автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка и исследование интегральных прецизионных стабилитронов с регулируемыми выходными характеристиками

РГБ ОД

- э июн гт

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Кирюхин Игорь Сергеевич

Разработка и исследование интегральных прецизионных стабилитронов с регулируемыми выходными характеристиками

05.27.01 Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1999

Работа выполнена в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Карацюба А.П.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

В.К. Аладинский

кандидат технических наук Соколов А.А.

Ведущая организация:

Государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт импульсной техники»

Защита состоится ¿(Ир?Л Я 2000 г. на заседании диссертационного совета Д 063.54.03 в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете) по адресу: 117454, г. Москва, просп. Вернадского, д.78, аудитория Д-412.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета

Автореферат разослан « 16» 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета: кандидат химических наук, доцент

851. ШЛ - 016. Ь

Общая характеристика работы

Актуальность работы. При прецизионной обработке электрического сигнала а аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях, измерителях амплитуды тока и напряжения, вольтметрах, источниках ЭДС и т.д. требуется высокоточный источник опорного напряжения или стабилитрон. Последний должен обеспечивать заданную стабильность выходного напряжения при воздействии на него множества дестабилизирующих факторов, таких как колебания тока стабилизации, температура окружающей среды, долговременные изменения электрофизических свойств материала, из которого изготовлен стабилитрон и других.

Поэтому создание прецизионных стабилитронов высокого класса точности является важной научно-технической задачей, решение которой оказалась по плечу лишь нескольким ведущим электронным фирмам США и некоторым отечественным предприятиям.

Лучшие образцы прецизионных стабилитронов имеют класс точности порадка нескольких десятитысячных процента, но развитие радиоэлектронной аппаратуры требует прецизионных стабилитронов более высокого класса точности, с меньшими затратами на изготовление. В этой ситуации весьма актуальны поиски новых конструктивных и технологических способов создания подобных приборов.

В течение десятилетий кремниевые прецизионные стабилитроны на основе электрического пробоя обратно смещенного р-п перехода были единственными высокостабильными источниками опорного напряжения.

Однако развитие новых экономичных типов интегральных схем, построенных на комплементарных структурах металл-оксид - полупроводник - КМОП ИС (примерно 82% от общего объема годового выпуска) и переход на пониженные напряжения питания привели к созданию большого количества классов электронных устройств, способных длительное время работать от автономных источников питания. Для таких устройств, традиционные кремниевые стабилитроны, какими бы замечательными параметрами они ни обладали, оказываются непригодными в силу большой потребляемой мощности и высокого значения выходного напряжения.

Поскольку низковольтный прецизионный стабилитрон на основе пробоя обратно смещенного р-п перехода ни на одном из известных полупроводниковых материалов реализовать оказалось принципиально невозможно как у нас ь стране, так к за рубежом, были предприняты попытки создания интегральных микросхем, обладающих вольт- амперными характеристиками стабилитронно-го типа- интегральных стабилитронов.

Разработки и исследования интегральных стабилитронов на основе технологии изготовления КМОП ИС привели к созданию стабилитронов пригодных для использования лишь в аппаратуре ограниченного назначения. Однако разработать КМОП источник опорного напряжения высокого класса точности так и не удалось.

Одновременно проводились работы по созданию интегральных стабилитронов, изготавливаемых по биполярной кремниевой технологии. И именно в этом направлении разработчиков ждал успех. Сочетание фундаментальных свойств прямо смещенного р-п перехода со специальными схемотехническими методами позволило создать особый класс прецизионных биполярных интегральных схем: прецизионных интегральных стабилитронов с напряжением стабилизации, пропорциональным ширине запрещенной зоны кремния (ШЗЗК). Большинство фирм развитых стран и по сей день поставляют потребителям именно такие микромощные низковольтные интегральные стабилитроны.

В России был разработан единственный представитель этого класса приборов- прецизионный микромощный интегральный стабилитрон с напряжением стабилизации равным 1.2 В. Он обладает отличными высокостабильными характеристиками, работает при рекордно малых значениях рабочего тока (не более 100 мкА). Однако получение приборов лучших групп точности весьма трудоемко из-за технологического разброса параметров прибора. Уменьшение издержек и повышение эффективности производства интегральных прецизионных стабилитронов лучших групп точности диктовало необходимость разработки такой конструкции прибора, которая позволяла бы производить подстройку значений выходных параметров еще на стадии изготовления кристалла.

Сохраняется актуальность создания интегральных стабилитронов с возможностью регулировки выходных характеристик, как в процессе производства, так и во время эксплуатации. Интегральный стабилитрон с регулируемыми выходными характеристиками позволит каждому потребителю получить именно то опорное напряжение, в котором он нуждается.

Целью работы является анализ и решение проблемы создания прецизионного интегрального стабилитрона с регулируемыми выходными характеристиками. При этом решаются следующие основные задачи:

1) исследование работы прямо смещенного р-п перехода в качестве источника опорного напряжения, разработка адекватной модели зависимости напряжения на прямо смещенном р-п переходе от температуры;

2) поиск оптимального способа компенсации нелинейности температурной зависимости напряжения на прямо смещенном р-п переходе;

3) разработка схемотехники и оптимизация параметров элементов схемы интегрального прецизионного стабилитрона с регулируемыми выходными характеристиками, исследование методов уменьшения температурного коэффициента напряжения стабилизации (ТКН);

4) разработка методов подстройки напряжения стабилизации и ТКН прибора на кристалле и с помощью внешнего третьего вывода;

5) разработка технологии изготовления прецизионного интегрального стабилитрона с регулируемыми выходными характеристиками, изготовление приборов и исследование их электрических и температурных характеристик;

6) анализ экспериментальных результатов и сравнение с теоретически рассчитанными параметрами схемы интегрального стабилитрона, оценка правильности выбранной конструкции интегрального стабилитрона и метода подстройки выходных параметров прибора.

Научная новизна. В работе получены следующие основные научные результаты:

1. Детальный анализ вольт-амперной характеристики прямо смещенного р-п перехода доказал возможность применения прямо смещенного диода в качестве источника опорного напряжения. Показано, что температурная нестабильность интегрального стабилитрона, построенного на прямо смещенных р-п переходах, тем меньше, чем ближе значение напряжения стабилизации к величине ширины запрещенной зоны кремния. Это фундаментальное свойство интегральных стабилитронов с напряжением стабилизации, пропорциональным ШЗЗК. Оно свидетельствует о том, что оптимальное значение напряжения стабилизации, соответствующее минимально достижимому уровню температурной нестабильности стабилитрона, не зависит от конструкции и технологии изготовления прибора.

2. Установлено, что практическая реализация соотношения между величинами ШЗЗК и температурным коэффициентом напряжения стабилизации (0,^) не тривиальна. Предложена аппроксимирующая зависимость ШЗЗК от температуры, позволяющая оптимизировать технологический процесс изготовления прецизионных интегральных стабилитронов.

3. В качестве одного из возможных способов повышения эффективности функционирования прибора предложен оригинальный метод коррекции нелинейности зависимости напряжения стабилизации от температуры. Суть метода- введение дополнительного каскада схемы, который вырабатывает напряжение, квадратично зависящее от температуры среды. Последнее компенсирует нелинейный член в зависимости напряжения на прямо смещенном диоде от температуры и позволяет уменьшить результирующую температурную нестабильность напряжения стабилизации по крайней мере на половину порядка величины.

Практическая ценность работы.

1. Показано, что реализация рентабельного производства приборов возможна только с применением регулировки напряжения стабилизации и ТКН. Предложены и обоснованы методы «внутренней» и «внешней» регулировки. При этом практически все выпускаемые приборы будут по меньшей мере соответствовать требованию о^ < 0.005 %/°С, а дорогостоящая операция измерения ТКН исключается.

