Проектирование комбинационной схемы проверки четности 2-х байтовой посылки

Оглавление

• АННОТАЦИЯ
• 1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
• 2. РАЗРАБОТКА ЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
• 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МАРШРУТА И РЕЖИМОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ
• 3.1 Технологический маршрут
• 3.2 Графичесое изображение стадий процесса
• 3.3 Выбор легирующей примеси
• 3.4 Выращивание эпитаксиального слоя кремния
• 3.5 Расчет профилей распределения примеси и времени высокотемпературных процессов
• 3.5.1 Определение концентраций в подложке и эпитаксиальном слое
• 3.5.2 Определение профилей распределения примеси в неоднородно легированных слоях
• 3.5.3 Окисление
• 3.5.4 Результаты расчета параметров высокотемпературных процессов
• 3.6 Профили распределения примеси
• 3.7 Расчет конструкционно-технологических ограничений
• 3.8 Фотошаблоны
• 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
• 4.1 Определение ширины области пространственного заряда p-n – переходов
• 4.2 Расчет барьерных емкостей p-n переходов
• 4.3 Расчет параметров модели Гуммеля – Пуна
• 4.3.1 Расчет тока насыщения
• 4.3.2 Расчет токов генерации – рекомбинации
• 4.3.3 Расчет времени пролета носителей заряда через базу
• 4.3.4 Расчет характеристических токов I_KF и I_KR
• 4.3.5 Расчет напряжения Эрли
• 4.3.6 Расчет чисел Гуммеля для базы и эмиттера
• 4.3.7 Расчет коэффициента передачи тока базы в нормальном режиме
• 4.3.8 Расчет коэффициента передачи тока базы в инверсном режиме
• 4.3.9 Расчет параметров эффекта квазинасыщения
• 4.3.10 Расчет сопротивлений транзистора
• 4.4 Моделирование параметров интегрального транзистора в программе физико-топологического моделирования TCad
• 4.5 Экстрагирование параметров модели Гуммеля – Пуна
• 4.5.1 Нахождение IS, NF
• 4.5.2 Нахождение IKF и IKR
• 4.5.3 Нахождение ISE и NE, ISC и NC
• 4.5.4 Нахождение VAF и VAR
• 4.5.5 Нахождение BF и BR
• 4.5.6 Нахождение RC
• 4.5.7 Нахождение RB
• 4.5.8 Нахождение времени переноса носителей
• 4.6 Анализ полученных результатов
• 5. РАЗРАБОТКА БАЗОВОЙ ЯЧЕЙКИ ТТЛ
• 5.1 Принципиальная электрическая схема элемента
• 5.2 Расчет номиналов резисторов
• 5.3 Расчет геометрических размеров резисторов
• 5.4 Расчет номиналов паразитных элементов
• 5.5 Моделирование базовой ячейки в Micro-cap
• 5.6 Топология базовой ячейки
• 5.7 Топология кристалла
• Заключение
• Список литературы
• АННОТАЦИЯ
• В работе представлены результаты проектирования комбинационной схемы проверки четности 2-х байтовой посылки. В ходе работы смоделирована логическая схема устройства, разработан технологический маршрут производства интегрального транзистора, найдены конструктивно-технологические ограничения. Проведен расчет параметров модели Гуммеля-Пуна, которые использовались для моделирования работы транзистора, и построенной на его основе, базовой ячейки в программе Micro-cap. Приведены топологические чертежи базовой ячейки и разводки кристалла.
• транзистор программа ячейка кристалл
• 1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
• Сконструировать комбинационную схему проверки на четность 2-х байтовой посылки. Схему выполнить в базисе ТТЛ, используя изоляцию V канавками.
• Технологическая норма 2 мкм.
• Необходимо сконструировать интегральный транзистор в соответствии конструкционно технологическим вариантом №8, электрические и топологические параметры транзистора приведены в таблице 1.1
• Таблица № 1.1.

Конструкционно-технологический вариант №8
№	Функции слоя	Тип проводимости	Толщина, мкм	Уд. Сопротивление Ом/кв
1	Подложка	p	400±40	(5±1.0)
2	Скрытый слой	n+	1,6±0.5	30±8
3	Эпитаксиальный слой	n	2±0.4	(0.6±0.1)
4	Разделительные области	p+	3±0.6	25±8
5	Глубокий коллектор	n+	2.5±0.6	25±8
6	База активная	p	0.5±0.15	300±60
7	Эмиттер	n++	0.25±0.05	30±6
8	Защитный слой	–	0.6±0.1	–
9	Металлизация	–	0.7±0.1	–

2. РАЗРАБОТКА ЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Для выполнения данной задачи, необходимо проверить все 16 разрядов пришедшего на вход числа. Для упрощения задачи будем выполнять проверку по частям, проверяя разряды попарно. Для этого воспользуемся функцией “Исключающее или”.

Таблица истинности функции “Исключающее или”:

Таблица № 2.1.

a	b	f
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Если в проверяемых разрядах есть одна единица, то есть нечетность, на выходе формируется 1, Если на входе будет два нуля или две единицы – четность, на выходе формируется 0. Далее после двух блоков проверяющих первые 4 разряда попарно мы ставим третий аналогичный блок, который проверяет выходы с первых двух. Если f1 и f2 выходные функции двух первых блоков, тогда на третьем блоке будем иметь функцию f2.

Таблица № 2.2.

f0	f1	f2
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Как видно из таблицы № 2.2, f2 также реализуется функцией “исключающее или”.

Логическая схема элемента, выполняющего функцию “исключающее или” представлена на рис. 2.1. Схему можно посторить на элементах И-не и инверторах.

Рис.2.1 Логическая схема элемента “исключающее или”

Для проверки схемы подадим на входы А и В сигналы “0” и “1”. При совпадении сигналов на выходе формируется “0” , соответствующий четности , при несовпадении – “1” – соответствующая нечетности сигналов.

