Электрические параметры интегральной микросхемы (ИМС). Расчет параметров модели полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. Моделирование схемы включения истокового повторителя. Разработка топологии и технологического маршрута изготовления ИМС.
Аннотация к работе
Пояснительная записка содержит 66 листов, 20 рисунков, 17 таблиц, 12 источников, 1 приложение. Перечень ключевых слов: слуховой аппарат, электретный микрофон, интегральная микросхема, истоковый повторитель, полевой транзистор c управляющим p-n-переходом, усилитель низкой частоты, биполярный транзистор. Цель работы: разработка ИМС истокового повторителя с параметрами: коэффициент передачи по напряжению AV > 0,7; ток потребления ISS = 20-40 МКА, полное входное сопротивление Ri ? 30 МОМ; выходное сопротивление.2 Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (ПТУП).2 Метод экстракции параметров модели ПТУП из измерений параметров ИМС истокового повторителя5.1 Организационная частьУровень собственного шума микрофона - выраженное в децибелах отношение эффективного значения напряжения, обусловленного флуктуациями давления в окружающей среде и тепловыми шумами различных сопротивлений в электрической части микрофона, к напряжению, развиваемому микрофоном на нагрузке при давлении 1 Па при воздействии на микрофон полезного сигнала с эффективным давлением 0,1 Па. В микросхеме ИП типа КБ1402УЕ входная емкость складывается из емкости p-n-перехода затвора ПТУП и паразитных емкостей контактных площадок стока, истока и общей относительно затвора. Она состоит из проводящего канала, который имеет два омических контакта, один из которых является истоком, а другой стоком, между которыми приложено напряжение сток-исток. Таким образом, ПТУП - по существу резистор, управляемый напряжением, и его сопротивление изменяется с изменением ширины обедненной области, простирающейся внутрь канала. Из рисунка 6 видно, что с увеличением напряжения стока, ширина проводящего канала вблизи стока уменьшается, пока, наконец, канал полностью не перекроется в этой области (рисунок 6 б). а) VDS очень мало, канал почти эквипотенциален и размеры обедненных областей одинаковы. б) VDS увеличивается до VD,sat, обедненные области с двух сторон канала перекрываются в точке отсечки y = L. в) VDS>VD,sat, точка отсечки y = L’ медленно движется ближе к истоку.Широкое применение ИП находит в производстве слуховых аппаратов, в которых источником сигнала для последующего усиления является электретный микрофон с высоким внутренним сопротивлением и малой емкостью мембраны. Рассмотрим физическую структуру и топологию ИМС истокового повторителя производства ОАО «Орбита» г. Принципиальная электрическая схема ИМС показана на рисунке 11. Основные электрические параметры ИМС, а также режимы их измерений должны соответствовать нормам, приведенным в таблице 1.1. Технологические параметры физической структуры ИМС и их нормы в соответствии с рисунком 12 приведены в таблице 1.2.При этом измерение коэффициента передачи по напряжению, тока потребления, а также входного и выходного сопротивлений проводились при двух значениях напряжения питания VSS1 = 1,5 В, VSS2 = 2,0 В по установившемуся значению выходного напряжения [5]. Измерение коэффициента передачи по напряжению AV и тока потребления ISS проводились согласно ГОСТ 19799-74, метод 2570 в режимах и условиях, указанных в таблице 1.1. Значения напряжений на выходе ИМС представлены в таблице 1.3, где VO’ и VO” - напряжения на выходе ИМС соответственно при разомкнутом и при замкнутом переключателе В1. Значения напряжений на выходе ИМС представлены в таблице 1.4, где VO1 и VO2 - напряжения на выходе ИМС соответственно при разомкнутом и при замкнутом переключателе В2. Из таблицы 1.5 видно, что с увеличением напряжения питания от 1,5 до 2 В коэффициент передачи по напряжению, ток потребления возрастают соответственно на 0,8 и 1,7 %, полное входное сопротивление возрастает на 4 %, а выходное сопротивление уменьшается на 1 %.