2. На основе комплексного анализа типовых технологических процессов и специфических требований, предъявляемых к операции изготовления интегральных стабилитронов, предложена и опробована в производстве технология изготовления прецизионного интегрального стабилитрона с регулируемыми напряжением стабилизации и ТКН.

3. Выбран и экспериментально обоснован набор специфических операций геттерирования, обеспечивающих получение биполярных транзисторов с требуемым коэффициентом усиления.

4. Исследование образцов опытных партий приборов показало разумное соответствие экспериментальных результатов теоретическим выводам, полученным в работе. Подтверждены значения ожидаемых параметров приборов, а именно:

ист = 2.49 В ±2%; гст <; 1.5 Ом; а^ < 0.01 %/°С без подстройки; Ост < 0.005 %/°С с подстройкой напряжения стабилизации на кристалле.

5. Сравнительный анализ показал, что по основным техническим характеристикам разработанный прибор соответствует лучшим зарубежным образцам. Однако, чтобы перекрыть весь диапазон параметров зарубежных приборов, требуется проведение дополнительных исследований для уменьшения величины начального тока стабилизации до уровня не более 10 мкА.

На защиту выносятся:

1) Метод построения прецизионных интегральных стабилитронов с регулируемыми выходными характеристиками.

2) Технологический процесс изготовления прецизионных интегральных стабилитронов с регулируемыми выходными характеристиками.

3) Методика подстройки напряжения стабилизации и температурного коэффициента напряжения стабилизации на кристалле микросхемы интегрального стабилитрона.

Внедрение результатов работы.

Тема диссертации связана с отраслевой тематикой плановых научно- исследовательских работ. Результаты диссертации получены при выполнении 2 НИР и нашли практическое применение в производстве прецизионного интегрального стабилитрона с напряжением стабилизации 2.5В.

Апробация работы.

Апробация результатов работы проведена в процессе выступления автора на Всесоюзных и Всероссийских конференциях, совещаниях и семинарах:

-Научно-технические конференции Московского института радиотехники, электроники и автоматики;

-Международных симпозиумах по автоэлектронике и автоэлектрике «Изделия электронной техники и полупроводниковые датчики для автомобильных электронных систем управления», г. Суздаль, 1996, 1997

Публикации 4

Основные результаты диссертации отражены в 10 работах. В диссертации использованы результаты многолетних, выполненных совместно с сотрудниками работ, которые нашли отражение в научно-технических отчетах по НИР и ОКР. Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на_страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы.

Содержание работы Во введении показана актуальность разработки прецизионного интегрального стабилитрона с регулируемыми выходными характеристиками, определяется научная новизна и практическая ценность работы. Дается общая характеристика работы.

В первой главе выполнен аналитический литературный обзор по опубликованным способам получения опорного напряжения с помощью кремниевых прецизионных стабилитронов, осуществлен краткий теоретический анализ конструктивных и технологических методов их создания, приведены основные электрические и температурные параметры приборов.

Рассмотрена физика работы дискретных прецизионных термокомпенсированных стабилитронов. Выявлены физико-технологические ограничения достижения наилучших точностных параметров дискретных термокомпенсированных стабилитронов.

Показано, что для получения лучших значений выходных параметров дискретных термокомпенсированных стабилитронов необходимо использование дополнительного дорогостоящего и громоздкого оборудования для стабилизации рабочего тока и гер-мостатирования корпуса прибора. По этим причинам применение дискретных термокомпенсированных стабилитронов возможно только в аппаратуре специального назначения и экономически не всегда оправдано в изделиях широкого применения с автономным питанием.

Рассмотрены методы построения интегральных стабилитронов, работающих на основе электрического пробоя обратно смещенного р-п перехода. Показано, что по величине дифференциального сопротивления они значительно превосходят дискретные приборы и не предъявляют жестких требований к источникам рабочего тока стабилизации.

Отдельно рассмотрен метод стабилизации температуры кристалла микросхемы. Метод температурной стабилизации кристалла микросхемы основан на создании на одном с интегральным стабилитроном кристалле дополнительной схемы стабилизатора температуры, которая содержит нагревательный элемент, датчик температуры, схему задания порога срабатывания и схему обратной связи. Назначение этой дополнительной схемы — поддерживать температуру кристалла на определенном уровне при достаточно больших изменениях температуры окружающей среды.

Приборы, использующие метод стабилизации температуры кристалла микросхемы, обладают рекордными точностными характеристиками. При этом за них приходится платить высоким напряжением питания (10...36 В), большой потребляемой мощностью (более 400 мВт) и высокой стоимостью прибора. Поэтому данные стабилитроны практически не применимы в недорогой промышленной и бытовой аппаратуре, а также в устройствах с автономным питанием.

Коротко рассмотрено схемотехническое построение низковольтных интегральных стабилитронов.

Известно, что напряжение на прямо смещенном р-п переходе по мере роста температуры среды падает с температурным коэффициентом примерно -2 мВ/°С.

Если к этому напряжению добавить корректирующее напряжение V|cop(T), имеющее ту же амплитуду и положительный температурный коэффициент, равный также +2 мВ/°С, то в первом приближении получается напряжение не зависящее ст температуры. На этом принципе построены интегральные стабилитроны с выходным напряжением, пропорциональным ширине запрещенной зоны кремния.

Основными преимуществами интегральных стабилитронов с выходным напряжением, пропорциональным ширине запрещенной зоны кремния являются малое напряжение питания, малая рассеиваемая мощность и хорошая долговременная стабильнЬсть.

На основе проведенного анализа формулируются цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена исследованию электрических и температурных параметров прямо смещенного р-п перехода в режиме работы в качестве источника опорного напряжения.

Зависимость напряжения на прямо смещенном р-п переходе от температуры среды является хорошо воспроизводимой и высокостабильной во времени функцией. Это свойство р-п перехода определяет главные достоинства интегральных стабилитронов с выходным напряжением, пропорциональным ширине запрещенной зоны кремния

Рассмотрены диоды, составляющие биполярную структуру с изоляцией элементов обратно смещенными р-п переходами.

Только два диода, образованные р-п переходами база-эмитгер и база-коллектор, действительно удобны для применений в обсуждаемых микросхемах. При этом использование в качестве диода перехода база-эмиттер позволяет получить самую близкую к идеальной вольт-амперную характеристику при прямом смещении, что особенно важно для интегральных стабилитронов.

Рассмотрена вольт- амперная характеристика прямо смещенного р-п перехода. Разработана и проанализирована уточненная модель зависимости напряжения на прямо смещенном р-п переходе от температуры внешней среды.

Показано, что в области рабочих температур от 200 К до 400 К температурное изменение ширины запрещенной зоны кремния с достаточной точностью апроксимируется выражениями:

а) для 200 К < Т < 300 К:

Ес(Т) = 1.1785-9.025x10" хТ-3.05х10'7хТ2 (1)

б) для 300 К <Т< 400 К:

Ес(Т) = 1.20595 - 2.7325x10 хТ (2)

Температурное изменение напряжения прямо смещенного р-п перехода диода зависит от плотности рабочего тока через переход, что также позволяет регулировать как значение прямого падения напряжения на диоде, так и значение температурного коэффициента прямого падения напряжения на р-п переходе.

В прецизионных интегральных низковольтных стабилитронах напряжение стабилизации, пропорциональное ШЗЗК, вырабатывается путем компенсации зависимости падения напряжения на прямо смещенном р-п переходе база-эмитгер биполярного транзистора от температуры среды. Существуют разнообразные методы такой компенсации. Очень хорошие результаты можно получить с помощью компенсации температурной зависимости напряжения на прямо смещенном р-п переходе база-эмитгер при различных плотностях тока.

