Тонкопленочные конденсаторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

Контрольная работа

По дисциплине «Микроэлектроника»

Красноярск



Содержание

конденсатор транзистор диодный резонатор

1. Конструкция и расчет тонкопленочных конденсаторов

2. Интегральные диоды

3. Элементы ГИС СВЧ: резонаторы и фильтры на основе МПЛ

4. Логические ИМС. Базовые ячейки

Список использованных материалов



1. Конструкция и расчет тонкопленочных конденсаторов

В тонкопленочных микросхемах различают преимущественно три варианта конструкции конденсаторов: конденсаторы с трехслойной структурой (две проводящие обкладки, разделенные диэлектриком); многослойные конденсаторы, отличающиеся от предыдущего варианта повторяющимся нанесением проводящих и диэлектрических пленок; гребенчатые конденсаторы, у которых емкость образуется за счет краевого эффекта. Многослойные конденсаторы выполняются для расчетной площади > 1-2 мм2. Разновидности конденсаторов приведены на рисунке 1.

Если расчетная площадь конденсатора S*- I мм , его можно выполнять либо в виде последовательно соединенных конденсаторов (Рисунок 1, б), либо в виде двух пленочных обкладок и подложкой в качестве диэлектрика (Рисунок 1.1,г). Такая конструкция позволяет получить емкость порядка нескольких пикофарад на I см площади. Для получения еще меньшей емкости (доли пикофарады) можно выполнить гребенчатые конденсаторы или конденсаторы в виде двух параллельных полосок (Рисунок 1, е). Емкость гребенчатого конденсатора определяется по формуле:

C=рl (1.1)

где - коэффициент, определяемый по графику, приведенному на рисунке 1.26; l - длина общей границы двух гребенок; р - результирующая проницаемость подложки и среды (воздух или заливка)

(1.2)

где - проницаемость подложки; - проницаемость среды.

Конструктивный расчет тонкопленочного конденсатора сводится к определению его геометрических размеров S и d и удельной емкости Со.

Исходными для расчета являются: номинальная емкость С (пФ), относительное отклонение номинального значения емкости рабочее напряжение Up (В), рабочая частота f (МГц).

Расчет конденсаторов с площадью перекрытия обкладок 5 мм2 и более (Рисунок 1, а) ведут в следующем порядке. Вначале определяют толщину диэлектрика

(1.3)

где Епр - пробивное напряжение для выбранного материала диэлектрика (В/см); Кз - коэффициент запаса (Кз = 2-4).

Затем вычисляют максимально допустимую относительную погрешность воспроизведения площади конденсатора

(1.4)

где - погрешность воспроизведения удельной емкости (составляет 5-10$); - температурная погрешность емкости:

бс - температурный коэффициент емкости (ТKЕ) материала диэлектрика (I°/C); T - максимальная рабочая температура конденсатора (I/°С); - погрешность емкости, обусловленная старением тонкопленочных конденсаторов (не превышает 2-3%).

Впоследствии оценивают удельную емкость материала диэлектрика по формулам



(1.5)

(1.6)

где - абсолютная погрешность воспроизведения размеров конденсатора (для масочного метода = +0,001 см); =A1/B1 - коэффициент формы конденсатора.

Окончательное значение удельной емкости Сд выбирается из условия

C0' > C0 < C0” (1.7)

Рисунок 1. Разновидности конструкций тонкопленочных конденсаторов:

а - с активной площадью перекрытия обкладок S > 5 мм2; б - с S -= 1-5 мм2; в, г - с S < 1 мм2; д - гребенчатая; е - в виде двух параллельно расположению проводящих пленок. 1 - диэлектрик; 2, 3 - обкладки; 4 - подложка

В дальнейшем уточняемся толщина диэлектрика по формуле

(1.8)

Минимальная толщина диэлектрика ограничивается электрической прочностью, а максимальная - возможностями пленочной технологии. Чаще всего толщина диэлектрика находится в пределах от 0,3-0,5 до I мкм. После окончательного выбора d уточняется величина^. Из соотношения S=~c~ определяет активную площадь перекрытия S обкладок конденсатора» Геометрические размеры конденсатора рассчитывают по следующим формулам:

верхней обкладки

(1.9)

(1.10)

нижней обкладки

A2=A1+2(A+) (1.11)

B2=B1+2(A+) (1.12)

диэлектрика

A3=A2+2(A+) (1.13)

B3=B2+2(A+) (1.14)



где - погрешность установки и совмещения масок (см).