Рис.2.2 Реакция схемы “исключающее или” на входные импульсы

Проводя попарно сравнение разрядов, получим схему для проверки четности 2-х байтовой посылки (рис.3), состоящей из блоков элементов “исключающее или”.

Рис. 2.3 Схема для проверки четности 2-х байтовой посылки

Рис. 2.4 Осциллограммы схемы для проверки четности 2-х байтовой посылки

На рис. 2.4 представлена осциллограмма, подтверждающая верную работу схемы. Моделируем 2-х байтовую посылку, подавая сигналы “0” и “1” на входы А(0-7) и В(0-7), на выходе F при четности посылки “0”, при нечетности – “1”.

Для отсутствия ошибок при передачи реализуем следующий метод. Передатчик проверяет на четность отправляемую посылку, отправляет посылку и отдельно результат проверки – “бит четности”.”Бит четности” – это своего рода эквивалент той информации, которая передается по основной линии.

Приемник принимает посылку, проверяет ее на четность и смотрит совпадение с “битом четности”, посланным передатчиком. В зависимости от результатов проверки посылка идет на запись либо нет.

Таблица № 2.3.

Рис.2.5 Схема приемника 2-х байтовой посылки

Структура схемы на рис. 2.5. “многоступенчатая”. В первых у нас попарно сравниваются все биты посылки. Выходные сигналы проверки служат входными для следующих блоков, и далее до определения четности всей посылки. Полученный результат на последнем этапе сравнивается с “битом четности”.

Рис.2.6. Общая блок-схема

На рис. 2.6 блок U2 передатчик информации, блоки U3,U5 приемник информации, U1 блок памяти.

Контролирующее устройство предназначено для защиты схемы от ложного срабатывания.

Переключатель управляет сигналом записи информации. На вход G мы подаем разрешающий импульс, означающий, что прошло время обработки схемой первоначального сигнала. До прихода на вход G разрешающего импульса запись не осуществляется.

Таблица № 2.4.

G	F	C
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Память реализована на D-триггерах. Запись срабатывает при подтверждении правильности посылки.

Рис.2.7. Ячейка блока памяти – D- триггер.

Рис.2.8 Схема блока памяти, реализуемого на D-триггерах

Рис.2.9. Общая схема

3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МАРШРУТА И РЕЖИМОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ

Разработаем технологический маршрут для получения необходимой структуры, представленной далее на рис. 3.12. в соответствии с КТВ, указанными в таблице 1.1.

3.1 Технологический маршрут

1. Резка исходного кристалла на пластины.

2. Механическая обработка пластин:шлифовка, полировка.

3. Химическая обработка пластины.

4. Окисление поверхности кремния.

5. Вскрытие окон под диффузию скрытого коллекторного слоя.

6. Диффузия сурьмы для создания скрытого слоя. (Рис.3.1)

7. Снятие окисла.

8. Осаждение эпитаксиального слоя силановым методом. (Рис.3.2)

9. Окисление поверхности эпитаксиального слоя.

10. Фотолитография.

11. Вскрытие окон под диффузию глубокого коллектора.

12. Диффузия фосфора для создания области глубокого коллектора

13. Снятие окисла.

14. Окисление поверхности эпитаксиального слоя.

15. Фотолитография.

16. Вскрытие окон под диффузию активной базы.

17. Диффузия бора для создания активной базы. (Рис. 3.4)

18. Снятие окисла.

19. Окисление поверхности эпитаксиального слоя.

20. Фотолитография.

21. Анизотропное травление кремния для формирования разделительных канавок. (Рис. 3.5)

22. Снятие окисла.

23. Осаждение трехслойного диэлектрика SiO₂ – Si₃N₄ – SiO_2.

24. Фотолитография для удаления диэлектрика с поверхности (в канавках диэлектрик остается). (Рис.7)

25. Окисление поверхности эпитаксиального слоя.

26. Фотолитография.

27. Вскрытие окон под диффузию эмиттера.

28. Диффузия фосфора для создания эмиттера. (Рис. 3.8)

29. Удаление окисла.

30. Окисление поверхности эпитаксиального слоя. (Рис. 3.9)

31. Фотолитография.

32. Вскрытие окон под металлизацию.(Рис. 3.10)

33. Нанесение алюминия. (Рис. 3.11)

34. Фотолитография и травление алюминия для формирования разводки кристалла. (Рис. 3.12)

3.2 Графическое изображение стадий процесса

3.4 Выбор легирующей примеси

Выбор легирующих примесей, используемых при создании структуры транзистора, производится с учетом следующих критериев:

Тип проводимости примеси.

Предельная растворимость примеси в кремнии.

Коэффициенты диффузии примеси в кремнии и оксиде кремния.

Для создания области скрытого коллекторного слоя выберем сурьму, так как она обладает достаточно низким коэффициентом диффузии, что не позволяет ему сильно “разгоняться” во время проведения всех последующих термических операций. Для создания областей p типа используем бор, для областей n типа – фосфор. Эти примеси имеют коэффициент диффузии в кремнии больший, чем в оксиде кремния, что позволяет использовать последний в качестве диффузионной маски.

3.5 Выращивание эпитаксиального слоя кремния

Для выращивания эпитаксиального слоя кремния используем метод, основанный на пиролитическом разложении силана:

При проведении эпитаксии нужно минимализировать температуру процесса, чтобы избежать размытия границы раздела подложка – эпитаксиальный слой вследствие диффузии. Выращивание эпитаксиального слоя силановым методом происходит при температуре около , скорость наращивания при данной температуре .

3.6 Расчет профилей распределения примеси и времени высокотемпературных процессов

3.6.1 Определение концентраций в подложке и эпитаксиальном слое

Для нахождения концентрации примеси в подложке воспользуемся известной формулой:

, (3.1)

где q – заряд электрона, _p – подвижность дырок при T = 300К

Подвижность дырок можно найти, воспользовавшись эмпирическим выражением:

.(3.2)

Решая (3.1) и (3.2) совместно с помощью MathCAD получим:

Аналогично для эпитаксиального слоя:

(3.3)

3.6.2 Определение профилей распределения примеси в неоднородно легированных слоях

Легирование областей проходит в два этапа: загонка и разгонка.