Параметры модели ПТУП, рассчитанные из соотношений, указанных выше с учетом уточнения: b = 8,71·10-5 А/В2; VTO =-1,21 В; l = 0,11 В-1. Емкости в модели ПТУП и диода CP, CGD, CGS, CJD вычленяются из величины эквивалентной входной емкости ИП. Эквивалентная входная емкость рассчитывается по формуле (35). Емкость CP, описывающая емкость контактной площадки затвора, рассчитывается по формуле Для вычленения этих емкостей оценим соотношение площадей p-n-переходов ПТУП и диода по топологии измеряемой ИМС.Моделирование схемы ИП проводится в системе программ схемотехнического анализа ORCAD 9.2. Рассчитанные значения параметров задаем в модели ПТУП и диода, и проводим моделирование схемы ИП при двух значениях напряжения питания: VSS1 = 1,5 В, VSS2 = 2,0 В. Схема включения истокового повторителя при моделировании представлена на рисунке 19. С2 = 0,8 ПФ - емкость, описывающая емкость контактной площадки затвора; Для сравнения расчетных и экспериментальных значений, параметры схемы ИП, полученные при моделировании, а также в ходе измерений приведены в таблице 2.3.В физическую структуру разрабатываемой ИМС входят 7 технологических слоев: эпитаксиальный слой, р -разделение, р-базовый слой, n -эмиттерный слой, окисел SIO2, контактные окна, металлизация. Все эти слои формируются на р-подложке 480 КДБ10 O100 мл., причем изол
План
4. Содержание пояснительной записки дипломного проекта: 4.1 ИМС истокового повторителя
4.1.1 Согласующие ИМС для электретных микрофонов
4.1.2 Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
4.1.3 Физическая структура и топология ИМС
4.1.4 Измерение электрических параметров и характеристик ИМС
4.2 Метод экстракции параметров модели полевого транзистора из измерений параметров ИМС истокового повторителя
4.2.1 Расчет параметров модели ПТУП и диода
4.2.2 Моделирование схемы ИП
4.3 Выбор физической структуры и технологического маршрута изготовления ИМС
4.4 Разработка эскиза топологии ИМС истокового повторителя
4.5 Анализ организации дипломного проекта и расчет затрат, необходимых для его выполнения
4.6 Анализ опасных и вредных факторов при работе с ПЭВМ
Основными результатами дипломного проекта являются: 1. Разработана экспериментальная установка. Измерены электрические параметры ИМС истокового повторителя. При напряжении питания VSS = 1,5 В типовые значения параметров следующие: коэффициент передачи по напряжению AV = 0,73; ток потребления ISS @ 30,7 МКА, полное входное сопротивление Ri @ 21 МОМ, выходное сопротивление RO @ 2 КОМ.
2. Предложен метод экстракции параметров модели ПТУП и диода из результатов измерения электрических параметров ИМС истокового повторителя. Параметры модели ПТУП: ? = 8,71·10-5 А/В2; VTO = -1,21 В; ? = 0,11 В-1; IS = 6,64·10-16 А; ISR = 6,64·10-14 А; CGS = 3,8 ПФ; CGD = 3,8 ПФ.
Параметры модели диода: IS = 10-16 А; ISR = 10-14 А; CJ0 = 1,34 ПФ.
3. Проведено моделирование схемы ИП в системе программ схемотехнического анализа ORCAD 9.2, используя параметры модели ПТУП, полученные в ходе экстракции. Выполнена проверка соответствия результатов моделирования и экспериментально измеренных значений параметров ИМС. Погрешность расчетных значений коэффициента передачи по напряжению AV и тока потребления ISS по отношению к экспериментальным не более 2 %, полного входного сопротивления Ri - 38 %, выходного сопротивления RO - 240 %. Большое расхождение результатов по выходному сопротивлению требует дополнительного исследования.
4. Для увеличения коэффициента передачи ИМС рекомендуется уменьшить толщину эпитаксиальной пленки с 5 до 3 мкм и уменьшить разброс ее толщины до 5 %.
5. Проведен анализ организации дипломного проекта и расчет затрат, необходимых для его выполнения, которые составили 6,4 тыс. руб.
6. Проанализированы опасные и вредные факторы при работе с ПЭВМ.
