Расчет полупроводниковых резисторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Актауский технологический колледж сервиса

Курсовой проект

по дисциплине: "Основы промышленной электротехники"

на тему: "Расчет полупроводниковых резисторов"

Выполнил: студент группы 05-13

Багиров Р.Т.

Проверил: преподаватель спец. дисциплины

Булекбаева Г.Ж.

г. Актау - 2016 г.

Содержание

Введение

1. Общая часть

1.1 Основные сведение о резисторах

1.2 Классификация резисторов

1.3 Полупроводниковые резисторы

1.4 Основные электрические параметры резисторов

1.5 Требования к резисторам

2. Расчет полупроводниковых резисторов

2.1 Общие сведения об изготовлении полупроводниковых резисторов

2.2 Порядок расчета полупроводниковых резисторов

2.3 Расчет полупроводниковых резисторов

2.4 Основные правила проектирования топологии полупроводниковых микросхем с изоляцией р-n-переходом

Заключение

Список литературы



Введение

Для чего нужны резисторы?

Чтобы создать сопротивление протекающему по цепи току, ограничить его. А оказывать сопротивление нужно, чтобы не расходовать слишком быстро запасы источника тока, ограничить потребляемую мощность.

При протекании тока по резистору на нем создается напряжение, то есть перепад уровней электрического поля, это напряжение можно тоже использовать для питания других цепей, где нужно меньшее напряжение, чем было на цепочке из нескольких резисторов. Резисторы (употреблявший ранее термин "сопротивление" обозначал как элемент электрической цепи, так и его физическое свойство. С 1962 г. Для обозначения сопротивления как элемента электрической цепи введен термин "резистор". Термин "сопротивление" употребляется для обозначение физического свойства изделия.) широко применяются в разнообразных схемах управления электрическими силовыми установками, где выполняют различные функций. Чарльз Уитстон в 1837 изобрел реостат (rheotstat) - регулируемый (переменный) резистор, предназначенный для изменения электрического тока.

Цель данного курсового проекта, изучение методики и приобретение практических навыков в проведение конструкторских расчётов резисторов для интегральных микросхем и микросборок, изучение номенклатуры и характеристик основных резистивных элементов.

Полупроводниковыми резисторами называют полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на свойствах полупроводников изменять свое сопротивление под действием температуры, электромагнитного излучения, приложенного напряжения и других факторов.

Полупроводниковые резисторы являются простейшими полупроводниковыми приборами. В полупроводниковых резисторах применяется изотропный полупроводниковый материал, и их электрические характеристики определяются электрическими свойствами однородного полупроводника.



1. Общая часть

1.1 Основные сведение о резисторах

Резистором называется пассивный элемент РЭА (радиоэлектронной аппаратуры), предназначенный для создания в электрической цепи требуемой величины сопротивления, обеспечивающей перераспределение и регулирование электрической энергии между элементами схемы.

Резисторы являются элементами электронной аппаратуры и могут применяться как дискретные компоненты или как составные части интегральных микросхем. Дискретные резисторы классифицируются по назначению, виду ВАХ, по способу защиты и по способу монтажа, характеру изменения сопротивления, технологии изготовления.

Рис. Обозначение резистора на схеме

Резисторы используют для формирования заданных величин токов и напряжений в электрической цепи радиоэлектронных устройств, создания необходимых электрических режимов активных компонентов, согласования электрических цепей, поглощения электрической мощности, для применения в частотозадающих цепях генераторов и фильтров и т.д.

В настоящее время наравне с дискретными резисторами получают все большее распространение наборы резисторов. Конструктивно наборы, как правило, оформляются в корпусах микросхем.

1.2 Классификация резисторов

Выпускаемые отечественной промышленностью резисторы классифицируются по различным признакам.

В зависимости от характера изменения сопротивления резисторы разделяют на постоянные - значение сопротивления фиксировано; переменные - с изменяющимся значением сопротивления.

В зависимости от назначения резисторы делятся на:

· резисторы общего назначения;

· резисторы специального назначения:

· высокоомные (сопротивления от десятка МОм до единиц ТОм, рабочие напряжения 100.400 В);

· высоковольтные (рабочие напряжения - десятки кВ);

· высокочастотные (имеют малые собственные индуктивности и ёмкости, рабочие частоты до сотен МГц);

· прецизионные и сверхпрецизионные (повышенная точность, допуск 0,001-1 %).

Резисторы общего назначения используются в качестве нагрузок активных элементов, поглотителей, делителей в цепях питания, элементов фильтров, шунтов, в RC - цепях формирования импульсных сигналов и т.д. Диапазон номинальных сопротивлений этих резисторов 1 Ом...10 МОм, номинальные мощности рассеяния - 0,125... 100 Вт. Допускаемые отклонения сопротивления от номинального значения ±1; ±2; ±5; ±10; ±20 %. Примерами резисторов общего назначения служат С 2-33, Р 1-12 и др.

Прецизионные и сверхпрецизионные резисторы отличаются высокой стабильностью параметров и высокой точностью изготовления (допуск ±0,0005...0,5 %). Данные резисторы применяются в основном в измерительных приборах, системах автоматики. Диапазон этих резисторов значительно шире, чем резисторов общего назначения. Примерами служат резисторы Р 1-72, Р 2-67, С 2-10, С 2-29, С 2-36, Р 1-16, Р 1-8 и др.

Высокочастотные резисторы отличаются малыми собственными индуктивностью и емкостью и предназначены для работы в высокочастотных цепях, кабелях и волноводах. Примерами служат резисторы Р 1-69,

Высоковольтные резисторы рассчитаны на работу при больших (от единиц до десятков киловольт) напряжениях. Примерами высоковольтных резисторов служат Р 1-32, Р 1-35, С 2-33НВ и др.

Высокомегаомные резисторы имеют диапазон номинальных сопротивлений от десятков мегаом до единиц тераом. Высокомегаомные резисторы применяются в цепях с рабочим напряжением до 400 В и обычно работают в режиме малых токов. Мощности рассеяния их невелики (до 0,5 Вт). Примером служит резистор Р 1-33.

