОПЗ, равны со­ответственно 4·10¹⁶ и 5·10¹⁸; п_i- концентрация носителей заряда в собственном (неле­гированном) полупроводнике, k - постоянная Больцмана, q- заряд электрона, Т- аб­солютная Температура.