Доказано, что значение номинального напряжения стабилизации, удовлетворяющее условию оптимальной термокомпенсации интегрального стабилитрона, составляет:

кхТ ¿ЕС(Т) исгяом^ЕсЮ + Чх—^—Тх йТ (3)

с!Еа(Т)

Выражение (7*) — 7" х ——— определяет экстраполированное к температуре О К значение ширины запрещенной зоны кремния. При этом Еа(0 К) зависит от температуры Т(, при которой производится подстройка номинального напряжения стабилизации.

Как видно из уравнения (3), номинальное напряжение стабилизации, соответствующее минимальному температурному коэффициенту напряжения стабилизации, близко по значению ширине запрещенной зоны кремния. Это фундаментальное свойство интегральных стабилитронов с напряжением стабилизации, пропорциональным ШЗЗК.

Оно свидетельствует о том, что температурная нестабильность стабилитрона тем меньше, чем ближе значение его напряжения стабилизации к ШЗЗК, независимо от конструкции и технологии изготовления прибора.

На основании приведенного расчета сделаны следующие

выводы:

1. Детальный анализ вольт-амперной характеристики прямо смещенного р-п перехода показал, что она хорошо воспроизводима и отличается высокой стабильностью во времени. Это обстоятельство позволяет использовать прямо смещенный диод в качестве источника опорного напряжения в интегральных прецизионных стабилитронах с напряжением стабилизации, пропорциональным фундаментальному параметру полупроводника — ширине запрещенной зоны кремния.

2. Температурный коэффициент падения напряжения на прямо смещенном р-п переходе зависит от плотности тока. Это позволяет с большой точностью управлять температурной зависимостью падения напряжения на прямо смещенном р-п переходе с целью получения минимального значения температурного коэффициента напряжения стабилизации.

3. Выполненные расчеты упрощенной схемы интегрального стабилитрона на основе прямо смещенных р-п переходов с различной плотностью тока выявили оптимальное значение напряжения стабилизации, при котором ТКН минимален. Это значение отвечает уравнению (3). Получена количественная взаимосвязь между шириной запрещенной зоны кремния и температурным коэффициентом напряжения стабилизации интегрального стабилитрона.

4. Установлено, что практическая реализация соотношения величиной ширины запрещенной зоны кремния и температурным коэффициентом напряжения стабилизации не тривиальна. Предложена аппроксимирующая зависимость ШЗЗК от температуры, позволяющая оптимизировать технологический процесс изготовления прецизионных интегральных стабилитронов.

В третьей главе рассматривается метод компенсации температурной зависимости напряжения на прямо смещенных р-п переходах база- эмиттер, работающих при различных плотностях " тока эмиттера.

Метод апробирован на примере первого отечественного прецизионного интегрального низковольтного стабилитрона с фиксированным напряжением стабилизации.

Детально рассмотрены электрические, температурные и временные характеристики основных составляющих схем интегральных стабилитронов: биполярных п-р-п и р-п-р транзисторов, напыленных, диффузионных и пинч резисторов.

Показано, что работа первого отечественного прецизионного интегрального низковольтного стабилитрона с фиксированным напряжением стабилизации полностью подтверждает выводы, сделанные при анализе упрощенной схемы интегрального стабилитрона. Последний обладает такими неоспоримыми преимуществами как малое значение напряжения стабилизации, малое начальное значение рабочего тока стабилизации, широкий диапазон изменения рабочего тока стабилизации, температурный коэффициент напряжения стабилизации, характерный для лучших групп прецизионных стабилитронов.

Однако конструкция прибора не предусматривает регулировки значений напряжения стабилизации и температурного коэффициента напряжения стабилизации. Наличие регулировок ист и Ост позволило бы получать режим оптимальной термокомпенсации в заданном диапазоне рабочих температур при желаемом значении напряжения стабилизации. Кроме того, применение подстройки напряжения стабилизации позволило бы существенно увеличить выход годных приборов с ТКН, близким к минимально достижимому. Более того, можно отказаться от дорогостоящей операции измерения ТКН благодаря тому, что каждый прибор будет иметь значение напряжения стабилизации, соответствующее режиму оптимальной термокомпенсации. •

В приборах, основанных на прямо смещенных р-п переходах, напряжение стабилизации определяется разницей напряжения прямо смещенных переходов эмиттер-база двух транзисторов диэв плюс напряжение на прямо смещенном р-п переходе эмиттер-база иэв- Нелинейность 1}эб(Т) определяется в основном нелинейностью температурной зависимости ширины запрещенной зоны кремния. В общем случае можно записать:

к х Г

исг = и ЭБ + В х * Ьп

11 х А2

\12 * А ;

Как видно формулы (4), для того, чтобы добиться компенсации зависимости напряжения стабилизации от температуры необходимо соответствующим образом изменить температурную зависимость одного из слагаемых: либо /1 (Т)//2 (Т), либо

иЭБ(Т).

Изменение температурной зависимости 1\ (Т)

вполне достижимо. Однако способ корректировки нелинейности с помощью задания температурных зависимостей токов транзисторов требует наличия дополнительного операционного усилителя, что сильно усложняет схемотехнику и исключает использование низковольтных источников питания.

Поэтому в настоящей работе для проектирования прецизионного интегрального регулируемого стабилитрона был использован метод коррекции нелинейности с помощью задания тока, пропорционального температуре через компенсирующий р-п переход транзистора.

Компьютерный анализ схемы интегрального стабилитрона проводился с помощью программы Р-Брке. Целью анализа было выбрать конструкцию и величину номиналов резисторов, а также конструкцию и технологические режимы изготовления биполярных транзисторов такими, чтобы дифференциальное сопротивление и ТКН оказались минимальными.

Анализ расчетных зависимостей позволяет сделать вывод, что схема соответствует всем требованиям, предъявляемым к лучшим группам прецизионных стабилитронов, причем благодаря удачной схемотехнике построения получаются превосходные значения дифференциального сопротивления в широком диапазоне рабочих токов и температуры, минимального рабочего тока без предъявления повышенных требований к технологическому процессу изготовления интегрального стабилитрона.

Однако расчеты показывают, что получить оптимальный режим температурной компенсации не уменьшая выход годных приборов невозможно без применения метода подстройки напряжения стабилизации до оптимального значения (2.49 В ± 2%) при комнатной температуре.

Специально был разработан метод подстройки напряжения стабилизации и ТКН с использованием как "внутренней" (на кристалле), так и "внешней" (с помощью третьего вывода) подстройки номинального значения напряжения стабилизации. Использование данного метода подстройки ТКН позволяет полностью скомпенсировать линейную составляющую зависимости напряжения стабилизации от температуры. Результирующая функция ист(Т) будет целиком определяться суммой нелинейных составляющих зависимости 11эб(Т)-

В данной главе в качестве одного из возможных способов повышения эффективности функционирования прибора предложен оригинальный метод коррекции нелинейности зависимости напряжения стабилизации от температуры среды. Суть метода во введении дополнительного каскада схемы, генерирующего напряжение, квадратично зависящее от температуры среды. Последнее компенсирует нелинейный член в зависимости иэв(Т) и позволяет уменьшить результирующую температурную нестабильность напряжения стабилизации по крайней мере на половину порядка величины. На основе теоретического анализа сформулированы требования к компонентам схемы, генерирующей квадратичное напряжение, которые доказывают реализуемость метода на практике.

На основе изложенного в главе 3 сделаны выводы: 1. Полученное в главе 2 условие реализации эффективного прецизионного интегрального стабилитрона представляет собой многофакторную задачу. Важнейшим параметром при этом является температура среды и зависящие от нее соответствующие величины, связанные с регулировкой напряжения стабилизации, температурной компенсацией и естественной зависимостью ширины запрещенной зоны кремния от температуры среды.