В зависимости от способа защиты от внешних факторов резисторы делятся на:

· неизолированные;

· изолированные;

· герметизированные;

· вакуумные.

Неизолированные резисторы с покрытием или без него не допускают касания своим корпусом шасси аппаратуры. Пример: Р 1-69.

Изолированные резисторы имеют изоляционное покрытие (лак, компаунд, пластмасса) и допускают касание корпусом шасси и токоведущих частей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Примеры: С 5-35В, С 5-36В, С 5-37В, С 5-43В, С 5-47В и др.

Герметизированные резисторы имеют герметичную конструкцию корпуса, которая исключает влияние окружающей среды на его внутреннее пространство. Герметизация осуществляется, с помощью опрессовки специальным компаундом.

Вакуумные резисторы имеют резистивный элемент, помещенный в стеклянную вакуумную колбу.

По способу монтажа резисторы подразделяются на:

· для навесного монтажа;

· для печатного монтажа;

· для микросхем и микромодулей.

По материалу резистивного элемента резисторы делятся на:

· проволочные;

· непроволочные;

· металлофольговые;

Проволочные - резисторы, в которых резистивным элементом является высокоомная проволока (изготавливается из высокоомных сплавов: константан, нихром, никелин). Металлофольговые - резисторы, в которых резистивным элементом является фольга определенной конфигурации.

Непроволочные - резисторы, в которых резистивным элементом являются пленки или объемные композиции с высоким удельным сопротивлением.

Непроволочные резисторы можно разделить на тонкопленочные (толщина слоя в нанометрах), толстопленочные (толщина в долях миллиметра), объемные (толщина в единицах миллиметра). Примеры: С 2-23, С 2-33, С 2-14, Р 1-32, Р 1-35, Р 1-12 и др.

Тонкопленочные резисторы подразделяются на металлодиэлектрические, металлоокисные и металлизированные с резистивным элементом в виде микрокомпозиционного слоя из диэлектрика и металла, или тонкой пленки окиси металла, или сплава металла; углеродистые и бороуглеродистые, проводящий элемент которых представляет собой пленку пиролитического углерода или борорганических соединений. К толстопленочным относят лакосажевые, керметные и резисторы на основе проводящих пластмасс. Проводящие резистивные слои толстопленочных и объемных резисторов представляют собой гетерогенную систему (композицию) из нескольких фаз, получаемую механическим смешением проводящего компонента, например, графита или сажи, металла или окисла металла, с органическими или неорганическими наполнителями, пластификаторами или отвердителем. После термообработки образуется монолитный слой с необходимым комплексом параметров. Примеры: С 2-33, Р 1-72, С 2-10, С 2-36, Р 1-8 и др.

В объемных резисторах в качестве связующего компонента используют органические смолы или стеклоэмали. Проводящим компонентом является углерод. резистор полупроводниковый конструкторский проектирование

В резистивных керметных слоях основным проводящим компонентом являются металлические порошки и их смеси, представляющие собой керамическую основу с равномерно распределенными частицами металла.



1.3 Полупроводниковые резисторы

Полупроводниковые резисторы (датчики проникающих излучений) изготовляют на основе пленок из поликристаллических материалов - сульфида кадмия, селенида кадмия и др. - путем возгонки в вакууме и осаждения полупроводниковой пленки на металлическую подложку, которая является одним из выводов. Второй вывод наносится поверх полупроводникового слоя также напылением в вакууме.

Полупроводниковые резисторы характеризуются большим положительным ТК. Температурная зависимость сопротивления обусловлена двумя процессами - генерацией носителей заряда и уменьшением подвижности их с ростом температуры.

Классификация и условное обозначение полупроводниковых резисторов:

· линейные резисторы;

· нелинейные резисторы:

· варисторы - сопротивление зависит от приложенного напряжения;

· терморезисторы - сопротивление зависит от температуры;

· фоторезисторы - сопротивление зависит от освещённости;

· тензорезисторы - сопротивление зависит от деформации резистора;

· магниторезисторы - сопротивление зависит от величины магнитного поля;

· Переменный резистор (реостат);

· Подстроечный резистор.

Линейный резистор - полупроводниковый прибор, в котором обычно используется слаболегированный кремний или арсенид галлия. Удельное сопротивление такого полупроводника мало зависит от напряжённости электрического поля и плотности электрического тока. Поэтому сопротивление линейного резистора практически постоянно в широком диапазоне изменения напряжений и токов. Линейные резисторы нашли широкое применение в интегральных микросхемах.

Рис. Обозначение на схеме

Нелинейными называются резисторы, сопротивление которых изменяется в зависимости от значения, приложенного напряжения или протекающего тока. Так, сопротивление осветительной лампы накаливания при отсутствии тока в 10-15 раз меньше, чем при нормальном горении. К нелинейным элементам относятся многие полупроводниковые приборы.

Варистор - полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения, то есть обладающий нелинейной симметричной вольтамперной характеристикой и имеющий два вывода. Обладает свойством резко уменьшать свое сопротивление с десятков и (или) тысяч Ом - до единиц Ом при увеличении приложенного к нему напряжения выше пороговой величины. При дальнейшем увеличении напряжения сопротивление уменьшается ещё сильнее. Благодаря отсутствию сопровождающих токов при скачкообразном изменении приложенного напряжения, варисторы являются основным элементом для производства устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Рис. Обозначение на схеме

Свойства. Нелинейность характеристик варисторов обусловлена локальным нагревом соприкасающихся граней многочисленных кристаллов карбида кремния (или иного полупроводника). При локальном повышении температуры на границах кристаллов сопротивление последних существенно снижается, что приводит к уменьшению общего сопротивления варисторов. Один из основных параметров варистора - коэффициент нелинейности - определяется отношением его статического сопротивления к динамическому сопротивлению :

,

где и - напряжение и ток варистора.

