Домашнее задание №1 Расчет логической схемы.

1. Нарисовать в масштабе топологии и технологические сечения транзисторов и резисторов.
2. Рассчитать spice-параметры моделей транзисторов схемы.
3. Описать принцип работы схемы.
4. Используя рассчитанные параметры моделей промоделировать схему в SPICE и построить:
   • передаточную характеристику схемы: U_ВЫХ(U_ВХ), определить по ней уровни логического нуля (U₀) и единицы (U₁), запас помехоустойчивости схемы;
   • зависимость потребляемого схемой тока от входного напряжения I_ПОТР(U_ВХ) и рассчитать средний потребляемый ток;
   • переходные характеристики схемы: U_ВЫХ(t) и U_ВХ(t), определить по ним времена задержек и фронтов переключения, максимальную рабочую частоту схемы (f_max);
   • рассчитать статическую и динамическую потребляемую мощность.
5. Оформить отчет о домашнем задании (отчет должен обязательно содержать титульный лист с номером варианта, задание и исходные данные).

Для расчета spice-параметров рекомендуется использовать программу Mathcad. Для создания топологии транзистора и технологического разреза желательно использовать редактор векторной графики (например Corel Draw). Моделирование схемы проводить в программе LTSPICE.

 

Руководство по выполнению домашней работы №1.

Биполярный транзистор

Исходные данные для расчета биполярного транзистора:

Параметр	Описание
xjк=1…3	Глубина залегания p-n перехода база-коллектор, мкм
xjэ=0.5…2.5	Глубина залегания эмиттерного p-n перехода, мкм
wБ=xjк—xjэ	Толщина активной базы, мкм
wэпи=5…10	Толщина эпитаксиального слоя, мкм
xjn=5…12	Толщина скрытого n+ слоя, мкм
NДЭ(0)=(2…10)1020	Концентрация донорной примеси в эмиттерной области: на поверхности, см-3
NДЭ(xjэ)=(1…10)1017	Концентрация донорной примеси в эмиттерной области: у эмиттерного перехода, см-3
NАБ(xjэ)=(1…5)1017	Концентрация акцепторной примеси в области базы: у эмиттерного перехода, см-3
NАБ(xjк)=(5…10)1016	Концентрация акцепторной примеси в области базы: у коллекторного перехода, см-3
NДК=(0.5…5)1016	Концентрация донорной примеси в эпитаксиальной пленке коллектора, см-3
эпи=0.05…0.5	Удельное объемное сопротивление коллекторной области, Омсм
RБА=(1…10)103	Поверхностное сопротивление активной области базы (под эмиттером), Ом/□
RБП=100…300	Поверхностное сопротивление пассивной области базы (вне эмиттера), Ом/□
LpЭ5	Диффузионная длина дырок в эмиттере, мкм
LnБ5	Диффузионная длина электронов в базе, мкм
LpК5	Диффузионная длина дырок в коллекторе, мкм
DpЭ11	Коэффициент диффузии дырок в эмиттере, см2/с
DnБ	Коэффициент диффузии электронов в базе, см2/с
DpК14	Коэффициент диффузии дырок в коллекторе, см2/с
ni=1.51010 (Si)	Концентрация носителей зарядов в собственном полупроводнике, см-3
=12 (Si), =3.9 (SiO2),	Относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, диэлектрика
q=1.610-19	Заряд электрона, Кл
n≈1200…1400 (Si)	Подвижность электронов в объеме базы, см2/(Вс)
η=2.5	Коэффициент, учитывающий градиент примеси в базе
T  0.025	Тепловой потенциал при комнатной температуре (Т=300 К), В
э=0.0005…0.001	Удельное объемное сопротивление эмиттерной области, Омсм

Расчет spice-параметров биполярного транзистора

Описание биполярного транзистора в SPICE.

Q1 <узел коллектора> <узел базы> <узел эмиттера> < название модели >

.model <название модели> npn[или pnp](<список параметров>).

Набор spice-параметров биполярного транзистора.

№	Параметр	Описание	Примечание
1	BF	коэффициент усиления тока базы в нормальном режиме	рассчитывается
2	BR	коэффициент усиления тока базы в инверсном режиме	рассчитывается
3	IS	ток насыщения, А	рассчитывается
4	RB	сопротивление базы, Ом	рассчитывается
5	RC	сопротивление коллектора, Ом	рассчитывается
6	TF	время пролета базы, с	рассчитывается
7	CJE	емкость эмиттерного pn-перехода, Ф	рассчитывается
8	CJC	емкость коллекторного pn-перехода, Ф	рассчитывается
9	NF	коэффициент эмиссии эмиттерного перехода	задан (1.1)
10	NR	коэффициент эмиссии коллекторного перехода	задан (1.4)

Коэффициент усиления тока базы в инверсном режиме (BR).