При площади перекрытия обкладок 1-5 мм2 необходимо учитывать краевой эффект. Емкость конденсатора в данном случае вычисляется по формуле

(1.15)

где k - поправочный коэффициент, который определяется из графика, представленного на рисунке 2.

С учетом краевого эффекта для получения заданной емкости конденсатора необходимо уменьшить его площадь в к раз. В остальном конструктивный расчет подобных конденсаторов не отличается от изложенного выше.

Емкость гребенчатого конденсатора определяется по формуле

(1.16)

где - коэффициент, значение которого определяется из графика Рисунок2,б; - диэлектрическая проницаемость соответственно материала подложки и окружающей среды; l - длина совместной границы двух проводников.

Для электрического соединения различных элементов микросхем и микросборок на подложке используют тонкопленочные проводники, которые должны быть выполнены из материалов с высокой проводимостью и адгезией к подложке. Конфигурацию таких проводников выбирают в виде полосок минимальной ширины, определяемой возможностями технологии с учетом максимального тока, протекающего по этому проводнику. Допустимую величину плотности тока принимают j = 20 А/мм2. Технологический процесс получения микросхем значительно упрощается, если для внутрисхемных соединений и контактных площадок используют одинаковые Материалы. Наиболее подходящим для Проводников является алюминий, однако очень трудно обеспечить хорошее механическое и электрическое соединения с алюминиевой пленкой. Можно применять также такие материалы как серебро и золото, однако это не всегда экономически оправдано. Все эти материалы, обладая высокой проводимостью, имеют сравнительно низкую адгезию к подложке. Поэтому зачастую используют двух- или, трехслойные пленочные структуры для межсоединений. Для достижения высокой адгезии напыляют подслой из хрома или нихрома на подложки из ситалла, стекла, керамики или на межслойную изоляцию из монооксида кремния. Материал следующего слоя выбирают из условия хорошей проводимости и возможности подсоединения внешних выводов. Обычно для этих целей используют золото, никель, медь вакуумной плавки и алюминий. Иногда применяют трехслойные структуры.

Рисунок 2. Зависимости, характеризующие изменение поправочного коэффициента от конструктивных параметров пленочного конденсатора:

а - для конденсатора, показанного на рисунке 1, б;

б - для конденсаторов, показанных на рисунке 1, д,е.

В таблице 1 приведены характеристики некоторых материалов, применяемых для проводников и контактных площадок гибридных микросхем.



Таблица 1. Характеристики материалов, применяемых для проводников и контактных площадок

Материал	Толщина слоя, нм	Са, Ом/а	Рекомендуемый способ контактирования внешних выводов
подслой-нихром слой - золото	10-30 600-800	0,03-0,04	пайка микропаяльником или сварка импульсным косвенный' нагревом
подслой - нихром слой - медь покрытие - никель	10-30 600-800 50-60	0,02-0,04	сварка импульсным косвенным нагревом
подслой - нихром слой - медь покрытие - серебро	10-30 400-1000 80-100	0,02-0,04	пайка микропаяльником или сдвоенным электродом, сварка импульсным косвенным нагревом или сдвоенным электродом
подслой - нихром слой - медь покрытие - золото	10-30 600-800 50-60	0,02-0,04	пайка микропаяльником или сварка импульсным косвенным нагревом
подслой - нихром слой - алюминий покрытие - никель	40-50 250-350 50	0,-0,2	пайка сдвоенным электродом

В конструкции тонкопленочной интегральной микросхемы часто один проводник пересекает другой. В месте пересечения проводники должны быть изолированы друг от друга тонкой пленкой диэлектрика. Каждое пересечение должно иметь сопротивление проводников не более 0,8 Ом/см, а емкость не более пФ. При выборе материала межслойной изоляции и прилегающих проводников необходимо учитывать совместимость материалов. Несовместимость может иметь место, например, при использовании хрома для проводника и моноокиси кремния для изолятора. Хром будет диффундировать в моноокись кремния, снижая пробивное напряжёние. Может возникнуть и другое явление: гальвано-диффузионный эффект. Этот эффект появляется в структуpax металл-диэлектрик-металл, он увеличивает ток утечки в места пересечения проводников и разрушает проводники. Для изоляции проводников в большинстве случаев применяют моноокись кремния и халькогенидное стекло.