Коэффициент нелинейности лежит в пределах 2-10 у варисторов на основе SiC и 20-100 у варисторов на основе ZnO.

Температурный коэффициент сопротивления варистора - отрицательная величина.

Терморезистор - полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры.

Терморезистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году.

Терморезисторы изготавливаются из материалов с высоким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), который обычно на порядки выше, чем ТКС металлов и металлических сплавов.

Рис. Обозначение на схеме

Резистивный элемент терморезистора изготавливают методом порошковой металлургии из оксидов, галогенидов, халькогенидов некоторых металлов, в различном конструктивном исполнении, например, в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок, тонких пластинок, и размерами от 1-10 микрометров до нескольких сантиметров.

Терморезисторы способны работать в различных климатических условиях и при значительных механических нагрузках. Однако, с течением времени, при жёстких условиях его эксплуатации, например, термоциклировании, происходит изменение его исходных термоэлектрических характеристик, таких как:

· номинального (при 25 °C) электрического сопротивления;

· температурного коэффициента сопротивления.

Также существуют комбинированные приборы, такие как терморезисторы с косвенным нагревом. В этих приборах в одном корпусе совмещены терморезистор с гальванически изолированным нагревательным элементом, задающего температуру терморезистора, и, соответственно, его сопротивление. Такие приборы могут использоваться в качестве переменного резистора, управляемого напряжением, приложенным к нагревательному элементу такого терморезистора. Температура рассчитывается при помощи уравнения Стейнхарта - Харта:

Фоторезистор - полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом. Не имеет p-n перехода, поэтому обладает одинаковой проводимостью независимо от направления протекания тока.

Для изготовления фоторезисторов используют полупроводниковые материалы с шириной запрещенной зоны, оптимальной для решаемой задачи. Так, для регистрации видимого света используются фоторезисторы из селенида и сульфида кадмия, Se. Для регистрации инфракрасного излучения используются Ge (чистый или легированный примесями Au, Cu или Zn), Si, PbS, PbSe, PbTe, InSb, InAs, HgCdTe, часто охлаждаемые до низких температур. Полупроводник наносят в виде тонкого слоя на стеклянную или кварцевую подложку, или вырезают в виде тонкой пластинки из монокристалла. Слой или пластинку полупроводника снабжают двумя электродами и помещают в защитный корпус.

Рис. Обозначение на схеме

Важнейшие параметры фоторезисторов:

· интегральная чувствительность - отношение изменения напряжения на единицу мощности падающего излучения (при номинальном значении напряжения питания);

· порог чувствительности - величина минимального сигнала, регистрируемого фоторезистором, отнесённая к единице полосы рабочих частот.

Тензорезисторы - резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии - наоборот.

Рис. Обозначение на схеме

Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления. В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10-3) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры, прецизионные усилители или АЦП. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее - в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.

Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей в тензометрах и тензостанциях при измерениях механических величин (деформации, силы, крутящего момента, перемещения, также, для измерения давления в манометрах и пр.)

Реостат - электрический аппарат, изобретённый Иоганном Христианом Поггендорфом, служащий для регулировки силы тока и напряжения в электрической цепи путём получения требуемой величины сопротивления. Как правило, состоит из проводящего элемента с устройством регулирования электрического сопротивления. Изменение сопротивления может осуществляться как плавно, так и ступенчато.

Изменением сопротивления цепи, в которую включен реостат, возможно достичь изменения величины тока или напряжения. При необходимости изменения тока или напряжения в небольших пределах реостат включают в цепь параллельно или последовательно. Для получения значений тока и напряжения от нуля до максимального значения применяется потенциометрическое включение реостата, являющего в данном случае регулируемым делителем напряжения.

Использование реостата возможно, как в качестве электроизмерительного прибора, так и прибора в составе электрической или электронной схемы.

Рис. Обозначение на схеме

Основные типы реостатов:

1. Проволочный реостат. Состоит из проволоки из материала с высоким удельным сопротивлением, натянутой на раму. Проволока проходит через несколько контактов. Соединяя с нужным контактом, можно получить нужное сопротивление.

2. Ползунковый реостат. Состоит из проволоки из материала с высоким удельным сопротивлением, виток к витку натянутой на стержень из изолирующего материала. Проволока покрыта слоем окалины, который специально получается при производстве. При перемещении ползунка с присоединённым к нему контактом слой окалины соскабливается, и электрический ток протекает из проволоки на ползунок. Чем больше витков от одного контакта до другого, тем больше сопротивление. Такие реостаты применяются в учебном процессе. Разновидностью ползункового реостата является агометр, в котором роль ползунка выполняет колёсико из проводящего материала, двигающееся по поверхности диэлектрического барабана с намотанной на него проволокой.

3. Жидкостный реостат, представляющий собой бак с электролитом, в который погружаются металлические пластины. Обеспечивается плавное регулирование. Величина сопротивления реостата пропорциональна расстоянию между пластинами и обратно пропорциональна площади части поверхности пластин, погруженной в электролит.

4. Ламповый реостат. Состоит из набора параллельно включённых ламп накаливания. Изменением количества включённых ламп изменялось сопротивление реостата. Недостатком лампового реостата является зависимость его сопротивления от степени разогрева нитей ламп.

Подстроечный резистор - переменный резистор, предназначенный для тонкой настройки радиоэлектронного устройства в процессе его монтажа или ремонта. Эти компоненты устанавливаются внутри корпуса устройства и недоступны для пользователя при нормальной эксплуатации.

Рис. Обозначение на схеме

1.4 Основные электрические параметры резисторов

Для оценки свойств резисторов используются следующие основные параметры: номинальное сопротивление, допустимое отклонение величины сопротивления от номинального значения (допуск), номинальная мощность рассеяния, предельное напряжение; температурный коэффициент сопротивления, коэффициент напряжения, уровень собственных шумов, собственная емкость и индуктивность.