При разгонке примеси под действием температуры происходит диффузия введенной при загонке примеси вглубь полупроводника. Профиль распределения примеси при загонке описывается дополнительной функцией ошибок:

)(3.4а)

где Ns – поверхностная концентрация, D – коэффициент диффузии, t – время диффузии

Профиль распределения примеси при загонке описывается распределение Гаусса:

(3.4б)

Толщина слоя может быть выражена следующим образом:

(3.5)

где N₀ концентрации исходной примеси , Q – количество атомов примеси на единицу площади, L- характеристическая длина диффузии.

Зная толщину слоя и форму распределения примеси в нем найдем количество введенной примеси:

(3.6)

Решая совместно 3.4а , 3.5 , 3.6 определим параметры загонки примеси, позволяющие получить слои с заданными параметрами.

Найдем дозу введенной примеси.

(3.7)

3.6.3 Окисление

Окисление проводится двумя способами: химическим осаждением кислорода из газовой фазы(в сухом кислороде или парах воды) и используя реакции пиролиза тетраэтаоксисилана Si(OC₂H₅)₄.

Химическое осаждение проводится при температурах 900 – 1300 С, реакции пиролиза позволяют понизить температуру до температур, при которых диффузионные процессы в кремнии практически не происходят.

Зная маскирующую способность окисла, найдем его необходимую толщину для каждой операции.

эмиттер	0.07
база	0.1
коллектор	0.08
скрытый слой	0.8

Выберем для всех операций одинаковый, равный 0.6

Толщина окисла, выращенного при “влажном окислении” равна:

(3.8)

Толщина окисла, выращенного при “сухом окислении” равна:

(3.8а)

3.6.4 Результаты расчета параметров высокотемпературных процессов

3.7 Профили распределения примеси

Полученные распределения примеси ( рис. 3.15, рис. 3.16, рис 3.17) соответствуют заданным параметрам КТВ( таблица 1.1).

Рис. 3.15 Распределение примеси в сечении эмиттера

Рис. 3.16 Распределение примеси в сечении базы

Рис. 3.17 Распределение примеси в сечении коллектора

Для построения профилей распределения примеси в сечении различных областей транзистора, мы рассчитали следующие профили распределения примеси:

Эмиттер

Рис. 3.18 Профиль распределения примеси в эмиттере

Активная база

Рис. 3.19 Профиль распределения в базе

Глубокий коллектор

Рис. 3.20 Профиль распределения примеси в глубоком коллекторе

Скрытый слой

Рис. 3.21 Профиль распределения в скрытом слое

3.8 Расчет конструкционно-технологических ограничений

Технологическая норма – минимальный размер окна, который может быть реализован на фотошаблоне. Расчёт всех размеров исходит из технологической нормы.

Технологическая норма:

Толщина изолирующего окисла:

Толщина слоя металлизации:

Запас:

Систематические погрешности:

Увеличение размера проэкспонированной области при фотолитографии: .

Боковое травление удаляемого материала:

При жидкостном травлении: ;

При ионно-плазменном травлении:

Боковая диффузия: , где – толщина слоя.

Случайные погрешности:

Неточность изготовления фотошаблона:

.

Ошибка совмещения фотошаблонов: .

Погрешность при травлении:

При жидкостном травлении:

;

При ионно-плазменном травлении:

.

Погрешность боковой диффузии: .

Размер контактного окна в структуре:

С учётом случайной погрешности:

Размер металлизации контактных окон:

Размер на фотошаблоне:

Размер металлизации дорожки:

Расстояние между дорожками металлизации:

Размер эмиттера:

Размер активной базы:

Размер коллектора:

Разделительные области:

Расстояния до разделительных областей:

Поперечные размеры структуры:

Активная база:

Скрытый слой:

3.9 Фотошаблоны

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Необходимо рассчитать параметры математических моделей транзисторных структур проектируемой интегральной схемы и построить на основе этих параметров статические и динамические характеристики транзистора и зависимости параметров от режимов (в частности коэффициента передачи по току базы) для дальнейшего схемотехнического моделирования базовых ячеек проектируемой ИС. Определить оптимальный режим работы транзистора.

Расчет параметров модели транзистора на основании аналитических выражений, полученных из рассмотрения физических процессов в структуре транзистора в некоторых приближениях (интегральных соотношениях зарядов в транзисторной структуре).

Экстракция параметров SPICE-модели транзистора из характеристик (статических и динамических) транзистора, полученных в результате физико-топологического моделирования с помощью программного комплекса ISE TCAD, сопоставление с полученными аналитически параметрами и заключением о применимости используемых приближений.

В качестве модели биполярного транзистора используется модель Гуммеля-Пуна (рис.3). Данная модель основана на интегральных соотношениях для зарядов в базе и связывает такие внешние характеристики транзистора как напряжение и ток с зарядом в базе [2]. Модель способная описать три важных эффекта второго порядка:

1. рекомбинацию в области объемного заряда эмиттерного перехода при малых напряжения смещения эмиттер-база;

2. снижение коэффициента усиления по току, наблюдаемое при больших токах;

3. влияние расширения области объемного заряда (эффект Эрли) на ток связи между эмиттером и коллектором.

Эти эффекты второго порядка вызывают отклонение реальных характеристик приборов от идеальных.

Рис. 4.1. Схема замещения транзистора в модели Гуммеля-Пуна.

Токи транзистора в статическом режиме описываются следующими выражениями:

4.1 Определение ширины области пространственного заряда p-n – переходов

Для определения расширения ОПЗ перехода эмиттер – база активная воспользуемся приближением резкого p-n – перехода [1]. Нужно определить расширение ОПЗ при нулевом смещении перехода. Для этого нужно решить систему уравнений, состоящую из (1), (2), (3), (4).