Все транзисторы проектируются исходя из минимального размера , за исключением многоэмиттерных, для которых следует добиваться минимума коэффициента передачи тока базы в инверсном режиме — B_R (необходимо получить значение B_R < 0.1) этот параметр рассчитывается по формуле:

B  DnБ SЭ KX expwБ / 2LA 

R pK SБ / LpK  DnБ SЭM KX cthKX wБ 1/ 2LA  DnБ SБ  MSЭ K cthK x jК 1/ 2L 

D

X

X

A

где: M – число эмиттеров, S_Э=L_Эd_Э, — площадь эмиттера, S_Б=L_БZ_Б, — общая площадь базы,

D    , K  (1/ 2L )²  (1/ L )² , L  w / ln NДЭ (xjЭ ) .

nБ n T X

A nБ A Б

N ДК

Остальные параметры рассчитываются по следующим формулам:

Ток насыщения (IS):

S qD

n

2

IS  Э nБ i .

NДЭ (xjЭ )Lа

Коэффициент усиления тока базы в нормальном режиме (BF):

2L²

BF  nБ (1 ) .

2

w

Б

Сопротивление базы (RB):

R  R

dЭБ .

B БП

L

Э

Сопротивление коллектора (RC):

R_C=R_C1+R_C2.

R  

wЭПИ

 1 Х

2 jn

 Х jЭ

,

R  

wЭПИ

 1 Х

2 jn

 Х jK

.

C1 ЭПИ

LKK

 dKK

C 2 ЭПИ

LЭ  dЭ

Время пролета базы (TF):

2w²

TF  ^Б .

DnБ (1  )

Емкости рассчитываются по формуле (CJE и CJC):

q₀_Si N

2VB

C  S

, V   ln  NД (xj )NА (x j )  ; N=min(N (x ),N (x ));

p n



B T  2 

 i 

Д j А j

S  L Z

• 2xjК (L

4x²

• Z )  ^jК

— для коллекторного p-n – перехода,

 Б Б

n

4

2x

Б Б 8

4x²

— для эмиттерного p-n – перехода,

S  L d

• jЭ (L
• d )  ^jЭ

 Э Э

4 Э Э 8

C_p-n – ёмкость p-n перехода при нулевом смещении, S_ — общая площадь p-n – перехода, первое слагаемое – плоское дно, второе слагаемое – цилиндрические боковые части, третье слагаемое – сферические угловые части, значения концентраций N_Д,N_А берутся вблизи p-n перехода, V_B — потенциальный барьер p-n – перехода при нулевом смещении.

Резисторы

Диффузионные резисторы

Диффузионные резисторы – формируются в полупроводниковой подложке с помощью методов диффузии или ионной имплантации.

Рис. 1. Диффузионный резистор

Чтобы использовать диффузионную область в качестве резистора, необходимо сместить в обратном направлении отделяющий ее p-n переход. Для этого подложку (n-тип) надо подключить к самому высокому потенциалу в схеме, т.е. к положительному источнику питания Е+. В данной конструкции всегда существует паразитный ток утечки.

При необходимости реализовать сопротивление большего номинала делается контур с изгибами (типа «меандр»).

R  RS

l  N w

изл

R  RS

(KП1  KП 2 )

где RS (KП1  KП 2 ) — сопротивление контактных площадок. К_П = 0,75.

Сжатый резистор (pinch, пинч-резистор)

Рис. 2. Сжатый резистор

Поверхностное сопротивление сжатого p слоя, между слоями n и n⁺: R_S= R_БА.

Малые сопротивления.

Для малых сопротивлений (1…50 Ом) используются высоколегированные области

(эмиттерный n⁺ — слой):

Рис. 3. Высоколегированная (эмиттерная) область

В схемах малой степени интеграции используется однослойная металлизация – слой алюминия на поверхности окисла, который формирует контакты к элементам ИС и межсоединения. В этом случае возможны ситуации, когда не удается избежать пересечения проводников. В этом случае используется так называемый «подныр»: один проводник остается алюминиевой шиной, а второй проходит под ним по низкоомному резистору.

МОП-транзистор

Исходные данные для расчета МОП-транзистора:

Параметр	Описание
xj=0,4…1,2	Глубина залегания p-n перехода исток-подложка и сток- подложка, мкм
L=∆…5∆	Длина канала транзистора, мкм
W=∆…10∆	Ширина канала транзистора, мкм
dпер=0,1	Длина области перекрытия затвор-исток и затвор-сток, мкм
NП_n=(5…10)1016	Концентрация акцепторной примеси в подложке n-канального МОПТ, см-3
NП_p=(2…8)1016	Концентрация донорной примеси в подложке p-канального МОПТ, см-3
NЗ_n=(1…1.5)1019	Концентрация донорной примеси в затворе n-канального МОПТ, см-3
NЗ_p=(0.5…10)1019	Концентрация акцепторной примеси в затворе p-канального МОПТ, см-3
NС_n=(0.5…1.5)1018	Концентрация донорной примеси в области истока/стока у pn- перехода с подложкой в n-канальном МОПТ, см-3
NС_p=(0.7…1.2)1018	Концентрация акцепторной примеси в области истока/стока у pn-перехода с подложкой в p-канальном МОПТ, см-3
ni=1.51010 (Si)	Концентрация носителей зарядов в собственном полупроводнике, см-3
=12 (Si), =3.9 (SiO2),	Относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, диэлектрика
q=1.610-19	Заряд электрона, Кл
n≈600…400 (Si)	Подвижность электронов в канале МОПТ, см2/(Вс)
p≈300…200 (Si)	Подвижность дырок в канале МОПТ, см2/(Вс)
T  0.025	Тепловой потенциал при комнатной температуре (Т=300 К), В

Расчет spice-параметров МОП-транзистора

Описание МОП-транзистора в SPICE.

M1 <узел стока> <узел затвора> <узел истока> <узел подложки> <название модели> L=<L>

+W=<W> AS=<AS> AD=<AD> PS=<PS> PD=<PD>

.model <название модели> nmos[или pmos](<список параметров>).

Набор spice-параметров МОП-транзистора.

№	Параметр	Описание	Примечание
1	L	длина канала, мкм	задан
2	W	ширина канала, мкм	задан
3	AS	площадь истока, м2	рассчитывается
4	AD	площадь стока, м2	рассчитывается
5	PS	периметр истока, м	рассчитывается
6	PD	периметр истока, м	рассчитывается
7	LEVEL	уровень подключаемой модели	задан (3)
8	VTO	пороговое напряжение, В	рассчитывается
9	TOX	толщина подзатворного окисла, м	задан
10	XJ	глубина залегания p-n перехода исток-подложка и сток-подложка, мкм	задан
11	NSUB	концентрация примеси в подложке МОПТ, см-3	задан
12	LD	длина области перекрытия затвор- исток и затвор-сток, мкм	задан
13	UO	подвижность электронов в канале МОПТ, см2/(Вс)	задан
14	CGSO	удельная емкость перекрытия затвор-исток, Ф/м.	рассчитывается
15	CGDO	удельная емкость перекрытия затвор-сток, Ф/м.	рассчитывается
16	CJ	удельная донная емкость перехода исток (сток) – подложка, Ф/м2	рассчитывается
17	CJSW	удельная боковая емкость перехода исток (сток) – подложка, Ф/м	рассчитывается

Площади областей истока и стока.

Площадь стока (AD) определяется как произведение длины области стока на ширину канала W. Площадь истока (AS) определяется как произведение длины области истока на ширину канала W.

Периметры областей истока и стока.

Периметр стока (PD) определяется как удвоенная сумма длины области стока и ширины канала

W.

Периметр истока (PS) определяется как удвоенная сумма длины области истока и ширины канала W.

Пороговое напряжение (VTO).

1. канальный транзистор (подложка p-типа):

U    2 

• • Qc  ,

пор мп F

4q 0Si N F

C 2

OX

COX

где _МП — разность работ выхода из затвора и подложки, В:

1. канальный транзистор – подложка p-типа, затвор легирован n-примесью

 мп

 _FЗ

• • _FП

 _T

ln NЗ  

ni

T

ln NП .

ni

|_F| — абсолютное значение потенциала Ферми, В.

_F  _T

ln N .

ni

p-канальный транзистор (подложка n-типа):

U    2 

 Qc  ,

пор мп F

4q 0Si N F

C 2

OX

COX

где _МП — разность работ выхода из затвора и подложки, В:

1. канальный транзистор – подложка n-типа, затвор легирован p-примесью

 мп

 _FЗ

• • _FП

 _T

ln NЗ  

ni

T

ln NП .

ni

|_F| — абсолютное значение потенциала Ферми, В.

_F  _T

ln N .

ni

Q  2 10^8

c

Кл

см²

— плотность заряда поверхностных состояний.

СOX

 oox

lox

— удельная емкость затвор-подложка (на единицу площади затвора), Ф/м².

N – концентрация примеси в подложке.

Емкости МДП-транзистора.

Удельные емкости перекрытия CGDO и CGSO:

Cзс  Сзи  СOX  Dпер

— удельные емкости перекрытия затвор-исток и затвор-сток (на единицу

ширины канала), [Ф/м].

Удельные емкости pn-переходов CJ и CJSW:

 0 Si

C j

d

— удельная донная емкость перехода исток (сток) – подложка (на единицу площади

pn

истока (стока)), Ф/м².

C jsw  C j  x j

— удельная боковая емкость перехода исток (сток) – подложка (на единицу

периметра истока (стока)), Ф/м.

Варианты заданий

№ 3 № 4

№ 7 № 8

№ 11 № 12

№ 15 № 16

№ 19 № 20

№ 23 № 24

№ 27 № 28