На современном этапе, когда сфера применения интегральных схем становится всё более широкой, пользователи СБИС должны стать активными участниками их проектирования. При этом необходимо оптимальное сочетание конструктивно-технологических и схемотехнических аспектов. Первые этапы развития микроэлектроники характеризовались главным образом прогрессом в области технологии, схемотехника заимствовалась из арсенала дискретной транзисторной электроники. В процессе развития появились новые технологические решения, новые элементы, не имеющие аналогов в дискретной электронике, и новая схемотехника - микросхемотехника. Микроэлектроника породила ряд новых схемных решений, которые не могли быть реализованы на дискретных элементах.
Развитие микроэлектроники привело к возрастанию роли цифровой схемотехники. Цифровая микросхемотехника занимает в производстве изделий микроэлектроники ведущее место как по масштабам, так и по номенклатуре. Главным образом потому, что цифровая микросхемотехника является элементной базой систем вычислительной техники. Цифровая схемотехника более надёжна, менее подвержена искажениям вследствие несовершенства отдельных элементов, обладает более высокой помехозащищенностью. Однако это достигается путем использования значительно большего числа элементов, чем в аналоговых схемах. Для микроэлектроники не проблема разместить на малой площади большое число не слишком точных, но зато миниатюрных, быстродействующих и дешёвых элементов. Можно сказать, что цифровая обработка информации и микроэлектроника искали и нашли друг друга.
Важнейшая особенность схемотехники интегральных схем состоит в предпочтительности активных элементов перед пассивными элементами. Связано это с особенностями производства интегральных схем. На кристалле необходимо разместить как можно больше элементов с минимальной площадью, а такими являются именно активные элементы, пассивные элементы занимают обычно большую площадь. Для упрощения технологии и снижения стоимости микросхем обычно выбирают только один активный элемент в качестве основного, называемого базовым (например, биполярный n-p-n или униполярный полевой транзистор), и на его основе выполняются почти все другие элементы, как активные, так и пассивные. В связи с этим проявляется ряд особенностей характеристик и ограничений по некоторым параметрам.
В данном цикле лабораторных работ исследуются характеристики и параметры активных и пассивных элементов и элементарных узлов интегральных схем.
Теоретическая часть
В интегральных микросхемах на биполярных транзисторах активные и пассивные элементы расположены на общей подложке, и если не принять соответствующих мер, то возникают незапланированные связи через подложку. Для устранения таких связей элементы интегральных схем нужно изолировать друг от друга, а необходимые соединения осуществлять только путем металлической разводки.
Одним из наиболее простых и распространенных способов изоляции интегральных транзисторов является изоляция обратно включенным p-n переходом. Интегральные схемы, изготовленные по такой технологии, недорогие, но в этом случае характеристики интегрального транзистора ухудшаются за счет появления паразитных элементов. Структура интегрального биполярного n-p-n транзистора приведена на рис.1,а. При этом способе изоляции подложка должна быть подключена к самому отрицательному потенциалу в схеме, чтобы изолирующий p-n переход коллекторный слой – подложка был включен в обратном направлении. Упрощенная эквивалентная схема интегрального транзистора представлена на рис.1,б. В этом случае изолирующий p-n переход проявляет себя как барьерная ёмкость, образующая вместе с сопротивлением коллекторного слоя RC цепочку, подключённую к активной области коллектора. Эта цепочка снижает быстродействие и ограничивает предельную частоту транзистора. Время срабатывания транзистора (t) можно записать следующим образом:
t = to + (Cк + Скп)(rк + Rк),
где to - время пролёта инжектированных эмиттером носителей сквозь базу, Ск - ёмкость p-n перехода коллектор-база, Скп - ёмкость p-n перехода коллектор-подложка, rк - сопротивление коллекторного слоя, Rк - сопротивление в цепи коллектора.
Пассивная область базы вместе с лежащими под ней областями коллектора и подложки представляют собой паразитный p-n-p транзистор. На рис.1,а структура паразитного транзистора выделена штриховой линией. Эквивалентная схема, характеризующая взаимосвязь основного n-p-n транзистора и паразитного p-n-p, показана на рис.1,в. Если n-p-n транзистор работает в активном режиме, то паразитный p-n-p находится в режиме отсечки. В этом случае вклад в ухудшение параметров вносит только барьерная ёмкость Скп. При работе основного транзистора в инверсном режиме или в режиме двойной инжекции паразитный транзистор находится в активном режиме. При этом в подложку уходит ток In = ap-n-p I1, гдеap-n-p - коэффициент передачи тока в паразитном транзисторе, I1 - часть базового тока основного транзистора. Утечка базового тока в подложку ухудшает параметры n-p-n транзистора при его работе в режиме двойной инжекции.
В интегральных схемах, основным
элементом которых является полевой транзистор на основе структур металл -
диэлектрик - полупроводник (МДП или МОП, так как диэлектриком чаще является
окись кремния), не требуется изолировать транзисторы друг от друга. В таких
интегральных схемах стоки и истоки смежных транзисторов разделены встречновключенными
p-n – переходами и поэтому гальванической связью между транзисторами можно
пренебречь. МДП-транзисторы можно располагать на общей подложке значительно
ближе друг к другу, чем биполярные, и тем самым повышать число элементов на
единице площади кристалла. Кроме того, технологический процесс становится
короче, а интегральные схемы дешевле.
Рис.1. Интегральный n-p-n транзистор: а – структура с выделенным паразитным транзистором; б – упрощенная модель; в – полная модель
Величину паразитной ёмкости между коллекторным слоем и подложкой можно существенно (приблизительно на порядок) уменьшить если осуществить изоляцию боковой поверхности транзистора диэлектриком, а изоляцию донной части p-n переходом (комбинированная изоляция). Устранить паразитный вертикальный p-n-p транзистор можно только при изоляции транзисторов диэлектриком (усложнение технологии).
В качестве интегральных диодов обычно используют либо эмиттерный, либо коллекторный p-n переход транзистора. К основным параметрам таких диодов относятся: прямое напряжение на диоде при заданном прямом токе, обратный ток при заданном обратном напряжении, напряжение пробоя, время восстановления электрической прочности при обратном напряжении и ёмкость диода. Диоды с различными электрическими параметрами получают на основе транзисторных структур, выбирая соответствующую схему включения. На рис.2 приведены возможные варианты диодного включения интегрального транзистора.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