;	(1)
;	(2)
;	(3)
,	(4)

здесь _peba, _neba – расширение ОПЗ в базу и эмиттер соответственно; H_e – глубина залегания эмиттерного перехода; N_e(x) – зависимость концентрации легирующей примеси в эмиттере от глубины; N_ba(x) – зависимость концентрации легирующей примеси в активной базе от глубины; U_jeba – контактная разность потенциалов эмиттерного перехода; _r – диэлектрическая проницаемость кремния; ₀ – электрическая постоянная.

;	(5)
,	(6)

Здесь L_ba, L_e – диффузионные длины в активной базе и эмиттере соответственно.

,	(7)

здесь_Т – тепловой потенциал при температуре 300К; n_ieff – эффективная собственная концентрация, учитывающая сужение запрещенной зоны.

,	(8)

здесь n_i – собственная концентрация; E_g – сужение запрещенной зоны.

,	(9)

здесь N – концентрация примеси в точке встречи.

Расширения ОПЗ переходов база – коллектор и скрытый слой – подложка рассчитываются аналогично.

Таблица 1 Расширения ОПЗ переходов
	Эмиттер – база	База -эпитаксиальный слой	Скрытыйслой-подложка
n, мкм	0.0187	0.3	0.0085
p, мкм	0.0417	0.078	0.0092
опз, мкм	0.061	0.378	0.018
Uконт, В	0.805	0.692	0.906

4.2 Расчет барьерных емкостей p-n переходов

Удельная емкость p-n перехода рассчитывается по формуле:

.	(10)

Емкость p-n – перехода определяется как:

,	(11)

Где S_p–n – площадь pn- перехода.

Площадь pn – перехода рассчитывается как произведение его длины по оси ОХ и ширины по оси ОZ.

Sp-n=wz;	(12)

w- длина диффузионного слоя по оси OX; z- размер диффузионной области по оси OZ.

Результаты расчета барьерных емкостей переходов эмиттер – база (C_eba), база – коллектор (C_bс) и скрытый слой – подложка (C_cp) сведны в таблицу 2.

Таблица 2 Барьерные емкости p-n – переходов

	Ceb	Cbс	Ccp
Удельная емкость, Ф/см2	1.726*10^-7	2.76*10^-8	5.883*10^-7
Барьерная емкость, Ф	5.221*10^-14	2.76*10^-14	9.531*10^-13

4.3 Расчет параметров модели Гуммеля – Пуна

4.3.1 Расчет тока насыщения

Ток насыщения I_S является одним из основных параметров модели транзистора. Он фактически связывает токи эмиттера и коллектора при низком уровне инжекции [2].

Ток насыщения найдем по формуле:

,	(13)

где S_em– площадь эмиттерного перехода; D_nsr– усредненный коэффициент диффузии по электронейтральной области базы; Q_bo– удельный встроенный заряд в базе транзистора; q- элементарный заряд.

,	(14)
	(14′)

где _pbac – расширение ОПЗ перехода база – коллектор в область базы;_peba – расширение ОПЗ перехода эмиттер – база в область базы; H_ba – глубина активной базы; _n – подвижность вычисленная по формуле (14′) при подстановки в нее N_ba(x).

.	(15)

Результаты расчета:

Qbo, Кл/cм2	Dnsr, см2/с	Is, А
1.638*10^-6	34.394	3.418*10^-17

4.3.2 Расчет токов генерации – рекомбинации

Обратные токи эмиттерного и коллекторного переходов представляют собой токи тепловой генерации в ОПЗ соответствующих переходов и рассчитываются по следующим формулам:

;	(16)
,	(17)

где _eba, _bac – полные расширения ОПЗ переходов эмиттер – база и база – коллектор соответственно; S_c – площадь перехода база коллектор; _n – усредненное по ОПЗ время жизни электронов в базе, рассчитанное при помощи формул (18) и (19).

;	(18)
,	(19)

где С₃=10^-5 с; С₁=10¹⁶ см^-3.

Результаты расчета:

ISE, A	ISC, A
1.775*10^-11	6.825*10^-12

4.3.3 Расчет времени пролета носителей заряда через базу

Время пролета неосновных носителей через электронейтральную область базы представляет собой одно из главных ограничений на быстродействие транзистора [2].

Время пролета носителей через базу – есть коэффициент пропорциональности между зарядом основных носителей в базе и током коллектора. Заряд инжектированных носителей Qnb переносит коллекторный ток, который течет через электронейтральную область базы. Соответственно характеристическое время пролета через базу TF, определяющее перенос неосновных носителей через базовую область, есть частное от деления заряда Qnb на ток Ic:

,	(20)

где Qnb – заряд, обусловленный инжектированными электронами, и определяется так:

	(21)

Здесь n(x) – распределение избыточной концентрации инжектированных электронов в электронейтральную область базы.

Для коллекторного тока имеем:

	(22)

Таким образом, получаем следующее выражение для определения времени пролета:

;	(23)
.	(24)

Результаты расчета:

TF, с	TR, с
1.64*10^-12	2.388*10^-11

4.3.4 Расчет характеристических токов IKF и IKR

Характеристические токи IKF(эммитер инжектирует, коллектор собирает электроны) и IKR используются в модели Гумеля-Пуна для описания эффекта высокого уровня инжекции. Определяются они следующим образом:

;	(25)
,	(26)

где S_empl – площадь плоской части эмиттерного перехода

Результаты расчета:

IKF, мA	IKR, мA
0.324	0.021

4.3.5 Расчет напряжения Эрли

Изменение напряжения смещения коллекторного перехода вызывает изменение ширины области его объемного заряда и, следовательно, ширины квазинейтральной области базы [3]. Такое явление модуляции ширины базы называют эффектом Эрли. Этот эффект приводит к изменению коллекторного тока транзистора в зависимости от напряжения на коллекторном переходе и определяется следующим образом:

;	(27)
.	(28)

Результаты расчета:

VAF, В	VAR, В
59.351	9.491

4.3.6 Расчет чисел Гуммеля для базы и эмиттера

Число Гуммеля – количество атомов примеси на см²квазинейтральной области

;	(29)
,	(30)

де D_psr – усредненный коэффициент диффузии неосновных носителей заряда по электронейтральной области эмиттера; N_Ge, N_Gb – числа Гуммеля для эмиттера и базы соответственно.