Номинальное сопротивление R - это электрическое сопротивление, значение которого обозначено на резисторе или указано в сопроводительной документации. ГОСТ 2825-67 устанавливает для резисторов шесть рядов номиналов сопротивлений: Е 6, Е 12, Е 24, Е 48, Е 96, Е 192 (цифра указывает число номинальных сопротивлений в ряду).

Согласно ГОСТ 9664-74, установлен ряд. допусков (в процентах): ±0,001; ±0,002; ±0,005; ±0,01; ±0,02; ±0,05, ±0,1; ±0,25; ±0,5; ±1; ±2; ±5, ±10; ±20; ±30.

Номинальная мощность рассеяния P - это наибольшая мощность, которую резистор может рассеивать в течение гарантированного срока службы (наработка) при сохранении параметров в установленных пределах. Значение Р зависит от конструкции резистора, физических свойств материалов и температуры окружающей среды.

Конкретные значения номинальных мощностей рассеяния в ваттах устанавливаются согласно ГОСТ 24013-80 и ГОСТ 10318-80 и выбираются из ряда: 0,01; 0,025; 0,05; 0,062; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 8; 10; 16; 25; 40; 63; 80; 100; 160; 250; 500.

Определение номинальной мощности рассеяния указывается на корпусах крупногабаритных резисторов, а у малогабаритных производится по размерам корпуса.

Предельное напряжение U - это максимальное напряжение, при котором может работать резистор. Оно ограничивается тепловыми процессами, а у высокоомных резисторов - электрической прочностью резистора.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) - это относительное изменение величины сопротивления резистора при изменении его температуры на один градус.

Собственные шумы резисторов складываются из тепловых и токовых шумов.

Напряжение теплового шума зависит от величины сопротивления резистора и его температуры.

При протекании тока по резистору возникают токовые шумы. Токовые шумы наиболее характерны для непроволочных резисторов.

Значение ЭДС шумов для, непроволочных резисторов находится в пределах от долей единиц до сотен микровольт на вольт.

Собственная емкость и индуктивность - характеристики, определяющие работу резистора на высоких частотах.

Собственная емкость резистора слагается из емкости резистивного элемента и емкости вводов. Собственная индуктивность определяется длиной резистивного элемента, размерами каркаса и геометрией вводов. Наименьшими собственной емкостью и индуктивностью обладают непроволочные резисторы, наибольшими - проволочные резисторы.

В отличие от постоянных резисторов переменные обладают, кроме вышеперечисленных, дополнительными характеристиками и параметрами. К ним относятся: функциональная характеристика, разрешающая способность, шумы скольжения, разбаланс сопротивления (для многоэлементного резистора).

Разрешающая способность показывает, при каком наименьшем изменении угла поворота или перемещении подвижной системы может быть различимо изменение сопротивления резистора. У непроволочных резисторов разрешающая способность очень высока и ограничивается дефектами резистивного элемента и контактной щетки, а также значением переходного сопротивления между проводящим слоем и подвижным контактом.

Разрешающая способность переменных проволочных резисторов зависит от числа витков проводящего элемента и определяется тем перемещением подвижного контакта, при котором происходит изменение установленного сопротивления.

Разрешающая способность переменных резисторов общего назначения находится в пределах 0,1...3 %, а прецизионных - до тысячных долей процента.

Шумами скольжения принято считать шумы (напряжение помехи), возникающие при перемещении подвижного контакта по резистивному элементу. Напряжение шумов непроволочных резисторов вращения достигает 15...50 мВ.

Разбаланс сопротивления - это отношение выходного напряжения, снимаемого с одного резистора, к соответствующему напряжению, снимаемому с другого резистора при одинаковом питающем напряжении на выводах резистивного элемента и одинаковом положении их подвижной системы. Для резисторов общего назначения разбаланс допускается до 3 дБ.

1.5 Требования к резисторам

К резисторам применяемыми в силовых электроустановках, предъявляются следующие требования:

· минимальный ТКС;

· минимальный допуск на номинальное сопротивление;

· минимум шумов;

· высокая влагостойкость;

· высокая теплостойкость;

· минимальное влияние других параметров на стабильность электрических и физических параметров;

· технологическая совместимость используемых материалов при изготовлении;

· высокая надежность;

· удобства сборки, монтажа и ремонта;

· коррозионной стойкостью.



2. Расчет полупроводниковых резисторов

2.1 Общие сведения об изготовлении полупроводниковых резисторов

Интегральные резисторы. В полупроводниковых микросхемах функцию резистора выполняет объем полупроводника, имеющий определенные размеры и конфигурацию, или транзисторная схема (аналог резистора). Интегральные резисторы могут быть разделены на следующие типы в зависимости от структуры: диффузионные (на основе эмиттерной или базовой области); эпитаксийльные (на основе коллекторной области); пинч-резкеторы, а также резисторы, изготовляемые методом ионного легирования. Все интегральные резисторы, кроме последнего из перечисленных типов, изготовляются одновременно с активными элементами микросхем без введения дополнительных этапов обработки. Они создаются на основе коллекторной, базовой или эмиттеркой областей транзистора.

Диффузионные резисторы. Диффузионные резисторы изготавливают одновременно с диффузией примесей, в процессе которой создаются базовые или эмнттерные области п-р-п-транзнстора. Сопротивление диффузионного резистора представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного р-п-переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и распределением примеси по глубине диффузионного слон, которое, в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротивлением R*- Значение R_s является конструктивным параметром резистора, зависящим от технологических факторов (режима диффузии). Типичные значения сопротивлении диффузионных резисторов, которые можно получить при данном значении R. Нижний предел ограничивается сопротивлением контактны* областей, которое должно быть значительно меньше сопротивления основной области резистора. В качестве контактирующего металла используется алюминий. Верхний предел ограничивается допустимой площадью, отводимой под резистор. Чаще всего резисторы выполняются на основе базовой области 100-300 Ом. В этом случае и качестве резистора используется область n-типа (рис 9, а). К слою n-типа прикладывается положительный потенциал, смещающий р-n-переход в обратном направлении. Обратносмещенный переход, обладающий большим сопротивлением, определяет границы диффузионной области и обеспечивает развязку по постоянному току между резистором и подложкой. На основе базового диффузионного слоя можно получать резисторы с номиналами сопротивлений от 100 Ом до 60 кОм.