2. Показано, что вследствие наличия технологических допусков на параметры элементов схемы интегрального стабилитрона режим оптимальной температурной компенсации сказывается нереализуемым для большинства изготавливаемых приборов. Предложен эффективный метод увеличения количества приборов с требуемыми параметрами, заключающийся в регулировке напряжения стабилизации в процессе производства.

3. Результаты теоретических оценок и расчетов позволили выбрать оптимальный метод построения прецизионного интегрального стабилитрона- метод коррекции нелинейности током, пропорциональным абсолютной температуре.

4. Результаты автоматизированного проектирования схемы интегрального стабилитрона свидетельствуют, что по совокупности параметров (ист, а^, г^т) схема обеспечивает удовлетворение жестких требований к лучшим группам прецизионных стабилитронов. При этом величина оптимального напряжения стабилизации, соответствующая режиму оптимальной температурной компенсации, не зависит от конструкции стабилитрона и пропорциональна фундаментальной величине- ширине запрещенной зоны кремния.

5. Показано, что реализация рентабельного производства возможна только с применением регулировки величин напряжения стабилизации и температурного коэффициента напряжения стабилизации. Предложены и обоснованы методы «внутренней» и «внешней» регулировки. При этом практически все выпускаемые приборы будут соответствовать требованию Ост < 0.005 %/°С, а дорогостоящую операцию измерения ТКН можно исключить.

6. В качестве одного из возможных способов повышения эффективности функционирования прибора предложен оригинальный метод коррекции нелинейности зависимости напряжения стабилизации от температуры среды. Суть метода во введении дополнительного каскада схемы, генерирующего напряжение, квадратично зависящее от температуры среды. Последнее компенсирует нелинейный член в зависимости иэв(Т) и позволяет уменьшить результирующую температурную нестабильность напряжения стабилизации по крайней мере на половину порядка величины.

На основе теоретического анализа сформулированы требования к компонентам схемы, генерирующей квадратичное напряжение, которые доказывают реализуемость метода на практике.

В четвертой главе экспериментально исследуются опытные образцы прецизионного интегрального стабилитрона с регулируемыми выходными характеристиками.

Рассмотрены особенности разработки технологического процесса изготовления интегрального стабилитрона

Значительное место уделено процессам гетгерирования нежелательных примесей, которые оказывают весьма пагубное влияние на стабильность выходных характеристик стабилитрона.

Приведена методика измерения электрических параметров интегральных прецизионных стабилитронов.

Особое влияние уделено результатам исследования экспериментальных образцов прецизионных интегральных стабилитронов. Тщательно исследовано влияние технологических факторов на выходные электрические характеристики. Найдены оптимальные значения параметров интегральных транзисторов и резисторов.

На основе анализа экспериментальных данных сделаны

выводы:

1. На основе комплексного анализа типовых технологических процессов и специфических требований, предъявляемых к операциям изготовления прецизионного интегрального стабилитрона, предложена и опробована в производстве технология изготовления интегрального прецизионного стабилитрона с регулировкой величины напряжения стабилизации.

2. Экспериментальные исследования возможности реализации стандартных технологических операций изготовления биполярных интегральных схем обнаружили ограниченные возможности получения транзисторов с требуемыми коэффициентами усиления тока.

3. Выбран и экспериментально обоснован набор специальных технологических операций гетгерирования, обеспечивающих получение биполярных транзисторов с требуемыми значениями коэффициентов усиления тока (Рмрм > 300, рР№ > 50). Экспериментально подтверждена воспроизводимость рассчитанных значений параметров.

4. Предложен и экспериментально обоснован эффективный метод контроля коэффициентов усиления прп транзисторов на промежуточных технологических операциях путем измерения сопротивления тестового пинч-резистора. Тем самым удалось исключить неэффективный метод прямого измерения коэффициента усиления тока на тестовых транзисторах до операции вжигания алюминия.

5. Практическая реализация методов «внешней» и «внутренней» подстройки в процессе изготовления, позволила отказаться от дорогостоящей операции измерения температурного коэффициента напряжения стабилизации при сохранении остальных параметров интегрального стабилитрона.

6. Исследование электрических и температурных характеристик образцов опытных партий приборов показало разумное соответствие экспериментальных результатов теоретическим выводам, полученным в работе.

Основные результаты диссертационной работы

1. Анализ применения источников опорного напряжения при разработке прецизионной электро-измерительной аппаратуры обнаружил весьма ограниченный их набор. Это дискретные прецизионные термокомпенсированные стабилитроны с напряжением стабилизации 6.4 и 9.0 В. Хотя с развитием возможностей отечественной полупроводниковой техники и технологии спектр подобных приборов несколько расширился из-за появления прецизионного интегрального стабилитрона с термостабилизацией кристалла и микромощного интегрального стабилитрона с напряжением стабилизации 1.2 В (см. рисунок).

Однако ряд напряжений стабилизации, удобных для функционирования в составе логических устройств с напряжением стабилизации 5 В все еще был недоступен потребителям. Именно эти обстоятельства диктовали необходимость не только существенного расширения номенклатуры прецизионных интегральных стабилитронов, но и предоставления потребителям самим, путем несложной регулировки, выбирать значения напряжения стабилизации и температурного коэффициента напряжения стабилизации без потери качества в остальных электрических параметрах прибо-

•ра.

Прецизионные стабилитроны

я п

Б

О

1 - Дискретные термокомпенсированные прецизионные стабилитроны

2 - Интегральные прецизионные стабилитроны с термостабилизацией температуры кристалла

3 - Первый отечественный низковольтный микромощный прецизионный интегральный стабилитрон

4 - Интегральный прецизионный стабилитрон с регулируемыми выходными хараетеристиками

2. На основе детального анализа вольт-амперной характеристики прямо смещенного р-п перехода показано, что она хорошо восппоизволимя. отличается высокой стабильностью во времени и, следовательно, применение прямо смещенного диода в качестве источника опорного напряжения вполне обосновано. Более того, стабилитроны, построенные на прямо смещенных р-п переходах с различной плотностью тока, имеют тем меньший температурный коэффициент, чем ближе значение напряжения стабилизации к величине ширины запрещенной зоны кремния.

3. Установлено, что практическая реализация соотношения между величиной ширины запрещенной зоны кремния и температурным коэффициентом напряжения стабилизации не тривиальна. Предложена аппроксимирующая зависимость ширины запрещенной зоны кремния от температуры среды позволяющая оптимизировать технологический процесс изготовления прецизионных интегральных стабилитронов.

4. В качестве одного из возможных способов повышения эффективности функционирования прибора предложен оригинальный метод коррекции нелинейности зависимости напряжения стабилизации от температуры среды. Суть метода во введении дополнительного каскада схемы, генерирующего напряжение, квадратично зависящее от температуры среды. Последнее компенсирует нелинейный член в зависимости иб,(Т) и позволяет уменьшить результирующую температурную нестабильность напряжения стабилизации по крайней мере на половину порядка величины. На основе теоретического анализа сформулированы требования к компонентам схемы, генерирующей квадратичное напряжение, которые доказывают реализуемость метода на практике.

5. Показано, что реализация рентабельного производства возможна только с применением регулировки величин напряжения стабилизации и температурного коэффициента напряжения стабилизации. Предложены и обоснованы методы «внутренней» и «внешней» регулировки. При этом практически все выпускаемые приборы будут соответствовать требованию а^у < 0.005 %/°С, а дорогостоящую операцию измерения ТКН можно исключить.