Где _p– подвижность определенная по формуле (14′) при подстановке в нее N_em(x).

Результаты расчета:

NGe	NGb
1.658*10^13	2.552*10^12

4.3.7 Расчет коэффициента передачи тока базы в нормальном режиме

Для расчета коэффициента передачи тока базы при прямом включении транзистора справедлива следующая формула:

.	(32)

4.3.8 Расчет коэффициента передачи тока базы в инверсном режиме

,	(33)

где _I – коэффициент передачи тока эмиттера в инверсном режиме, рассчитанный по формуле (34).

,	(34)

где D_psr– усреднённый коэффициент диффузии дырок в электронейтральном эпитаксиальном слое; S₁ – площадь плоского дна эмиттерного перехода; S₂ – площадь плоского дна перехода коллектор – активная база; S₃ – площадь боковой части перехода коллектор – активная база; L_p – диффузионная длина дырок в эпитаксиальной области; – ширина электронейтральной области эпитаксиального слоя.

Результаты расчета:

BF	BR
25.975	1.897

4.3.9 Расчет параметров эффекта квазинасыщения

Параметром, учитывающим эффект квазинасыщения, является ток коллектора, характеризующий начало расширения базы в коллектор, что приводит к изменению времени пролета неосновных носителей заряда через базу. Т. е. данный параметр характеризует зависимость TF от тока коллектора и определяется следующим образом:

.	(35)

Здесь V_s – скорость насыщения носителей заряда в кремнии (V_s=10⁷ [см/с]).

Определение напряжения насыщения V0, определяющего напряжение, при котором происходит насыщение дрейфовой скорости в коллекторе:

,	(36)

где E_кр – критическая напряженность электрического поля, при которой скорость дрейфа носителей заряда насыщается.

Рассчитать множитель, определяющий заряд в эпитаксиальной области, можно по соотношению:

.	(37)

Коэффициент легирования эпитаксиальной области, рассчитывается по формуле:

.	(38)

Таким образом, после расчета получаем следующие значения параметров эффекта нелинейного квазинасыщения:

ITF= 4.519 мA,

V0= 3.0 B,

QC0= 6.778*10^-13 Кл/см²,

GAMMA= 9.649*10^-11

4.3.10 Расчет сопротивлений транзистора

Расчет сопротивления областей транзистора проведем по формуле:

, где с_S – поверхностное сопротивление области,l и b – длина и ширина области соответственно.

Расчет сопротивления тела эмиттера (R_E) производится по формуле

.	(39)

где r_e– удельное поверхностное сопротивление эмиттерного слоя (задано в КТВ).

Результат расчета: RE= 0.062 Oм

Сопротивление коллектора можно условно разделить на 5 частей:

Рис. 4.2. Структура транзистора, поясняющая распределение сопротивления тела коллектора.

Полное сопротивление коллектора определяется как:

, где каждое слагаемое рассчитывается по следующим формулам:

	(40)

Результаты расчета:

Сопротивление тела коллектора

r1,Ом	r2,Ом	r3,Ом	r4,Ом	r5,Ом
158.678	1.587	34.091	5	1.736

RK=201.092 Ом

Сопротивление базы может меняться под действием эффектов:

· модуляции сопротивления базы

· оттеснения эмиттерного тока

Критерий, определяющий необходимость учета этих эффектов:

, где W – ширина квазинейтральной базы, h – длина области эмиттера.

В нашем случае ш=0.164< 1, следовательно, нужно учитывать эффект оттеснения эмиттерного тока. Данный эффект учитывается введением параметра IRB, при котором сопротивление базы уменьшается на 50% от полного перепада между RB и RBM. Всю базу можно разбить на два участка: пассивная и активная область (база под эмиттером). Сопротивление пассивной части базы складывается из двух: подконтактная часть и сопротивление базы, от края контакта до эмиттера. В максимальное значение входит также и сопротивление активной части базы.

Рис. 4.3. Области сопротивления базы.

Для расчёта воспользуемся следующим соотношением для такой геометрии сопротивления :

где L – расстояние от края контакта до эмиттера (из КТО)

	(42)

Результаты расчета:

RB,Ом	RBM,Ом
220	20

И окончательно:

Сопротивления транзистора

Сопротивление эмиттера (RE), Ом	Сопротивление базы (RB), Ом	Минимальное сопротивление базы (RBM), Ом	Сопротивление коллектора (RC), Ом
0.24	220	20	201

В нашем случае ш=0.164< 1, следовательно, нужно учитывать эффект оттеснения эмиттерного тока. Данный эффект учитывается введением параметра IRB, при котором сопротивление базы уменьшается на 50% от полного перепада между RB и RBM.

	(43)

После расчёта имеем значение тока:

IRB= 0.431_10^-3A.

4.4 Моделирование параметров интегрального транзистора в программе физико-топологического моделирования TCad

В диффузионно-дрейфовом приближении экспериментом можно считать моделирование электрических режимов в системе физико-топологического моделирования TCad на смоделированном в ней же транзисторе. В этой системе в двумерном пространстве решается система уравнений, которая определяет поведение электронного и дырочного газа. Т.е. находится функция распределения свободных электронов и дырок в приближении идеального газа, а точнее n(x,y) и p(x,y) (считается, что распределение свободных носителей по энергиям – Больцмановское, и внешнее электрическое поле на распределение по энергиям не влияет), а потом в диффузионно-дрейфовом приближении находятся токи. Экспериментом это моделирование можно считать только тогда, когда выполняется диффузионно-дрейфовое приближение. А оно выполняется когда:

· электронно-дырочный газ должен быть не вырожденным;

· электронно-дырочный газ находится в термо-динамическом равновесии с решёткой, т.е. Тn=Tp=T_L. В противном случае, чтобы найти температуру газа (и воспользоваться больцмановским распределением) нужно решить систему энергетического баланса, следовательно поля должны быть меньше 10⁵В/см;

· область, где используется подвижность (коэффициент диффузии в активной базе, например) должна быть больше длинны свободного пробега – 0.1мкм в кремнии, и концентрация примеси в этой области должна меняться не сильно (т.к. подвижность зависит от концентрации примеси).