Рис. 9. Структуры диффузионных резисторов, a - резистор на основе базовой области; 6 - резистор на основе эмиттерной области

Для резисторов с номиналами от 3 до 100 Ом целесообразно использовать эмиттерный диффузионный слой (рис, 10), поскольку значение R _% эмиттерного слоя невелико R - 10 Ом.

Пинч-резисторы. При необходимости создания высокоомных резисторов с сопротивлением более 60 кОм используют пинч-резнеторы (канальные, сжатые или закрытые). Пинч-резнсторы могут создаваться на основе базового слоя или коллекторного. представлена конструкция пкнч-резистора на основе базового слоя, ограниченного по тол шиле эмиттерным слоем n+ -типа. Резистор представляет собой тонкий канал р-типа. используется донном, слаболегированная часть базовой области с R,=:2-5 кОм/П. изолированная со всех сторон обратносмещенным р-n-переходом, так как эмиттерный слой n-тмпа За пределами резистора соединяется с зпитаксиальным n-слоем изолированной области. Максимальное сопротивление таких резисторов составляет 200-300 кОм при простейшей полосковой конструкции. На рис. 5.6, б приведена конструкция пинч-резистора на основе коллекторной области, поперечное сечение которого уменьшено на глубину базового слоя (L, = 4-8 кОм). Для получения качественного омического контакта используют диффузионные n⁺ -области, которые создают на стадии эмиттернон диффузии, пинч-резисторы имеют большой разброс номиналов (до 50 %) из-за трудностей получения точных значений толщины донной части, сопротивление их сильно зависит от температуры вследствие малой степени легирования областей, на основе которых они выполняются.

Рис 10. Конструкция пинч-резисторов: а - на основе базового слоя; б - на основе коллекторной области

Эпитаксиальные резисторы. Из трех областей транзистора коллекторная имеет наименьшую концентрацию легирующей примеси и максимальное R₂ (500-5000 Ом). Поскольку эпитаксиальный слой легирован однородно, проводимость эпитаксиального резистора постоянна по всему сечению в отличие от диффузионных резисторов. У эпитаксиального резистора поперечное сечение по форме существенно отличается от сечений диффузионных резисторов, так как эпитаксиальный резистор формируется разделительной диффузией. Поскольку эта диффузия самая продолжительная и точная регулировка размеров диффузионных областей, особенно величины боковой диффузии, затруднена, разброс номиналов сопротивления эпитаксиальных резисторов значителен. Эти резисторы имеют большой ТКС, поскольку коллекторная область легирована слабо. Таким образом, если в микросхеме можно использовать некритичные резисторы с высокими номинальными значениями, то их целесообразно формировать на основе эпитаксиального слоя, что позволит сэкономить площадь кристалла.

Ионно-легированные резисторы. Высокоомные резисторы, занимающие малую площадь на кристалле, можно получить, используя метод ионной имплантации. Поверхностное сопротивление резисторов, изготовленных методом ионного легирования, при соответствующем выборе дозы легирования и режиме термообработки может составлять от 500 Ом до 20 кОм. Абсолютное значение удельного поверхностного сопротивления может выдерживаться с точностью ±6 %. Температурные коэффициенты сопротивления резисторов, полученных методом ионного легирования, обычно меньше ТКС диффузионных резисторов. Структура ионно-легированных резисторов такая же, как и диффузионных резисторов, но глубина ионно-легированных слоев составляет 0,1-0,3 мкм (рис. 11). Создание диффузионных р- или n-областей необходимо для получения качественных омических контактов. Низкий ТКС, высокое удельное сопротивление и хорошая совместимость с другими элементами позволяют, использовать ионно-легированные резисторы для изготовления прецизионных аттенюаторов, а также в микромощных микросхемах. Типичные характеристики интегральных резисторов приведены таблице.

Таблица. Характеристики интегральных резисторов

Тип резистора	RS Ом/Ў	Разброс, R, %	ТКС (бR), 1/оС
Диффузионный резистор на основе эмиттерной области	1-10	± 20	± (1-5) · 10-4
Диффузионный резистор на основе базовой области	100-300	± (5-20)	± (1,5-3) · 10-3
Пинч-резистор на основе базового слоя	(2-5) · 108	± 50	± (1,5-3) · 10-3
Пинч-резистор на основе коллекторного слоя	(4-8) · 103	± 50	± (3-4) · 10-3
Эпитаксиальный резистор	(0,5-5) · 103	± (15-25)	± (2-4) · 10-3
Ионно-легированный резистор n-типа	(5-10) · 102	10	± (0,5-1,5) · 10-3
Ионно-легированный резистор р-типа	(0,5-20) · 103	10	± (1-2) · 10-3

Рис. Конструкция ионно-легированных резисторов: а - с р-ионно-легироваиным слоем; б-с n-ионно-легированным слоем

2.2 Порядок расчета полупроводниковых резисторов

Один из способов реализации резистивных элементов в полупроводниковых микросхемах заключается в использовании диффузионных слоев, полученных при формировании базовых или эмиттерных областей транзисторов. Кроме того, применяются эпитаксиальные и ионно-легированные резисторы.

Исходными данными для определения геометрических размеров интегральных полупроводниковых резисторов являются:

а) заданные в принципиальной электрической схеме номинальное значение R и допуск на него yR = ДR/R;

б) поверхностное сопротивление легированного слоя Rs, на основе которого формируется резистор;

в) средняя мощность, рассеиваемая резистором Р, и максимально допустимая удельная мощность Ро.