6. На основе комплексного анализа типовых технологических процессов и специфических требований, предъявляемых к операциям изготовления прецизионного интегрального стабилитрона, предложена и опробована в производстве технология изготовления интегрального прецизионного стабилитрона с регулировкой величин напряжения стабилизации и температурного коэффициента напряжения стабилизации.

7. Выбран и экспериментально обоснован набор специальных технологических операций геттерирования, обеспечивающих получение биполярных транзисторов с требуемыми значениями коэффициентов усиления тока > 300, Ppnp > 50). Экспериментально подтверждена воспроизводимость рассчитанных значений параметров.

8. Исследование электрических и температурных характеристик образцов опытных партий приборов показало разумное соответствие экспериментальных результатов теоретическим выводам, полученным в работе. Подтверждены значения ожидаемых параметров приборов, а именно:

Напряжение стабилизации Uct = 2.49 В ±2%;

Дифференциальное сопротивление гст < 1.5 Ом;

Температурный коэффициент напряжения стабилизации в диапазоне рабочих температур от -60 до 125 "С не более 0.005 %/°С при условии применения «внутренней» подстройки напряжения стабилизации (см. рисунок на сгр.22),

9. Сравнительный анализ показал, что по основным техническим характеристикам разработанный прибор соответствует лучшим зарубежным образцам. Однако, чтобы перекрыть весь диапазон параметров зарубежных приборов, требуется проведение дополнительных исследований для уменьшения величины начального тока стабилизации до уровня не более 10 мкА.

Результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Драпкин О.М., Халикеев В.М., Кирюхин И.С. Температурная компенсация низковольтного интегрального стабилитрона. // Электронная техника. - 1988. - Серия 2. - Полупроводниковые приборы. - ВЫП. 4 (195). - С. 96-98

2. Дралкин О.М., Халикеев В.М., Кирюхин И.С. Микромощный источник тока для прецизионных биполярных интегральных схем. U Электронная техника. - 1989. - Серия 2. - Полупроводниковые приборы. - Вып. 4. - С. 56-58.

3. А. с. 1483442 СССР, МКИ G05 F 1/613. Прецизионный низковольтный интегральный стабилитрон. / Дралкин О.М., На-градова JI.B., Халикеев В.М., Кирюхин И.С. СССР.

4. А. с. 1653445 СССР, МКИ G05 F 1/56. Прецизионный низковольтный опорный стабилитрон. / Драпкин О.М., Наградова Л.В., Халикеев В.М., Кирюхин И.С. СССР.

5. А. с. 1563456 СССР, МКИ G05 F 1/56. Прецизионный источник опорного напряжения. 1 Драпкин О.М., Наградова J1.B., Халикеев В.М., Кирюхин И.С. СССР.

6. Кирюхин И.С. Интегральные микросхемы для датчика температуры среды, г. Суздаль Международный симпозиум по автоэлектрике и автоэлепктронике «Изделия электронной техники и полупроводниковые датчики для автомобильных электронных систем управления», 1996 г. (Тезисы докладов).

Введение.

1. Методы получения опорного папряжепия с помощью кремниевых стабилитронов.

1.1 Электрический пробой обратно смещенного р-п перехода.

1.2 Интегральные стабилитроны, использующие электрический пробой обратно смещенного р-п перехода.

1.3 Активное термостатирование кристалла интегральной схемы.

1.4 Интегральные стабилитроны с выходным напряжением, пропорциональным ширине запрещенной зоны кремния.

2. Прямо смещенный р-п переход как источник опорного напряжения.

2.1 Вольт-амперная характеристика прямо смещенного р-п перехода.

2.2 Уточненная модель зависимости падения напряжения на прямо смещенном р-п переходе от температуры среды.

2.3 Принцип работы интегральных стабилитронов использующих прямо смещенные р-п переходы, работающие при различных плотностях рабочего тока.

3. Проектирование и разработка прецизионного интегрального стабилитрона с регулируемыми выходными характеристиками.

3.1 Модификация модели замещения биполярного транзистора.

3.2 Уточненная модель замещения интегральных резисторов.

3.3 Исследование возможности целенаправленного управления ТКН стабилитронов на основе прямо смещенных р-п переходов.

3.4 Расчет и оптимизация параметров схемы интегрального прецизионного стабилитрона.

3.5 Исследование возможности создания интегрального стабилитрона на основе прямо смещенных р-п переходов с коррекцией нелинейности напряжения стабилизации с точностью до величин второго порядка малости.

4 Разработка технологического процесса, изготовление и исследование интегральных стабилитронов с регулируемыми выходными характеристиками.

4.1 Технологический процесс изготовления интегральных стабилитронов.

4.2 Исследование прецизионных интегральных стабилитронов с регулируемыми выходными характеристиками.

Актуальность работы. При прецизионной обработке электрического сигнала в аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях, измерителях амплитуда тока и напряжения, вольтметрах, источниках ЭДС и т.д. требуется высокоточный источник опорного напряжения: стабилитрон. Последний должен обеспечивать заданную стабильность выходного напряжения при воздействии на него множества дестабилизирующих факторов, таких как колебания тока стабилизации, температура окружающей среды, электромагнитные поля, долговременные изменения электрофизических свойств материала, из которого изготовлен стабилитрон и других факторов.

Поэтому создание прецизионных стабилитронов высокого класса точности является важной научно-технической задачей, которая оказалась по плечу лишь десятке ведущих электронных фирм США и некоторым отечественным предприятиям.

Лучшие образцы прецизионных стабилитронов имеют класс точности порядка нескольких тысячных процента /1/, но развитие радиоэлектронной аппаратуры требует прецизионных стабилитронов более высокого класса точности. В этой ситуации весьма актуальны поиски новых конструктивных и технологических способов создания подобных приборов.

В течение десятилетий кремниевые прецизионные стабилитроны на основе электрического пробоя обратно смещенного р-п перехода были единственными высокостабильными источниками опорного напряжения.

Однако развитие новых экономичных типов интегральных схем, построенных на комплементарных структурах металл- оксид- полупроводник - КМОП ИС (примерно 82% от общего объема годового выпуска

У) и переход на пониженные напряжения питания привели к созданию большого количества классов электронных устройств способных длительное время работать от автономного питания. Для таких устройств традиционные кремниевые стабилитроны, какими бы замечательными параметрами они не обладали, оказываются непригодными в силу большой потребляемой мощности и высокого значения выходного напряжения/3/.

Поскольку реализовать низковольтный прецизионный стабилитрон на основе пробоя обратно смещенного р-п перехода ни на одном из известных полупроводниковых материалов оказалось принципиально невозможным, как у нас в стране, так и за рубежом, были предприняты попытки создания интегральных микросхем, обладающих вольт-амперными характеристиками стабилитронного типа — интегральных стабилитронов.

Разработки и исследования интегральных стабилитронов на основе технологии изготовления КМОП ИС увенчались созданием стабилитронов, пригодных для использования в аппаратуре широкого потребления. Однако разработать КМОП прецизионный источник опорного напряжения так и не удалось /4/.

Одновременно проводились работы по созданию интегральных стабилитронов, изготавливаемых по биполярной кремниевой технологии. И по этому направлению разработчиков ждал успех. Сочетание фундаментальных свойств прямо смещенного р-п перехода со специальными схемотехническими методами позволило создать особый класс прецизионных биполярных интегральных схем: прецизионные интегральные стабилитроны с напряжением стабилизации пропорциональным ширине запрещенной зоны кремния. Традиционная биполярная технология и по сей день поставляет миру микромощные низковольтные интегральные стабилитроны /5/.