При моделировании учитывались следующие эффекты:

· рекомбинация – модель Шокли-Рида-Холла, зависимость времени жизни от концентрации легирующей примеси;

· подвижность – зависимость от концентрации легирующей примеси, насыщение дрейфовой скорости носителей заряда в высоких полях;

· сужение ширины запрещенной зоны при высоких концентрациях легирующей примеси (эффективная собственная концентрация);

При моделировании двухмерной структуры транзистора в программе MDRAW , использовались размеры структуры транзистора те же, что и при расчёте зарядоуправляемой модели Гуммеля-Пуна.

Двумерная структура полученного транзистора имеет следующий вид вид:

Рис. 4.4. Структура транзистора.

4.5 Экстрагирование параметров модели Гуммеля – Пуна

В этом пункте производится экстрагирование некоторых параметров модели Гуммеля-Пуна из характеристик, полученных моделированием в среде ISE-TCAD.

Уравнения, связывающие напряжения на электродах транзистора и токи через них, с параметрами модели Гуммеля-Пуна [2]:

(48)

При низком уровне инжекции q2?0

При высоком уровне инжекции q2>q1:

4.5.1 Нахождение IS, NF

Строится график зависимости тока коллектора от напряжения базы в полулогарифмическом масштабе при напряжении на коллекторе Ubc = 0 В (включение с общим эмиттером). Находим на графике участок, на котором его форма определяется уравнением (49). Используя значения токов и напряжений для двух точек из этого участка, находим IS:

Рис.4.5.. Зависимость тока коллектора от напряжения эмиттера в схеме ОБ.

IS=3.0186e-017A

4.5.2 Нахождение IKF и IKR

На графике Ik(Ube) при напряжении на коллекторе Ubc = 0 В находим участок, на котором его форма определяется уравнением (52). Из графика определим Ic. Используя координаты точки из этого участка, находим IKF по формуле:

Рис.4.6. Нахождение Ic для расчета IKF.

При Ic = 2.0242*10^-10 А и IS = 3.0186e-017 А, получаем IKF = 1.36мА

Аналогично, по графику зависимости тока эмиттера от напряжения коллектора в полулогарифмическом масштабе при инверсном включении в схеме с общей базой можно найти IKR по формуле:

Ie=2.134e-010=>IKR=2мA.

Рис.4.7. Ток эмиттера от напряжения коллектора в схеме ОБ.

4.5.3 Нахождение ISE и NE, ISC и NC

Строим график зависимости тока базы от напряжения базы в полулогарифмическом масштабе, при нулевом напряжении на коллекторе (включение с общим эмиттером). Так как параметры ISE и NE оказывают влияние при малых смещениях перехода база эмиттер, то начальный участок графика описывается уравнением (44), которое упрощается до вида:

Таким образом, выбирая пару точек и используя функции пакета MathCad, находим NE = 1.6, ISE =8.134e-014 А.

Рис.4.8. Зависимость тока базы от напряжения эмиттера в схеме ОБ.

Аналогичным образом из зависимости тока базы от напряжения коллектора, при инверсном включении с общей базой можно найти ISC, NC

Рис.4.9. Ток базы от напряжения коллектора в схеме ОБ.

ISC=7.7448e-016 A, NC=1.539.

4.5.4 Нахождение VAF и VAR

Напряжение Эрли в прямом режиме VAF, находим из выходной характеристики схемы с общим эмиттером по формуле (50), аналогично находим VARиз выходной характеристики схемы инверсного включения с общим эмиттером.

Рис.4.10 . Напряжение Эрли в прямом режиме (ОЭ).

VAF = 85В.

Рис.4.11. Напряжение Эрли в инверсном режиме (ОЭ).

VAR=17 В.

4.5.5 Нахождение BF и BR

Максимальное значение коэффициента передачи по току в в прямом режиме включения может быть найдено из отношения тока коллектора Ic к току базы Ib транзистора.

Максимальное значение коэффициента передачи по току в в инверсном режиме включения транзистора находится по тому же принципу.

Рис.4.12. Коэффициент передачи тока в прямом режиме (ОБ).

Рис.4.13. Коэффициент передачи тока в инверсном режиме (ОБ).

BF=13.4

BR=7.3

4.5.6 Нахождение RC

Сопротивление коллектора находим из выходной характеристики в схеме с общим эмиттером, сопротивление коллектора определяет наклон кривых при малых напряжениях на коллекторе. По формуле

Рис.4.14. Выходная характеристика в схеме ОЭ.

Получаем RC=253.722 Ом.

4.5.7 Нахождение RB

Сопротивление базы находится из графика тока базы от напряжения эмиттера в схеме включения с общим эмиттером при больших положительных смещениях перехода база-эмиттер, когда характеристика отклоняется от экспоненциальной. ДU= Ib·RB

Рис. 4.15. Ток базы от напряжения Ube.

Рис. 4.16. Сопротивление базы от напряжения Ube.

Из выражения определяем RB=247.77 Ом, из зависимости RB(Ube) определяем RBM=29.038 Ом.

4.5.8 Нахождение времени переноса носителей

Рис.4.17. Экстракция TF.

TF=9.793*10^-9 с.

Рис.4.18. Экстракция TR.

TR=1.601*10^-8 с.