г) основные технологические и конструктивные ограничения. Сопротивление резистора R - Rs l/b, где l и b - длина и ширина резистора.

Проектирование резистора с заданным номиналом сводится к определению конфигурации резистивного слоя, так как при известном поверхностном сопротивлении слоя Rs номинальное значение сопротивления резистора зависит от отношения его длины к ширине, коэффициента формы:

Кф = l/b.

Контактные площадки, расположенные на концах полупроводникового резистора, вносят дополнительные сопротивления. Поэтому в расчетную формулу вводится поправочный коэффициент, зависящий от конфигурации контактных областей. На рис. 8. приведены несколько типовых топологий полупроводниковых резисторов. Конфигурации, приведенные на рис. 8, а, б, пригодны для реализации низкоомных резисторов с номинальными значениями от нескольких ом до одного килоома. При этом оказывается, что для очень низкоомных резисторов ширина превышает его длину.

R = Rs(l/b + 2k1), (1)

R = Rs((li + k)/b-b3k1)

где k1 = 0,07 - поправочный коэффициент.

Для резисторов с номинальными значениями, превышающими 400 Ом, можно использовать топологию, приведенную на рис. 8, в. Расчетное соотношение для определения сопротивления резистора в этом случае:

R = Rs(l/b + 2k2), (2)

где k2 = 0,65 - поправочный коэффициент.

Резисторам с номинальными значениями более 1 кОм целесообразно придавать форму змейки (рис. 8, г), что позволяет значительно уменьшить площадь, занимаемую резистором. Изгибы резистора оказывают влияние на его значение, что учитывается используемым для этого случая расчетным соотношением:

R = Rs (l?/b + 2·0,65 + n0,55), (3)

где l? - суммарная длина прямоугольных участков; п - число изгибов резистора на угол 90 °.

Рис. 8. Топологии диффузионных резисторов: а, б - низкоомные до 1 кОм; в, г - свыше 400 Ом

Расчет геометрических размеров интегральных полупроводниковых резисторов начинают с определения их ширины. За ширину резистора принимают значений, которое не меньше наибольшего значения одной из следующих величин:

минимальной ширины резистора bтех, определяемой разрешающей способностью технологических процессов (bтех = 3,5-4 мкм);

минимальной ширины резистора bточн, при которой точность его изготовления равна заданной;

минимальной ширины резистора bР определяемой исходя из максимально допустимой рассеиваемой мощности:

bрас ? макс (bтех, bточн, bР). (4)

Ширина резистора:

где Дb, Дl - абсолютные погрешности ширины и длины резистивной полоски (для типовых технологических процессов Дb = Дl = 0,05-0,1 мкм); Кф - коэффициент формы, определяется из соотношения:

Kф = R/Rs;

гкФ - относительная погрешность коэффициента формы резистора:

гкФ = гR - гRS - гT (5)

гRS =ДRs /Rs

- относительная погрешность удельного поверхностного сопротивления легированного слоя (для типовых технологических процессов гRS = 0,05-0,1);

гT = бR

(Тмакс = = 20°С) - температурная погрешность сопротивления.

Минимальное значение ширины bР определяется как:

(6)

где Pо - максимально допустимая удельная мощность рассеяния, выбираемая в зависимости от типа корпуса микросхемы и условий ее эксплуатации в пределах 0,5-4,5 Вт/мм.

Расчетную длину резистора определяют исходя из формулы (1).

Для составления топологического чертежа определяют вначале промежуточные значения ширины и длины резистора, учитывающие технологические отклонения размеров:

bпром = bрасч - 2Дтрав - бxj (7)

bпром = lрасч - 2Дтрав - бxj (8)

где Дтрав - погрешность, вносимая за счет систематического растравления контактных окон в окисле (для типовых технологических процессов Дтрав = 0,1-0,5 мкм); бx - погрешность, вносимая за счет ухода базовой (эмиттерной) диффузии под окисел в боковую сторону. Через б обозначен коэффициент, учитывающий распределение примесей вблизи границы резистора, причем обычно 0 ? б ? 2. Для резисторов шириной более 10 мкм боковой диффузией можно пренебречь (б = 0).

Затем выбирают шаг координатной сетки d (d = 0,l; 0,2; 0,5; 1 мм) и, задаваясь масштабом 100:1, 200:1 и т. д., определяют топологические значения ширины и длины резистора:

bтоп = Kbd ? bпром (9)

lтоп = Kld ? bпром (10)

где Кb, Kl - целые положительные числа.

После этого оценивают получающуюся погрешность:

гR = [R(lтоп, bтоп) - R]/ R, (11)

где R(lтоп, bтоп) - сопротивление, рассчитанное по (1) при l - lтоп; b= bтоп.

Если Р гR Р > гRзад, то ширину резистора увеличивают на величину d и все вычисления повторяют.

2.3 Расчет полупроводниковых резисторов

Все расчеты проводятся по упрощенной схеме с использованием табличных значений из справочника. Выбираем ширину базовой области для резистора:

1) Низкоомные резисторы с номиналом R ? 1 кОм имеет ширину базовой области в = 30 мкм;

2) Высокоомные резисторы с номиналом от 1 кОм до 5 кОм (1 кОм ? R ? 5 кОм) выполняются с шириной базового слоя в = 20 мкм;

3) Высокоомные резисторы с номиналом R>5 кОм выполняются с шириной базовой области в = 15 мкм.

Таким образом, достигается воспроизводимость параметров резисторов в объеме партии вследствие малого влияния боковой диффузии и погрешностей технологических операций.

Из справочных данных принимаем следующие величины удельного поверхностного сопротивления сs:

1) при 100 Ом ? R ? 300 Ом сs = 120 Ом/Ў

2) при 300 Ом ? R ? 2,5 кОм сs = 222 Ом/Ў

3) при 3 кОм ? R ? 4 кОм сs = 320 Ом/Ў

4) при 5 кОм ? R ? 10 кОм сs = 240 Ом/Ў

Составим таблицу значений (таблица 3).