В России был разработан единственный представитель этого класса приборов- прецизионный микромощный интегральный стабилитрон с напряжением стабилизации равным 1.2 В161. Но сегодня требуются интегральные стабилитроны с возможностью регулировки выходных характеристик как в процессе производства, так и во время эксплуатации. Интегральный стабилитрон с регулируемыми выходными характеристиками позволит каждому потребителю получить именно то опорное напряжение и с таким температурным коэффициентом в котором он нуждается. При этом цена изделия существенно не вырастет.

Вопросам исследования физико-технических возможностей и ограничений для создания подобного интегрального стабилитрона с регулируемыми выходными характеристиками посвящена данная работа.

Целью настоящей диссертационной работы является анализ и решение проблемы создания прецизионного интегральный стабилитрона с регулируемыми выходными характеристиками. При этом решаются следующие основные задачи:

1) исследование работы прямо смещенного р-п перехода в качестве источника опорного напряжения, разработка точной модели зависимости напряжения на прямо смещенном р-п переходе от температуры;

2) поиск оптимального способа компенсации нелинейности температурной зависимости напряжения на прямо смещенном р-п переходе;

3) разработка схемотехники и оптимизация параметров элементов схемы интегрального прецизионного стабилитрона с регулируемыми выходными характеристиками, исследование методов уменьшения температурного коэффициента напряжения стабилизации;

4) разработка методов подстройки напряжения стабилизации и температурного коэффициента напряжения стабилизации прибора на кристалле и с помощью внешнего третьего вывода;

5) разработка технологии изготовления прецизионного интегрального стабилитрона с регулируемыми выходными характеристиками, изготовление опытных образцов приборов, исследование электрических и температурных характеристик полученных приборов;

6) анализ экспериментальных результатов и сравнение с теоретически рассчитанными параметрами схемы интегрального стабилитрона, подтверждение правильности выбранной конструкции интегрального стабилитрона и метода подстройки выходных параметров прибора.

Научная новизна. В работе получены следующие основные научные результаты:

1. Детальный анализ вольт-амперной характеристики прямо смещенного р-п перехода доказал возможность применения прямо смещенного диода в качестве источника опорного напряжения. Показано, что температурная нестабильность интегрального стабилитрона, построенного на прямо смещенных р-п переходах, тем меньше, чем ближе значение напряжения стабилизации к величине ширины запрещенной зоны кремния. Это фундаментальное свойство интегральных стабилитронов с напряжением стабилизации, пропорциональным ШЗЗК. Оно свидетельствует о том, что оптимальное значение напряжения стабилизации, соответствующее минимально достижимом}' уровню температурной нестабильности стабилитрона, не зависит от конструкции и технологии изготовления прибора.

2. Установлено, что практическая реализация соотношения между величинами ШЗЗК и температурным коэффициентом напряжения стабилизации («ст) не тривиальна. Предложена аппроксимирующая зависимость ШЗЗК от температуры, позволяющая оптимизировать технологический процесс изготовления прецизионных интегральных стабилитронов.

3. В качестве одного из возможных способов повышения эффективности функционирования прибора предложен оригинальный метод коррекции нелинейности зависимости напряжения стабилизации от температуры. Суть метода- введение дополнительного каскада схемы, который вырабатывает напряжение, квадратично зависящее от температуры среды. Последнее компенсирует нелинейный член в зависимости напряжения на прямо смещенном диоде от температуры и позволяет уменьшить результирующую температурную нестабильность напряжения стабилизации по крайней мере на половину порядка величины.

Практическая ценность работы.

1. Показано, что реализация рентабельного производства приборов возможна только с применением регулировки напряжения стабилизации и ТКН. Предложены и обоснованы методы «внутренней» и «внешней» регулировки. При этом практически все выпускаемые приборы будут по меньшей мере соответствовать требованию аст < 0.005 %/°С, а дорогостоящая операция измерения ТКН исключается.

2. На основе комплексного анализа типовых технологических процессов и специфических требований, предъявляемых к операции изготовления интегральных стабилитронов, предложена и опробована в производстве технология изготовления прецизионного интегрального стабилитрона с регулируемыми напряжением стабилизации и ТКН.

3. Выбран и экспериментально обоснован набор специфических операций геттерирования, обеспечивающих получение биполярных транзисторов с требуемым коэффициентом усиления по току.

4. Исследование образцов опытных партий приборов показало разумное соответствие экспериментальных результатов теоретическим выводам, полученным в работе. Подтверждены значения ожидаемых параметров приборов, а именно: иет = 2.49 В ±2%; гст < 1.5 Ом; аст < 0.01 %/°С без подстройки; аст < 0.005 %/°С с подстройкой напряжения стабилизации на кристалле.

5. Сравнительный анализ показал, что по основным техническим характеристикам разработанный прибор соответствует лучшим зарубежным образцам. Однако, чтобы перекрыть весь диапазон параметров зарубежных приборов, требуется проведение дополнительных исследований для уменьшения величины начального тока стабилизации до уровня не более 10 мкА.

На защиту выносятся:

1) Метод построения прецизионных интегральных стабилитронов с регулируемыми выходными характеристиками.

2) Технологический процесс изготовления прецизионных интегральных стабилитронов с регулируемыми выходными характеристиками.

3) Методика подстройки напряжения стабилизации и температурного коэффициента напряжения стабилизации на кристалле микросхемы интегрального стабилитрона.

Внедрение результатов работы. Тема диссертации связана с отраслевой тематикой плановых научно- исследовательских работ. Результаты диссертации получены при выполнении научно-исследовательских работ: «Потенциал», «Пропорция», «Источник», опытно-конструкторских работ: «Принцип-2», «Степень».

10

Достоверность полученных результатов подтверждается тем, что на их основе было освоено производство нового типа прецизионных стабилитронов ИС251 со следующими параметрами:

Напряжение стабилизации 2.5 В ±2% и 5.0 В ±2%;

Дифференциальное сопротивление не более 1.5 Ом;

Температурный коэффициент напряжения стабилизации не более 0.0025 %/°С в диапазоне температур от -60 до +125 °С;

Ток стабилизации от 300 мкА до 5 мА.

Основные результаты диссертации отражены в 10 работах, в том числе в трех авторских свидетельствах на изобретение. В диссертации использованы результаты многолетних, выполненных совместно с сотрудниками работ, которые нашли отражение в научно-технических отчетах по НИР и ОКР.

Выводы:

1) На основе комплексного анализа типовых технологических процессов и специфических требований, предъявляемых к операциям изготовления прецизионного интегрального стабилитрона, предложена и опробована в производстве технология изготовления интегрального прецизионного стабилитрона с регулировкой величины напряжения стабилизации.

2) Экспериментальные исследования возможности реализации стандартных технологических операций изготовления биполярных интегральных схем обнаружили ограниченные возможности получения транзисторов с требуемыми коэффициентами усиления тока.

3) Выбран и экспериментально обоснован набор специальных технологических операций геттерирования, обеспечивающих получение биполярных транзисторов с требуемыми значениями коэффициентов усиления тока (ßnpn > 250, ßpnp > 30). Экспериментально подтверждена воспроизводимость рассчитанных значений параметров.

139

4) Предложен и экспериментально обоснован эффективный метод контроля коэффициентов усиления п-р-п транзисторов на промежуточных технологических операциях путем измерения сопротивления тестового пинч - резистора. Тем самым удалось исключить не эффективный метод прямого измерения коэффициента усиления тока на тестовых транзисторах до операции вжигания алюминия.

5) Практическая реализация методов «внешней» и «внутренней» подстройки в процессе изготовления, позволила отказаться от дорогостоящей операции измерения температурного коэффициента напряжения стабилизации при сохранении остальных параметров интегрального стабилитрона.

6) Исследование электрических и температурных характеристик образцов опытных партий приборов показало разумное соответствие экспериментальных результатов теоретическим выводам, полученным в работе.