Все аналитические и экстрагированные параметры модели Гуммеля-Пуна сведены в таблицу 4.1

Таблица.4.1. Параметры модели Гуммеля-Пуна.

	T-Cad	Аналитика
IS – ток насыщения, А		3.418*10^-17
ISE – обратный ток эмиттерного перехода, А	8.134e-014 А	1.775*10^-11
ISC – обратный ток коллекторного перехода, А	7.7448e-016	6.825*10^-12
IKF – ток перехода к ВУИ в прямом режиме, А	1.36мА	0.324
IKR- ток перехода к ВУИ в инверсном режиме, А	2мА	0.021
BF – максимальный коэффициент усиления тока в прямом режиме	13.4	25
BR – максимальный коэффициент усиления тока в инверсном режиме	7.3	1.8
VAF – напряжение Эрли в нормальном режиме, В	85	59
VAR – напряжение Эрли в инверсном режиме	17	9.4
RB – объемное сопротивление базы, Ом	247.77	220
RBM – минимальное сопротивление базы, Ом	29.038	20
RC – объемное сопротивление коллектора, Ом	253.722	201
RE – объемное сопротивление эмиттера, Ом	0.062	0.24
NF- коэффициент неидеальности в нормальном режиме
NR – коэффициент неидеальности в инверсном режиме
NC- коэффициент неидеальности коллекторного перехода	1.539
NE- коэффициент неидеальности эмиттерного перехода	1.6
NGE – число Гуммеля для эмиттера		1.658*10^13
NGB – число Гуммеля для базы		2.552*10^12
ITF- параметр, учитывающий эффект квазинасыщения, А		4.519 мA
V0 – напряжение насыщения, В		3.0 B
QC0 – множитель, определяющий заряд в эпитаксиальной области		6.778*10^-13
GAMMA – коэффициент легирования эпитаксиальной области		9.649*10^-11
IRB – критический ток базы при котором сопротивление базы уменьшается на 50% от полного перепада между RB и RBM, А		0.431_10^-3
TF – временя переноса носителей в прямом режиме	9.793*10^-9	1.64*10^-12
TR – временя переноса носителей в инверсном режиме	1.601*10^-8	2.388*10^-11
ОПЗ э-б, мкм	0.04	0.0187
ОПЗ б-э,мкм	0.08	0.0417
ОПЗ б-эпит,мкм	0.12	0.078
ОПЗ эпит-б,мкм	0.56	0.3
ОПЗ сс-подл, мкм	0.18	0.0085
ОПЗ подл-сс, мкм	0.55	0.0092

4.6 Анализ полученных результатов

Для сравнения полученных результатов проведем моделирование транзистора в программе MicroCap 9 со Spice параметрами, полученными аналитически и с экстрагированными из характеристик, полученных при моделировании транзистора в программе “ISETCAD”.

Рис.4.19. Выходные характеристики в схеме с общим эмиттером.

Рис.4.20. Входные характеристики в схеме с общим эмиттером.

Рис.4.21. Передаточные характеристики в схеме с общим эмиттером.

Рис 4.22. Передаточная характеристика в схеме с общей базой

Рис 4.24. Зависимость вFот Ube в схеме с общей базой

Расхождение результатов, полученных при моделировании в программах ISE-Tcad и Micro-Cap, можно объяснить различием учитываемых эффектов. При моделировании в программе ISE-Tcad учитываются все те же эффекты, которые учитывает модель Гуммеля – Пуна (эффект Эрли, Вебстера, Кирка, оттеснения эмиттерного тока и др). Также в программе ISE-Tcad учитывается рекомбинация по модели Шокли – Рида – Холла на границе раздела оксид кремния – полупроводник и в объеме полупроводника. Очевидно, что только рекомбинация не может привести к большим расхождениям в результатах, расхождение аналитически полученных параметров и параметров экстрагированных из ISE-Tcadможно объяснить несовершенством нахождения расширений ОПЗ соответствующих переходов и спецификой алгоритма расчета программы ISE-Tcad. Так же существенное значение имеет выбор сетки при моделировании в ISE-Tcad.

4.7 Расчет Диода Шоттки

Полученная ВАХ диода Шоттки

Рис.4.25 ВАХ диода Шоттки.

5. РАЗРАБОТКА БАЗОВОЙ ЯЧЕЙКИ ТТЛ

Реализуемая схема представлена на рис. 1.

Рис.4.1. Схема для проверки четности 2-х байтовой посылки.

В схеме 18 входов, 1 выход, 84 элемента(252транзистора).

5.1 Принципиальная электрическая схема элемента

Базовым элементом ТТЛ логики является элемент И-НЕ [1]. Схема элемента ТТЛ изображена на рисунке 2.

Рис.4.2. Принципиальная схема элемента 2И-НЕ

Основой элемента является многоэмиттерный транзистор VТмэт, выполняющий логическую функцию И. Ключевой каскад на транзисторе VТ2 выполняет функцию инвертора, так что в целом ТТЛ-элемент реализует функцию И-НЕ.

При подаче хотя бы на один вход напряжения логического нуля U⁰ переход эмиттер-база транзистора VТмэт смещается прямо. При этом переходы коллектор-база VТмэт и эмиттер-база VТ2 будут смещены прямо, на каждом из них прямое смещение будет меньше напряжения прямосмещенного pn-перехода U^*. В цепи коллектор VТмэт -база VТ2 будет протекать незначительный ток. При этом транзистор VТ2 будет закрыт. На выходе реализуется высокий уровень потенциала U¹. При подаче на все входы напряжения логической единицы эмиттерный переход VТмэт сместится обратно и транзистор VТмэт перейдет в инверсный режим работы. При этом возникает существенный ток базы VТ2, протекающий через прямо смещенный коллекторный переход транзистора VТмэт. Транзистор VТ2 попадает в насыщение, и на выходе формируется уровень низкого потенциала U⁰.