Таблица 3

Позиция	R 1	R 2	R 3	R 4
Номинал, Ом	2500	8000	2000	100
Ширина диффузионной области в, мкм	20	15	20	30
Удельное поверхностное сопротивление, сs, Ом/Ў	222	240	222	120

Исходя из того, что коэффициент формы "n" можно представить двумя формулами:

и (12)

приравниваем правые части этих уравнений:

где в - ширина резистора, l - длинна резистора.

Формула для расчета длины резистора l:

(13)

Все величины, входящие в формулу, нам известны, поэтому рассчитаем длину каждого из резисторов.

1) .

Так как для чертежа топологии взят масштаб 400:1, то переведем величины в1 и l1 в мм:

l1 = 400 · 225.2 мкм = 90 080 мкм = 90 мм.

в1 = 400 · 20 мкм = 8 000 мкм = 8 мм.

2) .

l2 = 400 · 500 мкм = 200 000 мкм = 200 мм.

в2 = 400 · 15 мкм = 6 000 мкм = 6 мм.

3) .

l3 = 400 · 180.2 мкм = 72 080 мкм = 72 мм.

в3 = 400 · 20 мкм = 8 000 мкм = 8 мм.

4) .

l4 = 400 · 25 мкм = 10 000 мкм = 10 мм.

в4 = 400 · 30 мкм = 12 000 мкм = 12 мм.

2.4 Основные правила проектирования топологии полупроводниковых микросхем с изоляцией р-n-переходом

Важнейший этап проектирования полупроводниковой микросхемы заключается в преобразовании ее электрической схемы в топологию. Сущность разработки топологии микросхем состоит в определении взаимного расположения элементов на подложке. Разработка топологии не сводится к размещению элементов на подложке. Этот процесс должен осуществляться так, чтобы обеспечить оптимальное расположение элементов, при котором уменьшается влияние паразитных эффектов, присущих полупроводниковым микросхемам. Поэтому одной из основных задач при разработке топологии микросхемы является выбор критерия оптимальности размещения элементов. В настоящее время при разработке топологии полупроводниковых микросхем с однослойной металлизацией обязательными считаются следующие критерии: минимизация общей суммарной длины соединений; минимизация числа пересечений межэлементных соединений.

Как уже отмечалось, разработка топологии микросхем производится в несколько этапов. После расчета геометрических размеров активных и пассивных элементов приступают к разработке эскиза топологии микросхем, который вычерчивается от руки в произвольном масштабе, но с сохранением приближенного соотношения габаритных размеров элементов. При разработке эскиза топологии в первую очередь определяют число изолированных областей (карманов), которые при изоляции обратносмещенным р-n-переходом создают с помощью разделительной диффузии акцепторных примесей. Таким образом, изолированная область представляет собой область n-типа, которая соответствует коллектору транзистора. Анализируя принципиальную электрическую схему, определяют число коллекторов, имеющих различные потенциалы. Этим числом в основном и обусловлено число необходимых изолированных областей.

При разработке эскиза топологии микросхем площади изолированных областей делают как можно меньшими. Это позволяет, во-первых, реализовать на пластине большое количество микросхем и, во-вторых, уменьшить паразитные емкости переходов коллектор - подложка, влияющих на их параметры. Минимальная площадь изолированной области зависит от геометрических размеров, размещаемых в ней элементов, а также расстояний, которые необходимо выдерживать между краем изолированной области и элементом и между элементами. В свою очередь, геометрические размеры областей самих элементов микросхем (эмиттера, коллектора, базы и т. д.) определяются требованиями, предъявляемыми к их электрическим характеристикам и параметрам, а также технологическими возможностями.

Минимальное расстояние между областями элементов (топологические зазоры) определяют с учетом следующих факторов, возникающих в рабочем режиме микросхем: расширения обедненной области р-n-переходов; паразитного взаимодействия между областями. Кроме того, необходимо учитывать, что реальные размеры структурных элементов, а следовательно, и топологические зазоры между областями элементов зависят от ухода p-n-перехода под окисел, т. е. от эффекта боковой диффузии. Очевидно, что для определения топологических зазоров нужно учесть погрешности, присущие определенному технологическому процессу изготовления микросхем.

Технологические погрешности в основном возникают при проведении фотолитографических процессов, а также при диффузии. Ошибка, обусловленная процессом фотолитографии, состоит из неточностей, возникающих при изготовлении фотошаблонов, из размерной ошибки проявленного изображения, связанной с режимом экспонирования, и размерной ошибки, возникающей при травлении SiO2, а также из-за неточности совмещения фотошаблона с подложкой. Топологические зазоры должны быть оптимизированы, так как при неоправданно малых топологических зазорах может произойти перекрытие отдельных областей, например, области разделительной диффузии и базовой области, вследствие чего схема не будет функционировать. В этом случае возрастает также паразитное взаимодействие между областями элементов. В частности, может возникнуть паразитный транзистор со структурой база - коллектор - область разделительной диффузии. Чем меньше зазор база - подложка, тем больше коэффициент усиления по току у этого паразитного латерального транзистора. С другой стороны, завышение топологических зазоров приводит к увеличению площади, занимаемой микросхемой. Например, при завышении топологических зазоров всего лишь на 0,5 мкм площадь транзистора возрастает приблизительно на 12 мкм 2, а если микросхема содержит 50 транзисторов, то площадь, занимаемая микросхемой, увеличивается на 600 мкм 2, что представляет весьма существенный вклад в потери площади.

Необходимо отметить, что обычный подход при расчете топологических зазоров, т.е. с точки зрения наихудшего случая, применяется довольно редко, чаще всего используется метод, основанный на сборе статистического распределения погрешностей. Топологические ограничения непрерывно изменяются по мере совершенствования технологических процессов изготовления микросхем.