2. Интегральные диоды

Отдельно диодные структуры в ППИМС не формируются, а в качестве диода используются любой из двух p-n переходов транзистора: эмиттерный или коллекторный. Можно также использовать их комбинации. Поэтому по существу интегральный диод представляет собой диодное включение интегрального транзистора.

а)	б)	в)	г)	д)

Рисунок 3

Пять возможных вариантов диодного включения транзистора показаны на рисунке 3. В таблице 2 приведены типичные параметры этих вариантов. Для них приняты следующие обозначения: до черточки стоит обозначение анода, после черточки - катода; если два слоя соединены, их обозначения пишутся слитно. Из таблицы видно, что варианты различаются как по статическим, так и по динамическим параметрам.

Пробивные напряжения U_ПР зависят от используемого перехода: они меньше у тех вариантов, в которых используется эмиттерный переход (см. таблицу 2).

Обратные токи I_ОБР (без учета токов утечки) - это токи термогенерации в переходах. Они зависят от объема перехода и, следовательно, меньше у тех вариантов, у которых используется только эмиттерный переход, имеющий наименьшую площадь.

Емкость диода С_д (т. е. емкость между анодом и катодом) зависит от площади используемых переходов; поэтому она максимальна при их параллельном соединении (вариант Б-ЭК). Паразитная емкость на подложку С_П шунтирует на «землю» анод или катод диода (считается, что подложка заземлена). Емкость С_П, как правило, совпадает с емкостью С_КП, с которой мы встретились при рассмотрении n-p-n транзистора (рисунок 3). Однако у варианта Б-Э емкости С_КП и С_К оказываются включенными последовательно и результирующая емкость С_П минимальна.

Таблица 2

Параметр	Тип диодов
	БК-Э	Б-Э	БЭ-К	Б-К	Б-ЭК
UПР, В	7-8	7-8	40-50	40-50	7-8
IОБР, нА	0,5-1	0,5-1	15-30	15-30	20-40
СД, пФ	0,5	0,5	0,7	0,7	1,2
СП, пФ	3	1,2	3	3	3
tВ, нс	10	50	50	75	100

Время восстановления обратного тока t_В (т. е. время переключения диода из открытого в закрытое состояние) минимально у варианта БК-Э; у этого варианта заряд накапливается только в базовом слое (так как коллекторный переход закорочен). У других вариантов заряд накапливается не только в базе, но и в коллекторе, так что для рассасывания заряда требуется большее время.

Сравнивая отдельные варианты, приходим к выводу, что в целом оптимальными вариантами являются БК-Э и Б-Э. Малые пробивные напряжения этих вариантов не играют существенной роли в низковольтных ИМС. Чаще всего используется вариант БК-Э.

Помимо собственно диодов, в ИМС часто используются интегральные стабилитроны. Они также осуществляются в нескольких вариантах, в зависимости от необходимого напряжения стабилизации и температурного коэффициента.

Если необходимы напряжения 5-10 В, то используют обратное включение диода Б-Э в режиме электрического пробоя, при этом температурная нестабильность составляет + (2-5) мВ/° С.

Широкое распространение имеют стабилитроны, рассчитанные на напряжения, равные или кратные напряжению на открытом переходе U^*0,7 В. В таких случаях используют один или несколько последовательно включенных диодов БК-Э, работающих в прямом направлении. Температурная нестабильность в этом случае составляет -(1,5-2) мВ/° С.

Если в базовом слое осуществить два p-n перехода, то при подаче напряжения между n+-слоями один из переходов работает в режиме лавинного пробоя, а второй - в режиме прямого смещения. Такой вариант привлекателен малой температурной нестабильностью (±1 мВ/°С и менее), так как температурные нестабильности при лавинном пробое и при прямом смещении имеют разные знаки.