Рис.4.3. Электрическая схема рассчитываемого элемента И-НЕ.

Используем диод Шоттки для улучшения входных характеристик.

5.2 Расчет номиналов резисторов

На рис. 4.4 представлен выходной каскад логического элемента, нагруженный на N аналогичных элементов.

Рис. 4.4. Выходной каскад ЛЭ, нагруженный на N нагрузок.

Рассчитаем значения резисторов, исходя из коллекторного тока VT2

Для данного тока вf=13,5 вr=4,6

Для кремниевых транзисторов V0

n- максимальное количество нагрузок (в данной схеме N=8)

N- коэффицент насыщения. (N=3)

Тогда

Условие насыщения транзистора

Для транзистора Т3:

Ток со стороны выхода (ток коллектора):

(1)

Ток со стороны входа (ток базы):

(2)

Приравняв из (1) и (2), получим:

(3)

Определим сопротивления R1, R2, R3 и R4, для этого будем задавать ток

Пусть .

Тогда:

Пусть

Тогда:

= 1.15 мА

5.3 Расчет геометрических размеров резисторов

Ширина резистора определяется, исходя из рассеиваемой им мощности, а также исходя из КТО. В нашем случае определяющей будет ширина, рассчитанная по КТО.

Из КТО b0=3.62 мкм (в случае ионно-плазменного травления)

Выбираем толщину R = 3.62 мкм

Расчет топологических размеров произведем, зная сопротивление резисторов и удельное сопротивление базового слоя (300 Ом/кВ).

Резистор	R,Ом	L (кВ)
R1	8,2	27
R2	3,8	14
R3	1,4	4
R4	10	33

5.4 Расчет номиналов паразитных элементов

При моделировании динамических характеристик логического элемента важными параметрами являются паразитные элементы, возникающие в технологическом процессе. Определим номиналы паразитных элементов. Эквивалентная схема резистора представлена на рис.4.5

Рис. 4.5. Эквивалентная схема диффузионного резистора

На рис.5 обозначены паразитные элементы: Т транзистор p-n-p типа, распределенная емкость n-p-перехода, емкость перехода n-область – подложка. При подаче на эпитаксиальный слой (n-область) положительного потенциала Е транзистор Т оказывается закрытым, емкости и одна из замкнуты по переменному току. Остается учесть только вторую половину емкости .

где – удельная емкость p-n перехода база активная – коллектор. =8.56510^-10 Ф/см². Зная удельную емкость p-n перехода и размеры резисторов, рассчитаем их емкость в соответствии с приведенными выше формулами. Сведем полученные значения емкостей в таблицу:

Резистор	, Ф
R1	1.53410-13
R2	7.85710-14
R3	2.61910-14
R4	1.87110-13

5.5 Моделирование базовой ячейки в Micro-cap

При моделировании работы базовой ячейки к ее выходу подсоединяется максимально возможное в данной схеме количество таких же ячеек.

Рис.4.6 Входные характеристики

Рис.4.7. Выходные характеристики

Рис.4.8. Передаточные характеристики без нагрузки и с нагрузкой (8 аналогичных ячеек)

Рис.4. 9. Реакция схемы на прямоугольный импульс.

Вычислим время задержки переключения

Время задержки схемы 10,215 мкс

5.6 Топология базовой ячейки

Рис. 4.10. Топология базовой ячейки 2И-НЕ

При разработке базовой ячейки ТТЛ стремятся уменьшить площадь, занимаемую элементом на кристалле, располагая элементы по принципу плотнейшей упаковки.

Также необходимо учесть следующие требования:

шины питания и земли максимально разнесены друг от друга во избежание их закорачивания;

элементы схемы расположены так, чтобы длина соединяющих их шин металлизации, а следовательно и их паразитная емкость были минимальны.

Стараясь придерживаться выше изложенных основ проектирования, была разработана топология базового логического элемента ТТЛ, которая представлена на рис. 10.

5.7 Топология кристалла

Рис. 4.11. Топология кристалла.

Размер ячейки 70,8х84,5 мкм. кристалла – 1548х1263 мкм.

Заключение

В работе была проведена разработка логической схемы комбинационного устройства проверки четности 2-х байтовой посылки, разработана его структурная схема. Был разработан технический маршрут создания типового транзистора, произведена его проектировка с учетом КТО, был произведен расчет его характеристик на основе аналитических формул для модели Гуммеля-Пуна, а так же в программе TCAD. Была рассмотрена базовая ячейка устройства, а так же произведен расчет её электротехнических параметров. Был спроектирован набор фотошаблонов для базовых ячеек и кристалла в целом. Устройство имеет 21 контактную площадку, 18 входов, 1 выход, контакты к шинам “земли” и питания. Размер ячейки 70,8х84,5 мкм. кристалла – 1548х1263 мкм.

В готовой схеме 84 стандартных ячеек, 252 транзисторов, среднее время переключения одной ячейки 0.567 мкс, всей схемы 10,21 мкс.

Список литературы

1. Алексенко А.Г. Шагурин И.И. “Микросхемотехника” Радио и связь 1990г

2. Коледов Л.А. “Технология и конструкция микросхем, микропроцессоров и микросборок”

3. С. Зи. “Физика полупроводниковых приборов” Мир 1984г

4. Маллер Р., Кейминс Т., “Элементы интегральных схем” М.: Мир, 1989

5. А.К.Соловьев “Проектирование БИС в КМОП базисе”, 2003г

6. О. Б. Сарач. Методическое пособие “Разработка технологии изготовления биполярной ИС”, 2010 г.

7. Тугов Н. М., Глебов Б. А., Чарыков Н. А., Полупроводниковые приборы. М.: Энергоатомиздат. 1990

8. Каретников И.А. Соловьев А.К. Чарыков Н.А. “Транзисторные ключи и логические элементы” МЭИ 2000г

9. Березин А.С. Мочалкина О.Р. “Технология и конструирование интегральных микросхем” Радио и связь 1992г