автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Схемно-топологическая оптимизация элементной базы аналоговых и аналого-цифровых БИС/СБИС частного применения



Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ.ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи Для служебного пользования 5 КЗ ■ N

Инв.Ы 33/55?, ДСП

ДВОРНИКОВ Олег ^Владимирович

СХРМНО-ТОПОЛОГНЧЕСКЛЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ ВДЗЙ АНАЛОГОВЫХ Н АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ БИС/СОК ЧАСТНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Специальность: 05.27.01 - Твердотельная электроника,

микроэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1994

Работа дополнена в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники и Минском научно-исследователь а-приборостроительном институте

¡¡аучшш руководитель - кандидат технических наук, доцент

: Алексеев В.Ф.

Официальные оппоиеиш - академик Российской ИГА, доктор технических наук, профессор Корячко В.П. кандидат технических наук, доцент Ширипов В. Я.

Ведущая организация -. Производственное объединение "Горизонт"

Защита сосшншЫ " 29 " июня 1994 года в 14.00 часов на заседании специализированного совета К.055.05.02 по присуждена ученой степени кандидата,технических наук в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники -£20027,г.Минск,ул.П.Бровки,6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета,

Автореферат разослан мая 1994 года.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, А I

доцент 11у{ А. II. Ткаченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

актуальность темн. Развитие современной микроэлектроники приводит к постоянному увеличен™ степени интег рации интегральных схем (.ИС), чго объясняется существующей тенденцией к увеличению сложности ИС и снижению стоимости каждого интегрального элемента в составе микросхемы. Данная тенденция привела к замене в последние 5-10 лет многофункциональных аналоговых ИО малой и средней степени интеграции на аналоговые (А) и аналого-цифровые (АЦ) большие и сверхбольшие интегральные схемы (ШС/СВИС) частного применения.

Однако разработка А и АЦ БИС/СВИС затруднена, с одной стороны , существенным увеличение затрат и времени проектирования годного изделия, а, с другой стороны, худшими статическими параметрами изделий, обусловленными особенностями существующей элементной бапи современных БИС/СБИС.

Совокупность допустимых сроков проектирования и затрат достигается только при автоматизации самого сложного этапа разработки А и АЦ ЕИС/С'БИС частного применения - разработки топологии. Наиболее успешным подходом к разработке топологии является использование схемно-топологических фрагментов.

Улучшение статических параметров БИС/СБИС получают при постоянном совершенствовании технологических процессов, модернизации схемотехнических решений, конструкций интегральных элементов и топологии фрагментов.

Диссертационная работа направлена на разработку и оптимизацию схемко-топологических фрагментов и интегральных элементов для по лучения малых статических погрешностей.

Полью работы является комплексное исследование и разработка конструктивно-топологических и схемотехнических методов уменьшения статических погрешностей аналоговых ИС, проектирование интегральных элементов и схемно-топологических фрагментов для прецизионных ИС и исследование их параметров.

Основные задачи исследования.

1. Обобщение и анализ осноеных схемотехнических и конструктивно топологических решений Л и АЦ БИСУСВИС! для определения источников статических погрешностей.

Разработка физико-математических моделей, описывающих разброс характеристик интегральных п-р-п транзисторов в зависи

мости от конструктивно - топологических параметров, н физико - математических моделей для расчета статических параметров и погрешностей основных аналоговых блоков и узлов с учетом разброса параметров элементов, конечного значения коэффициента передачи тока, эффекта Зрли.

3. Разработка схемотехнических решений аналоговых блоков и конструкций полупроводниковых приборов для А и АД БИС/СБИС с малы ми статическими погрешностями.

4. Опытно-промышленная апробация разработанных схемно-топологических фрагментов и интегральных элементов в прецизионных аналоговых и аналого-цифровых БИС/СВИС частного применения измерительной техники. Экспериментальные исследования модернивированной зле ментной базы.

Мелюды исследования. В процессе выполнения работы были использованы: аналитические методы расчета транзисторных схем; моделирование электрических схем микроэлектронных блоков на ПЭВМ; ана литический и машинный расчет топологии активных и пассивных элементов БИС/СБИС; автоматизированные методы разработки топологии элементов ИС на ЭВМ типа И30Т-1092С; экспериментальные исследования интегральных элементов и схемно-топологических фрагментов, выполненные с применением современных методик и радиоизмерительных средств.

йа/чвая иовиана работ.

1. Разработана физико-математическая модель, описывающая ста тические параметры и погрешности основных аналоговых блоков и узлов и отличающаяся от известных учетом разброса параметров биполярных транзисторов (БТ), конечным значением коэффициента передачи тока БТ и его зависимостью от эффекта Эрли.

2. Разработана физико-математическая модель для определения разброса характеристик БТ с учетом влияния конструктивно-топологических параметров, а также рабочего тока и объемных сопротивлений областей БТ.

3. Разработаны конструкции полупроводниковых щшиоров и интегральных защитных элементов для уменьшения статических погрешностей. Предложены оригинальные схемотехнические решения, уменьшающие статические погрешности А и АЦ БИС/СЕИС частного применения.