Конструирование и выбор структуры интегральных транзисторов. Процесс проектирования планарных транзисторов состоит из следующих этапов: для данной серии ИМС или нескольких серий, исходя из быстродействия, потребляемой мощности, необходимой степени интеграции, задают электрические параметры транзисторов как базовых элементов ИМС; выбирают технологию производства ИМС, параметры материала подложки и эпитаксиального слоя, приближенно оценивают основные размеры конструкции транзисторов в плане и в сечении, проводят расчет электрических параметров транзисторов и, если они существенно отличаются от заданных, путем ступенчатого изменения конструктивных размеров и последующих расчетов подбирают геометрию всех областей транзисторной структуры, не выходя за рамки технологических ограничений. Затем осуществляют экспериментальную проверку проведенной работы: разрабатывают комплект фотошаблонов, выпускают опытные партии транзисторных структур и измеряют их характеристики. Если параметры транзисторов отличаются от заданных, то методом последовательных приближений путем изменения размеров транзисторных областей и их характеристик, корректировки режимов технологических процессов добиваются необходимого соответствия параметров.

Расчет транзисторов сложен, трудоемок, без применения ЭВМ практически невыполним, точность его невысока. Поэтому часто этап расчета конструкции транзисторов опускают, акцентируя внимание на экспериментальном этапе. При этом на предприятии, выпускающем ИМС, формируют банк интегральных транзисторов с широким спектром характеристик. При таком подходе задача конструктора ИМС состоит в подборе конкретных типов интегральных транзисторов для данной ИМС в соответствии с ее электрической схемой.

1. Сначала выбирают физическую структуру различных областей транзистора. Удельное сопротивление подложки должно быть большим (1-10 Ом · см), что обеспечивает высокое напряжение пробоя и малую емкость обратно смещенного p-n-перехода коллекторной подложки.

2. При выборе уровня легирования коллекторной области (эпитаксиального слоя) необходимо выполнить ряд противоречивых требований: для получения малого последовательного сопротивления коллектора уровень его легирования должен быть высокий, а для получения малой емкости и высокого напряжения пробоя перехода база - коллектор - низкий.

Обычно удельное сопротивление эпитаксиального слоя выбирают равным 0,1-0,5 Ом см, а толщину - в пределах 2-15 мкм. Использование тонких эпитаксиальных слоев (до 3 мкм) позволяет уменьшить паразитные емкости и увеличить плотность размещения элементов. В структурах со скрытым n+ - слоем и подлегированием области коллекторного контакта последовательное сопротивление коллектора составляет 10-50 Ом.

3. При выборе уровней легирования базовой и эмиттерной областей необходимо также учитывать несколько противоречивых требований. Так, для уменьшения паразитного сопротивления между активной областью базы и контактом к базе следует увеличивать уровень легирования базы. Однако это приводит к снижению эффективности эмиттера и уменьшению напряжения пробоя перехода база - эмиттер. Кроме того, поверхностная концентрация примеси в базовом слое не должна быть меньше 5·1016 см -3, так как на поверхности этого слоя возможно образование инверсного проводящего канала n-типа, индуцированного встроенным зарядом в окисле.

4. Высокий уровень легирования эмиттера необходим для получения большого коэффициента инжекции. Однако при уровнях легирования эмиттерной области, достигающих предела растворимости примеси в кремнии, в кристаллической решетке образуются точечные и линейные дефекты, которые значительно уменьшают время жизни носителей заряда, что, в свою очередь, приводит к уменьшению коэффициента инжекции.

5. Частотные характеристики транзисторов зависят в основном от паразитных емкостей переходов и последовательных сопротивлений его областей. Влияние паразитных параметров уменьшают конструктивно за счет максимально возможного уменьшения геометрических размеров транзистора.

6. После выбора физической структуры выбирают конфигурацию транзистора. Поскольку характеристики в значительной степени зависят от размеров различных областей транзистора, нужно учитывать, что периметр эмиттера определяет токовые характеристики транзистора, площадь эмиттера - частотные характеристики, площадь базы - емкость перехода база - коллектор и распределенное сопротивление базы, площадь коллектора - емкость перехода коллектор - подложка и последовательное сопротивление коллектора.

7. Обычно анализируют несколько типовых конфигураций транзисторов, где сплошными линиями обозначены границы диффузионных областей, а пунктирными - границы вскрытия окон в пленке двуокиси кремния для последующего формирования металлических контактов. Для микромощных схем наиболее пригодна полосковая конструкция транзистора.

Взаимное расположение контактов к различным областям транзисторной структуры выбирают в зависимости от конкретного топологического рисунка микросхемы и удобства расположения выводов транзистора. Если необходимо получить малое сопротивление коллектора, применяют транзисторы с увеличенной контактной областью к коллектору. Для получения малого сопротивления базы и высокого коэффициента усиления используют конструкции с двумя контактами к базовой области. Многоэмиттерные транзисторы применяют во входных цепях схем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

На основе эскиза разрабатывают предварительный вариант топологии, который вычерчивают на миллиметровой бумаге в выбранном масштабе, обычно 100:1 или 200:1 (выбирают масштабы, кратные 100). Топологию проектируют в прямоугольной системе координат. Каждый элемент топологии представляет собой замкнутую фигуру со сторонами, состоящими из отрезков прямых линий, параллельных осям координат. Придание элементам форм в виде отрезков прямых линий, не параллельных осям координат, допустимо только в тех случаях, когда это приводит к значительному упрощению формы элемента. Например, если форма элемента состоит из ломаных прямых, составленных в виде "ступенек" с мелким шагом, рекомендуется заменить их одной прямой линией. Координаты всех точек, расположенных в вершинах углов ломаных линий, должны быть кратны шагу координатной сетки.

При вычерчивании чертежа топологии на миллиметровой бумаге принимают минимальный шаг координатной сетки, равный 0,5 мм. Можно выбрать другой шаг, но он должен быть кратным минимальному. Действительный (на кристалле) размер шага координатной сетки зависит от выбранного масштаба топологии.

...