Список литературы
Введение
Ослаблением слуха в той или иной форме страдают многие люди. Этот дефект становятся критическим, когда начинает препятствовать нормальному речевому общению между людьми. Современный уровень технологий слухопротезирования позволяет значительно улучшить жизнь примерно 90 % людей с нарушением слуха. Снижение слуха в подавляющем большинстве случаев может быть компенсировано с помощью слухового аппарата (СА) [1].
В большинстве слуховых аппаратов источником сигнала для последующего усиления является электретный микрофон (ЭМ). Уменьшение габаритов электретных микрофонов позволяет перейти от карманных и заушных слуховых аппаратов к более удобным внутриушным и создавать другие микрогабаритные и высокочувствительные приборы. Для этих приборов необходимо согласующее устройство - интегральная микросхема (ИМС) истокового повторителя (ИП).
Опытные партии ИМС истокового повторителя производились на ОАО «Орбита» г. Саранск, при этом коэффициент передачи по напряжению, который они обеспечивали, составлял 0,4 при проценте выхода годных кристаллов порядка 10 %.
Коэффициент передачи ИП в идеальном случае должен стремиться к единице, а процент выхода должен быть не менее 60 %, тогда производство ИМС будет технологически и экономически выгодным. Поэтому актуальной задачей является разработка ИМС, которая имела бы наибольший коэффициент передачи при наибольшем проценте выхода годных кристаллов.
Целью дипломного проекта является разработка ИМС истокового повторителя с параметрами: коэффициент передачи более 0,7 и ток потребления 20 - 40 МКА. Основой для разработки является ИМС истокового повторителя производства ОАО «Орбита».
При разработке данной ИМС проводились следующие этапы: 1. Проводились измерения электрических параметров ИМС.
2. Рассчитывались параметры модели полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (ПТУП) из результатов измерений ИМС.
3. В системе программ схемотехнического анализа ORCAD 9.2 моделировалась схема включения ИП.
4. Проводилось сравнение расчетных и экспериментальных значений электрических параметров ИП.
5. Разрабатывался эскиз топологии, выбиралась физическая структура и технологический маршрут изготовления ИМС.
Параметры модели ПТУП в схеме ИП можно рассчитать, измерив его выходные характеристики. Для этого помимо изготовления ИМС нужно изготовить и тестовые образцы ПТУП, а это экономически невыгодно. Научная новизна дипломного проекта заключается в том, что здесь предлагается новый метод экстракции параметров модели ПТУП из измерений параметров ИМС истокового повторителя, не требующий измерения характеристик самого ПТУП.
Практическая значимость заключается в использовании полученных параметров модели ПТУП при моделировании схемы и физической структуры ИП в программной среде ISE TCAD 7.0.1. О слухе. Причины снижения слуха и методы выявления / Сурдотехника // http://www.DEAFNET.ru. - 1999-2003
2. Меллор Д. / Микрофонные технологии // www.era.ru. - 2002
3. Согласующие ИС для миниатюрных электретных микрофонов / В.Б.Вяхирев, В.А.Гудков и др. // Электронная промышленность. - 1995. - №6. - С. 33 - 35.
4. Massobrio G., Antognetti P. Semiconductor Device Modeling with SPICE. Second Edition. MCGRAW-Hill, Inc. 1988. - 479 p.
5. ТУ на микросхемы интегральные бескорпусные типа П-94. - 1994.
7. Падеров В.П., Владимиров Д.П., Никитанов С.В. Расчет параметров модели полевого транзистора в ИМС истокового повторителя для слухового аппарата // Электроника и информационные технологии - 2002: Сборник научных трудов. - Саранск: СВМО, 2002. - С. 147 - 152.
8. Разевиг В.Д. Система проектирования ORCAD 9.2. - М.: Солон-Р, 2001. - 528 с.
9. Мелькина Н. Н. Методические указания к технико-экономическому обоснованию дипломных проектов. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2003. - 28 с.
10. Белов С.В., Ильницкая А.В., Козьяков А.Ф. Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов / Под общ. ред. С.В. Белова. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Высш. шк., 1999. - 448 с.
11. Пермогоров А. / О мониторах // Компьютеры от СПТК. - www.sptc.ru. - 2000
12. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергия, 1979. - 408 с.