4. Предложены новые методики для схемно-топологическсй оптимизации:

- проектирования схемно-топологических фрагментов, отличающиеся от известных выделением приоритета в разработке топологии при наличии взаимоисключающих требований:

- схемотехнического моделирования , включающая подход к идентификации параметров модели, порядок моделирования, правила поиска не работающих элементов КС, выбор рабочей точки, учет особенностей интегральных аналоговых схем.

5. Проведены сравнительные экспериментальные исследования деградации статического и дифференциального коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером при пробое змиттерного перехода при наличии и отсутствии интегрального защитного элемента. .Показано, что при наличии защитного элемента деградация коэффициента усиления начинает наступать только при малых токах эмиттера менее 0,3 мА, но крайне мала и составляет 4-5 а при отсутствии защитного элемента в тех : же условиях - 70-90 %. Проведено экспериментальное определение напряжения Эрли транзисторов современных БИС/СБИС. Напряжение Эрли составляет 15-50 В , а для СВЧ -транзисторов 10-£0 В.

Праюшческая ценность работ. На основе полученных физико-математических моделей и разработанных методик проведена схемотехническая и топологическая оптимизация схемно - топологических фрагментов.

Разработанные схемно-топологические фрагменты позволили существенно уменьшить статические погрешности радиоиэмерительной аппаратуры за счет:

- согласования п-р-п транзисторов по напряжению эмиттер-база лШэ =(80-140) мкВ, по коэффициенту усиления тока в схеме с обшим

эмиттером >0.99, в то время как серийно выпускаемые изделия

имеют д6)5э <1-3 мВ; > 0.92-0.95 (авт.свид. 1431621,

авт.свид. 1561755); \ьг ■

- уменьшения деградации коэффициента усиления тока при пробое змиттерного перехода БТ с 70-90 % до 4-5 % (авт.свид. 1611171, положительное решение по заявке на авт.свид. 4902229/25);

- уменьшения разбаланса выходного напряжения токовых усилителей с 10 до 3 мВ (авт.свид. 1431621, авт.свид. 1561755) ;

- уменьшения напряжения смещения быстродействующего компаратора до 2 мВ (авт.свид. 1350542, авт.свид. 1254984);

- уменьшения погрешности преобразования высокоточного преобразователя с 0.2 до 0.06 % (авт. свид. 1431621, авт.свид. 156175Б, авт.свид. 1709229);

- уменьшения напряжения смещения дифференциального усилителя с полевыми транзисторами, управляемыми р-п переходом, (ПТУП) с 20 до 15 мВ (авт.свид. 1385255);

- уменьшения искажений в двухтактном выходном каскаде.в 2 раза (авт.свид. 1375074);

- уменьшения входного тока смещения дифференциального усилителя на БТ с активной нагрузкой более, чем в 10 раз (авт.свид. 1251290).

Реализация и виедрение результатов работ. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематикой важнейших работ Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (БГУИР) и Минского научно-исследовательского приборостроительного института (МНИЛИ), которые являлись.составной частью работ Отраслевой аппаратурной комплексно-целевой программы по развитию микроэлектроники Министерства промышленности средств связи (АКЦП "Мера", книга 3),;составной частью программ работ "Метрология" на 1992-95 гг, и "Белэлектроника" на 1993-1995 гг. Республики Беларусь.. '

Разработанные схемно-топологические фрагменты были использованы в изделиях 588 ВА2дК0.347367.10; НТ011 Tr3.45P.0ul; НТ014 УШИ.431412.007; ШЮ17 УШИ. 431321.001; УР035 УШЯИ.431136.004 ; УД027 УШЯИ.431136.002 ; УП051; УЕ014.

Кроме того, результаты работы использовались для оптимизации кристаллов ь рамках ОКР "Юнона-2", НИР "Юность-4", ОКР "Юность-4", ОКР "Анапа", ОКР "Юность-БМ", в трех госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводимых в БГУИР, ь учебном процессе БГ:'ИР в дгух курс;» лекций.

' Научная и пршшичоская ценность получе)1них в диссертационной работе результатов, подтверждается актами использования их в Минском научно-исследовательском приборостроительном институте, . белорусском государственном университете информатики■и радиоэлектроники . Результаты работы испслььуются в учебком процессе ь

курсах лекций "Фшмческие основы микроэлектроники" и "Методы елемотехничесжого проектирования БИО с использованием СЛИР".

Основные палогения, ьшюашич пя пящту:

1. Физико-математическая модель, описывающая статические параметры и погрешности дифференциального каскада с активной нагрузкой. токового усилительного элемента Джильберта, ИОКЗ С двойным логарифмированием сигнала с учетом малого значения коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером , напряжения Эрли, реаль ного разброса характеристик СТ, включающего влияние объемных сопротивлений.

С. Физико-математическая модель для определения разброса характеристик БТ с учетом влияния конструктивно- топологических параметров, а также рабочего тока и объемных опротивлений областей БТ.

3. Конструкция полупроводниковых' приборов и их межсоединений, позволяющая получить идентичные характеристики нескольких интегральных элементов на одной полупроводниковой подложке. Конструкции п-р-п ЕТ с защитными элементами, имеющими малое шунтирующее влияние, минимальные шумы и сохраняющими свои характеристики при многократном срабатывании.

