Цель настоящего расчета – проверить, обеспечивают ли принятые конфигурации и размеры элементов топологии n-p-n-транзисторов, а также технологические режимы их формирования, заданные электрические характеристики. Проверочный расчет выполняется после окончательного определения технологических режимов диффузии, при этом используются электрофизические характеристики диффузионных слоев, вычисленные по уравнениям из раздела 2.
2.1.4.1 Напряжение пробоя
Транзистор характеризуется тремя значениями максимально допустимых напряжений (напряжений пробоя). Это максимальные обратные напряжения переходов «коллектор - база» (Uпрк), «эмиттер - база» (Uпрэ) и максимальное напряжение «коллектор - эмиттер» (Uпркэ). Из перечисленных первые два определяются непосредственно по (2.18) –
(2.19) для соответствующих p-n-переходов структуры ИС. Напряжение пробоя Uпркэ присуще только транзисторной структуре и связанно с увеличением α из-за лавинного умножения носителей в коллекторном переходе и уменьшением толщины собственно базы при увеличении запирающего смещения «база - коллектор». При развитии этого процесса толщина базы уменьшается до нуля, так что области эмиттера и коллектора локально смыкаются (так называемый «прокол базы»). Это напряжение может быть определено следующим соотношением:
,
(2.32)
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость [1, П1];
ε0 – диэлектрическая постоянная;
dδ0 – определяется по (2.31) для базовой диффузии.
(В).
2.1.4.2 Паразитные сопротивления
Для расчета сопротивления тела коллектора его объемную конфигурацию разбивают на систему последовательно и параллельно соединенных участков простейшей геометрической формы (табл. 4.3 [1]).
Аналогично может быть рассчитано сопротивление базовой области. Однако, в отличие от коллекторного, базовый слой является диффузионным, и его сопротивление увеличивается с глубиной.
2.1.4.3 Паразитные емкости и частотные характеристики
Паразитными емкостями транзистора определяются его усилительные свойства на высокой частоте. Наиболее существенны барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов CЭ, СК, емкость изоляции Сиз, а также диффузионная емкость СД.
Барьерные емкости возникают на контакте областей p- и n-типа проводимости вследствие образования обедненного носителями слоя. Их особенность состоит в зависимости емкостей СЭ, СК от внешнего напряжения, приложенного к p-n-переходам UЭБ, UКБ.
Барьерная емкость равна произведению удельной емкости С0 на площадь поверхности p-n-перехода S.
Для расчета емкости изоляции (Сиз) в качестве удельной С0 можно принять значения из табл. 2.1 [1], отвечающие запирающему напряжению на изолирующем переходе 15-50 В.
Диффузионная емкость СД проявляется при инжекции носителей в прямосмещенном эмиттерном переходе и обусловлена их диффузией в базе [6].
Частотные свойства транзистора определяются постоянной времени τα коэффициента α, т.е. постоянной времени переходного процесса передачи тока в коллектор при скачкообразном изменении напряжения UЭБ.
2.1.4.4 Прочие параметры
Кроме рассмотренных выше параметров, работу транзистора характеризуют предэкспоненциальные множители I0 в уравнении вольт-амперной характеристики (2.20) эмиттерного и коллекторного переходов. В п. 2.1.3.3 были рассмотрены составляющие I0 и их роль в прямой и обратной ветвях ВАХ.
Эмиттерный переход транзистора работает при прямом смещении, поэтому параметр IЭ0 (начальный ток эмиттера) выступает как «масштаб» ВАХ и определяется диффузионной IЭ0диф и рекомбинационной IЭ0рек компонентами:
.
(2.33)
Их величины рассчитываются по выражениям (2.22) и (2.23) с использованием параметров эмиттерного и базового слоев.
.
Для коллекторного перехода, используемого при обратном смещении, параметр IКО выступает как предел, к которому стремится ток коллектора IК с ростом внешнего запирающего напряжения. Его называют «обратный ток» или «ток насыщения» коллектора. Ток определяется диффузионной IК0диф и генерационной IК0ген составляющими:
, (2.34)
IК0диф, IК0ген находят по (2.22) и (2.24) с использованием параметров базового и коллекторного слоев.
.
Соотношения (2.33) – (2.34) позволяют выполнять расчет основных электрических параметров n-p-n-транзисторов ИС. Если обеспечиваемые конструкцией параметры удовлетворяют заданным, разработанные конфигурации и техпроцесс диффузий принимаются за окончательные и служат основой для проектирования прочих элементов ИС. В противном случае выполняется необходимая коррекция конструкции или технологических режимов до обеспечения приемлемых свойств.
2.1.5 Последовательность проектирования n-p-n-транзисторов ИС
В заключении анализа n-p-n-транзисторов ИС можно привести алгоритм их проектирования.
1. На исходных данных производится выбор способа изоляции и соответствующей технологии изготовления ИС. При этом основными являются требования стоимости, тепло- и радиационной емкости, плотности заполнения, а также допустимых параметров паразитных связей между элементами.
Производят выбор вертикальной структуры (толщин слоев и уровней легирования), как указано в п. 2.1.2. При этом в первую очередь учитывают рабочее напряжение, токи, быстродействие транзисторов. Одновременно решается вопрос о виде применяемой подложки с учетом способа изоляции.
2. Выполняют разработку топологии n-p-n-транзисторов. Для этого, исходя из заданного тока эммитера и схемных особенностей, выбирают конфигурации транзисторов, а также производят расчет геометрических размеров в плане. В последней задаче задается разрешающая способность технологии и осуществляется учет конструктивно-технологических требований. На данном этапе выполняются эскизы топологии и
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.