Заключение

Анализ применения источников опорного напряжения при разработке прецизионной электро-измерительной аппаратуры обнаружил весьма ограниченный их ряд. Это дискретные прецизионные термоком-пенсированные стабилитроны с напряжением стабилизации 6.4 и 9.0 В. Хотя с развитием возможностей отечественной полупроводниковой техники и технологии спектр подобных приборов несколько расширился из-за появления прецизионного интегрального стабилитрона с термостабилизацией кристалла и микромощного интегрального стабилитрона с напряжением стабилизации 1.2 В.

Однако ряд напряжений стабилизации, удобных для функционирования в составе логических устройств с напряжением стабилизации 5 В все еще был недоступен потребителям (см. рис. 5.1). Именно эти обстоятельства диктовали необходимость не только существенного расширения номенклатуры прецизионных интегральных стабилитронов, но и предоставления потребителям самим, путем несложной регулировки, выбирать значения напряжения стабилизации и температурного коэффициента напряжения стабилизации без потери качества в остальных электрических параметрах прибора.

По результатам настоящей работы получены следующие основные выводы:

1. На основе детального анализа вольт - амперной характеристики прямо смещенного р-п перехода показано, что она хорошо воспроизводима, отличается высокой стабильностью во времени и, следовательно, применение прямо смещенного диода в качестве источника опорного напряжения вполне обосновано.

141 2

1 1

1 - Дискретные термокомпенсированные прецизионные стабилитроны

2 - Интегральные прецизионные стабилитроны с термостабилизацией температуры кристалла

3 - Первый отечественный низковольтный микромощный прецизионный интегральный стабилитрон

4 - Интегральный прецизионный стабилитрон с регулируемыми выходными характеристиками

Рис. 5.1. Прецизионные стабилитроны

Более того, стабилитроны, построенные на прямо смещенных р-п переходах с различной плотностью тока имеют тем меньший температурный коэффициент, чем ближе значение напряжения стабилизации к величине ширины запрещенной зоны кремния.

2. Установлено, что практическая реализация соотношения между величиной ширины запрещенной зоны кремния и температурным коэффициентом напряжения стабилизации не тривиальна. Предложена аппроксимирующая зависимость ширины запрещенной зоны кремния от температуры среды позволяющая оптимизировать технологический процесс изготовления прецизионных интегральных стабилитронов.

3. В качестве одного из возможных способов повышения эффективности функционирования прибора предложен оригинальный метод коррекции нелинейности зависимости напряжения стабилизации от температуры среды. Суть метода во введении дополнительного каскада схемы, генерирующего напряжение, квадратично зависящее от температуры среды. Последнее компенсирует нелинейный член в зависимости Ube(T) и позволяет уменьшить результирующую температурную нестабильность напряжения стабилизации по крайней мере на половину порядка величины. На основе теоретического анализа сформулированы требования к компонентам схемы, генерирующей квадратичное напряжение, которые доказывают реализуемость метода на практике.

4. Показано, что реализация рентабельного производства возможна только с применением регулировки величин напряжения стабилизации и температурного коэффициента напряжения стабилизации. Предложены и обоснованы методы «внутренней» и «внешней» регулировки. При этом практически все выпускаемые приборы будут соответствовать требованию асх < 0.005 %/°С, а дорогостоящая операция измерения ТКН исключается.

5. На основе комплексного анализа типовых технологических процессов и специфических требований, предъявляемых к операциям изготовления прецизионного интегрального стабилитрона, предложена и опробована в производстве технология изготовления интегрального прецизионного стабилитрона с регулировкой величин напряжения стабилизации и температурного коэффициента напряжения стабилизации.

Выбран и экспериментально обоснован набор специальных технологических операций геттерирования, обеспечивающих получение биполярных транзисторов с требуемыми значениями коэффициентов усиления тока (ßnpn > 250, ßpnp > 30). Экспериментально подтверждена воспроизводимость рассчитанных значений параметров.

6. Исследование электрических и температурных характеристик образцов опытных партий приборов показало разумное соответствие экспериментальных результатов теоретическим выводам, полученным в работе. Подтверждены значения ожидаемых параметров приборов, а именно:

Напряжение стабилизации Uct = 2.49В ±2%;

Дифференциальное сопротивление гст < 1.5 Ом;

Температурный коэффициент напряжения стабилизации в диапазоне рабочих температур от -60 до 125 °С не более 0.005 %/°С при условии применения «внутренней» подстройки напряжения стабилизации.

Сравнительный анализ показал, что по основным техническим характеристикам разработанный прибор соответствует лучшим зарубежным образцам. Однако, чтобы перекрыть весь диапазон параметров зарубежных приборов, требуется проведение дополнительных исследований для уменьшения величины начального тока стабилизации до уровня не более 10 мкА.

1. В.К. Аладинский, В.А. Овчинников и др. Новое поколение ультрастабильных прецизионных стабилитронов // Измерительная техника. 1996. - №11. - С.44.2. 1999 SEMI CIS Executive mission and exhibit // May 17-19 Moscow 1999

2. Перельман Б.JI. Полупроводниковые приборы. Справочник. -«Солон». «Микротех». 1996. - С. 176.

3. J. Michejda, Suk К. Kim. A precision СМОР bandgap reference // IEEE J. of S.-S. C. 1984. - V. SC-19. - №6. - P. 1014-1022

4. Сектор электронных компонентов. Россия-99. Справочник. М.: - Изд-во «Додека». - 1999. - 1440 с.

5. Микросхемы для аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Справочник. М.: - Изд-во «Додека». - 1997. -354 с.

6. Полупроводниковые приборы, диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник. под ред. А.В. Голомедова. -М.: - Радио и связь. - 1989. - 302 с.

7. Linear application handbook. National Semiconductor. 1992. - P. 890

8. W. Shokley, W.T. Read, Jr. Statistics of the recombination of holes and electrons. // Phys. Rev. 1952. - V.87. - №5. - P. 835-842.

9. Драпкин О.М. Нелинейность температурной зависимости напряжения пробоя термокомпенсированных стабилитронов. // Электронная техника. 1981. - серия 2. - вып. 6 (149). - С. 74-79

10. Dance Mike. Voltage reference devices guarantee! temp coeff. and drift. // Electronics Industry. - 1982. - P. 37-39

11. Драпкин О.М. Зависимость температурного изменения напряжения стабилизации от плотности рабочего тока. // Электронная техника. 1983. - Серия 2. Полупроводниковые приборы. - вып. 4(163).-С. 87-88

12. Фидлер Дж. К., Найтингейл К. Машинное проектирование электронных схем. Пер. с англ. М.: Высш. школа, 1985. 216с.

13. Carl R. Palmer and Robert С. Dobkin. Accurative corrected micropower voltage reference. // National Semiconductor Corp. IEEE International SSC Conference. - 1981. - P.342

14. New releases data book. Maxim. 1996. - V. 5. - P.475

15. M. Драпкин, И.С. Кирюхин, B.M. Халикеев. Температурнаякомпенсация низковольтного интегрального стабилитрона. // Электронная техника. 1988. - Серия 2, полупроводниковые приборы. - Вып. 4 (195). - С. 96-98

16. М.К. Achuthan. Analysis of AC and transmit properties of junction transistors through the concept of complex lifetime. // Int. J. Electron. 1970 - V. 28. - P. 271-290

17. Назаров Ю.В., Воробьев Е.П., Данилов P.B. Интегральные стабилизаторы напряжения. М.: - НПФ «Зелтек». 1993. - 240с.