3. Элементы ГИС СВЧ: резонаторы и фильтры на основе МПЛ

Микрополосковые резонаторы

Основой для построения полосковых резонаторов являются как симметричные, так и несимметричные ПЛ с диэлектрическим и воздушным заполнением. Резонаторы могут быть выполнены на базе регулярных и нерегулярных ПЛ. В случае применения нерегулярных ПЛ закон изменения волнового сопротивления вдоль длины линии чаще всего задается изменением ширины токонесущей полоски. Наиболее широко используются резонаторы, выполненные на основе МПЛ, что позволяет успешно решать задачи миниатюризации различных СВЧ устройств. Исходя из геометрии токонесущего проводника, различают следующие основные виды резонаторов в микрополосковом исполнении: прямоугольные (рис. 4, а), круглые (рис. 4, б), кольцевые (рис. 4, в), эллиптические (рис. 4, г).



а) б) в) г)

Рис. 4

Методы анализа полосковых резонаторов сходны с методами анализа диэлектрических резонаторов. Вначале определяется эффективная диэлектрическая проницаемость основания (подложки) резонатора. Затем вводится модель, где геометрические размеры резонатора заменяют эффективными, а по периметру такого резонатора располагаются магнитные стенки.

Микрополосковые фильтры

Фильтрами СВЧ называют пассивные четырёхполюсники, осуществляющие передачу СВЧ колебаний в согласованную нагрузку в соответствии с заранее заданной частотной характеристикой.

Конструктивными основными элементами фильтров СВЧ являются реактивные неоднородности, проходные резонаторы, а также соединяющие их отрезки линии передач.

По принципу действия фильтры разделяются на отражающие и неотражающие.

Фильтр может быть настроенным на фиксированную частоту и перенастраиваемый путём сопряжённой перестройки всех его звеньев-резонаторов.

В зависимости от вида используемых элементов фильтры СВЧ могут быть волноводными, коаксиальными, полосковыми, твердотельными.

При разработке фильтров, помимо требуемых электрических характеристик, учитывают возможность их перестройки и удобства подстройки, необходимой вследствие влияния корпуса, неоднородностей материала и других факторов, а также совместимости их конструкций с другими элементами твердотельных устройств (ТТУ) и модулей СВЧ.

Важными параметрами фильтра является его затухание, вносимое в тракт. Полосу частот с малым допустимым затуханием называют полосой пропускания, а с большим - полосой задерживания. По взаимному расположению полос пропускания и задерживания различают фильтры низких частот (ФНЧ), фильтры высоких частот (ФВЧ), полосовые фильтры (ПФ), режекторные фильтры (РФ).

Принято считать, что к узкополосным полосовым (задерживающим) относятся фильтры, имеющие относительную полосу пропускания (задерживания) до 3%, к среднеполосным - от 3% до 10%, к широкополосным - свыше 10%.

Поскольку в данной работе микрополосковая линия изучается на примере МПЛ фильтра, уделим фильтрам некоторое внимание.

Наибольшее распространение в ТТУ получили микрополосковые фильтры. Их элементами являются короткозамкнутые (разомкнутые) отрезки МПЛ. На рисунке 10 приведена топология некоторых типов микрополосковых фильтров:

Микрополосковые фильтры

Рисунок 5



* а - ФНЧ, образованного последовательностью чередующихся отрезков МПЛ с высоким и низким волновым сопротивлением. Фильтры этого типа просты в изготовлении, но имеют большую длину;

* б - режекторного фильтра с уменьшенными потерями излучения с разомкнутых концов четвертьволновых шлейфов;

* в - фильтра с разомкнутым параллельно связанными полуволновыми резонаторами, имеющими полосы пропускания 5-20% (ближайшая паразитная полоса пропускания удалена от центральной частоты fо на 2цо . Фильтры технологичны в исполнении, но требуют большой площади подложки);

* г - фильтра на полуволнах подковообразных (шпилечных) резонаторах, свободного от недостатка предыдущей конструкции;

* д - широко используемых фильтров на четвертьволновых встречных стержнях, закороченных на одном конце (важные достоинства этих фильтров - возможность получения как узких, так и широких полос пропускания (от 1 до 60%), большое затухание в полосе задерживания, удаление ближайшей паразитной полосы пропускания на 3цо, большие зазоры между резонаторами, удобные для реализации. Их недостаток - необходимость короткого замыкания стержней по обе стороны фильтра);

* е - ПФ на комбинации щелевой и микрополовсковой линии.