18. Dobkin R.C. On-chip heater helps to stabilize monoltthic reference zener. //Electronics. 1980. - Sept. 16. - P. 106-112

19. Драпкин O.M., Шмат B.K. Электротепловое взаимодействие между элементами интегральных схем. // Электронная техника.1982. Серия 2, Полупроводниковые приборы. - Вып. 4 (155). -С. 56-63

20. Power IC's data book. National Semiconductor. 1993. - P. 320

21. С. Соклоф Аналоговые интегральные схемы. Пер. с англ. М.: -Мир.-1988.-470с.

22. Аладинский В.К., Барышников Д.А., Соляр В.Г. Расчет нелинейности температурной зависимости прямого напряжения р-п перехода. // Электронная техника. 1986. - Серия 2, Полупроводниковые приборы. - Вып. 4 (155). - С. 3-5

23. D. Ch. Van Maaren, J. Klijn and G.C.M. Meijer. An integrated mi-cropoiwer low-voltage temperature controlled oscillator. // IEEE J. of S.-S. C. -1982. V. SC-17. - P. 1197-1201

24. G.C.M. Meijer, A.J.M. Boomkamp andR.J. Duguesnoy. Precision temperature sensor. // IEEE J. of S.-S. C. 1988. - V. SC-23. - P. 1405-1410

25. James L. Dunkley, S. Daniel Kang. Modular bipolar analysis. // IEEE Trans, on ED. -1978. V. ED-25. - № 3. - P. 294-306

26. S. Chou. An investigation of lateral transistors d.c. characterisics. // Solid-State Electron. 1971. - V.14. - P. 811-826

27. K.N. Bhat, M.K. Achuthan. Current gain enchancement in lateral p-n-p transistors. // IEEE Trans, on ED. 1977. - V. ED-24. - № 3. -P. 200-206

28. Boylestad R., Nashelsky L. Electronic Devices and circuit theory. // Prentice-Hall. 1982. - P.346

29. G.C.M. Meijer and K. Vinderling. Measurement of the temperature dependence of the IC(Vbe) characteristics of integrated bipolar transistors. // IEEE J. of S.-S. C. 1980. - V. SC-15. - P. 237-240

30. G.C.M. Meijer. Integrated circuits and components for bandgap references and temperature transducers. // Ph. D. dissertation. Delft University of technology. - The Netherlands. - 1982. P. 150

31. Tsividis J.P. Accurate analysis of temperature effects on IC-Vbe characteristics with application to bandgap reference sources. // IEEE J. of S.-S. C. 1987. - V. SC-8. - № 3. - P. 222-226

32. Surinder Krishna. The influence of post-emitter processing on the current gain of bipolar transistors. // EEEE Trans, on ED. 1982. -V.ED-29.-№3.-P. 430-435

33. Технология СБИС. В 2-х кн.: Пер. с англ. Под ред. С. Зи. М.: Мир-1986. -Кн. 1. -453с.

34. V. Gheorghiu, A. A. Valid-Maior. Optimum design of two cascaded peaking current source. // IEEE J. of S.-S. C. 1981. - V. SC-16. -№4.-P. 105-107

35. Design-in reference manual. Analog Devices. - 1994. P. 184

36. Linear data book. Linear Technology. - 1995. - P.426

37. Ulf Chindel. An extended Gummel-Poon model for an extreme range of temperature. //IEEE J. of S.-S. C. 1984. - V. SC-19. - № 2.1. P. 98-101

38. W. Bludau, A. Onton and W. Heinke. Temperature dependence of bandgap of silicon. // J. Appl. Phys. -1974. V. 45. - P. 1846

39. J.W. Slotboom and H.C. de Graaff. Bandgap narrowing in silicon bipolar transistors. // IEEE Trans, on ED. 1977. - V. ED-24. - № 8. -P. 112-115

40. Маллер P., Кейминс Т. Элементы интегральных схем.: Пер. с англ. М.: Мир. - 1989. - 630 с.

41. Farris D. Mallone. The Early Voltage of a Bipolar Transistors. // IEEE Trans, on ED. 1977. - V. ED-24. - № 2. - P. 167-168

42. B.L. Hart and R.W.S. Barker. Modified current mirror with a "voltage following" capability. // Elektron. Lett. - 1982. - V. 18. -P. 970-972

43. У. Тилл, Дж.Лаксон. Интегральные схемы: Материалы, приборы, изготовление.: Пер. с англ. М.: Мир. - 1985. - 302с.

44. М.К. Achuthan and K.N. Bhat. Effect of base geometry on volume recombination in transistors base and on the transistor current gain factor. // Int. J. Electron. 1974. - V. 37. - P. 177-197

45. W.C. Dillard and R.C. Jaeger. The temperature dependence of the amplification factor of bipolar-junction transistors. // IEEE Trans, on ED. 1987. - V. ED-34. - № 1. - P. 58-68

46. Surinder Krishna and Amolak Ramde. A simple technique for improving lateral p-n-p transistor performance. // IEEE J. of S.-S. C. -1982. V. SC-17. - № 4. - P. 781-782

47. БроудайИ., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии.: Пер. с англ. М.: Мир. - 1985. - 496 с.

48. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справочник. -М.: Радио и связь. - 1991. - 357с.

49. А.С. Van Der Woerd, Joop P.M. Van Lammeten. Calculation of the resistance value of laser-trimmed planar resistors. // IEEE J. of S.-S. C. 1984. - V. SC-19. - № 4. - P. 215-218

50. Мейдза Ф. Интегральные схемы, технология и применение. М.: Мир.-1981. 383с.

51. J.M. Harris, R.J. Blattner, I.D. Ward, С.A. Evans. Solid-phase crystallisation of Si films in contact with Al layers. // J. Appl. Phys. 1977. - V. 48. - P. 2897

52. G.C.M. Meijer. Thermal sensors based on transistors. // Sensors and actuators. 1986. - V. 10. - P. 103-125149

53. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 2-х т. Т1. -Пер. с англ. - М.: Мир. -1986. - 598с.

54. Дранкин О.М., Наградова JI.B., Халикеев В.М., Кирюхин И.С., Прецизионный источник опорного напряжения, Авторское свидетельство №1563456, Заявка № 4486840, Приоритет изобретения 26 сентября 1988г.

55. G.C.M. Meijer. А 1С temperature transducer with intrinsic reference. // ШЕЕ J. of S.-S. C. 1980. - V. SC-15. - P. 370-373

56. Драпкин O.M., Наградова JI.B., Халикеев B.M., Кирюхин И.С., Прецизионный низковольтный опорный стабилитрон, Авторское свидетельство №1653445, Заявка № 4753240, Приоритет изобретения 25 сентября 1989г.

57. J.D. Last, D. W. Lucas and G.W. Sumerling. A numerical analysis of the D.C. performance of small geometry lateral transistors. // Solidstate Electron. 1974. - V. 17. - P. 1111-1118

58. Драпкин O.M., Наградова JI.B., Халикеев B.M., Кирюхин И.С., Прецизионный низковольтный интегральный стабилитрон, Авторское свидетельство №1483442, Заявка № 4330487, Приоритет изобретения 23 ноября 1987г.

59. О внедрении результатов, полученных в диссертационной работе И.С. Кирюхина «Разработка и исследование интегральных прецизионных стабилитронов с регулируемыми выходными характеристиками» .

60. При работе над диссертацией, И.С. Кирюхиным предложена и внедрена в производство технология изготовления прецизионного интегрального стабилитрона с регулируемым напряжением стабилизации и температурным коэффициентом напряжения стабилизации (ТКН).

61. В результате проведенной работы было освоено производство нового типа прецизионных стабилитронов ИС251 (ТТ3.369.146) со следующими параметрами:

62. Напряжение стабилизации 2.5 В ±2% и 5.0 В ±2%;

63. Дифференциальное сопротивление не более 1.5 Ом;