4. Логические ИМС. Базовые ячейки

ИМС - это электронная схема, выполненная на одном кристалле полупроводника и упакованная в корпус. Все ИМС делятся на два вида: аналоговые и цифровые (логические).

Логические (цифровые) ИМС - это ИМС, предназначенные для обработки дискретных сигналов, которые могут принимать всего два значения: уровень логического нуля и уровень логической единицы. Обычно сигналом логического нуля считается напряжение, близкое к 0 В, а сигналом логической единицы - напряжение, близкое к напряжению источника питания ИМС.

Логические ИМС выпускаются сериями. Микросхемы одной серии изготавливаются по одной технологии, имеют одинаковое напряжение питание и совместимы по входам и выходам, то есть, уровни выходных логических сигналов микросхем соответствуют уровням входных логических сигналов микросхем данной серии. При этом разные микросхемы одной серии выполняют различные логические функции.

Самые простые логические ИМС содержат в одном корпусе несколько логических элементов. Логический элемент - часть ИМС, выполняющая какую-либо логическую функцию над одним или несколькими входными сигналами. Самых простых логических функций всего три: И, ИЛИ, НЕ.

Базовыми элементами называются электронные схемы, выполняющие простейшие логические операции.

Базовые элементы наряду с элементами памяти составляют основу цифровых ИС и отличаются большим разнообразием. Классификация логических элементов выполняется по следующим признакам.

а). По выполняемым логическим функциям:

Основа -- алгебра логики (булева алгебра).

Каждая логическая переменная (А, В, С и т.п.) может принимать только одно значение из двух: 1 (“истинно”) или 0 (“ложно”).

Все логические функции любого числа логических переменных можно образовать с помощью трех основных операций:

- логическое отрицание (инверсия, операция НЕ):

;

- логическое сложение (дизъюнкция, операция ИЛИ):



С =А + В;

- логическое умножение (конъюнкция, операция И):

С = АВ;

Возможны более сложные операции:

И-НЕ (); ИЛИ-НЕ ().

В ИС могут входить несколько базовых элементов и реализовывать любую сложную функцию.

Каждый базовый элемент может иметь несколько входов и выходов.

Условное графическое обозначение базовых элементов и выполняемых ими функций:

Рис. 6. Условные обозначения логических элементов

1 и 0 представляются двумя уровнями напряжения (потенциала), U1 и U0 (“высокий” и “низкий” уровни). Фактически U1 определяется напряжением источника питания, а U0 -- падение напряжения на открытом p-nпереходе.

б). По режиму работы ИС:

- статические;

- динамические.

Статические могут работать как в статическом, так и в динамическом (импульсном) режиме.

Динамические -- только в импульсном.

в). По типу применяемых транзисторов:

- на биполярных и МДП-транзисторах;

- на арсенид-галлиевых МЕП и ГМЕП-транзисторах.

МЕП -- с управляющим переходом металл-полупроводник.

ГМЕП -- с гетеропереходом (полупроводники одинаковой структуры, но с разной шириной запрещенной зоны).

У каждого вида ИС - множество схемотехнических и конструкторско-технологических разновидностей.

Например, к биполярным ЛЭ относятся элементы:

- ТТЛ -- транзисторно-транзисторной логики;

- ЭСЛ -- эмиттерно-связанной логики;

- И2Л -- интегральной инжекционной логики и др.



Список использованных материалов

1. Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.М. Основы микроэлектроники. М.: Радио и связь, 1991. 288 с.

2. Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники: Учебник, 3-е изд., стер. - СПб.: Издательство "Лань", 2008. - 384 с.

3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для вузов / И.П. Степаненко. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2004. - 488 с.

Размещено на Allbest.ru

...