4. Новые схемно-топологические решения для быстродействующ« А и АЦ БИС/СБИС с минимальными статическими погрешностями: дифференциальный усилитель на БТ с компенсацией входных токов и активной нагрузкой, дифференциальный усилитель на ПТУП с симметричной активной нагрузкой, биполярный высокоскоростной и высокоточный компаратор, двухтактный выходной каскад, высокоточный преобразователь переменного напряжения произвольной формы в постоянное по уровню среднеквадратического значения (ПСКЗ).

5. Методики проектирования прецизионных аналоговых блоков, включающие аналитические выражения для статических параметров и погрешностей; численный расчет параметров и погрешностей; определение наиболее критичных факторов; формулировку требований к пл'-жтропараметрам; выработку приоритетных направлений в топологии.

Методика схемотехнического моделирования фрагментов БИС в Pspi.ce, включающая четырехступенчатый подход к идентификации параметров модели БТ; перядок моделирования; правила поиска не работающих элементов, выбора рабочей точки; учет топологических возможностей реализации активных и пассивных элементов.

6. Экспериментальные зависимости напря. эяия 'Эрли от конструктивных параметров п-р-п транзисторов . овременных аналоговых БИС/СВИС.

Зависимости уменьшения коэффициента передачи тока а схеме с общим эмиттером п-р-п ВТ при пробое эмиттерного перехода при отсутствии и наличии защитного элемента.

Апробация работ. Основные положения работы были доложены и обсуждались на 2-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Формирование оптического изображения и методы его обработки" (Кишинев, 1985 г.), Всесоюзном симпозиуме "Проблемы радиоизмерительной техники" (Горький, 1989 г.), Международной конференции "Микро-электроника-90" (Минск, 1990 г.), отраслевой НТК "Новые технологии изготовления изделий микроэлектроники и эффективность их применения в РЭА" (Саратов, 1938 г.), Научной конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, докторантов, аспирантов, студентов, посвященной 30 - летию деятельности коллектива БГУР (Минск,1994).

Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы в 20 статьях, 3 тезисах и материалах докладов, 7 отчетах о НИОКР, 9 авторских свидетельств и 1 положительном решении на авт.евид.

Структура и объем рзбош. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 246 е., в том числе 141 с. машинописного текста, 80 рисункоЕ и 11 таблиц, приведенных на 72 с.., список литературы из 154 наименований на 15 с..приложения на 18 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель и задачи исследований, изложена научная новизна и практическая ценность работы.

В нерпой главе дак анализ общих тенденций развития нового масса функционально-сложных изделий - аналоговых и аналого-цифровых БИС/СБИС, при атом рассмотрены экономические, технологические, схемотехнические и конструктивные проблемы их реализации. Показано, что для рассматриваемых в диссертационной работе прецизионных

быстродействующих и широкополосных АЦ БИС/СБИС наиболее применима биполярная технология.

Приведена классификация конструктивно-технологических. осебен-иог.тей биполярных А и АД БИС/СБИС и показана их связь с погрешностями и статическими параметрами аналоговых блоков и узлов..

Существующая тенденция вертикального и горизонтального уменьшения размеров ЕТ современных БИС/СБИС приводит к появлению ряда ограничительных факторов: невысокому значению коэффициента передачи тока б схеме с общим эмиттером; уменьшению выходного дифференциального сопротивления БТ (напряжения Зрли - иа); большому разбросу параметров активных и пассивных элементов; низкому пробивному напряжению всех переходов и промежутка коллектор - .эмиттер; высокому объемному. сопротивлению полупроводниковых областей и связанному с ним шуму, - которые непосредственно влияют на погрешности А блоков.

Погрешности аналоговых блоков и узлов можно разделить на случайные, обусловленные шумами; динамические, связанные с высокочастотными составляющими спектра входного сигнала; статические, проявляющиеся на постоянном токе и самых низких частотах. Последние включают аддитивные и мультипликативные погрешности, а. таюг.е погрешности, вызываемые элементами обратной связи.

Рассмотрены наиболее часто используемые схемотехнические решения для уменьшения статических погрешностей дифференциальных каскадов, токовых зеркал, выходных каскадов, специализированных блоков радиоизмерительной техники. Приведены соотношения для расчета статических параметров и погрешностей, указаны недостатки технических решений .

Получено аналитическое выражение, связывающее входное напряжение дифференциального каскада на ПТУП с разбалансом токов стока в рабочей точке и показывающее влияние на напряжение смещения разброса параметров ПТУП и неидеальности активной . или рсзистиБНОЙ нагрузки.

При анализе проблемы защиты А блоков от электрических перегрузок установлены основные виды перегрузок.

Обоснована .актуальность защиты от электрических перегрузок входных каскадов современных прецизионных аналоговых БИС/СБИС. Проанализированы сведения о технических приемах, устраняющих влияние электрических перегрузок, сформулированы требования к

• интегральному защитному элементу (ИЗЭ), кцторый должен иметь: напряжение срабатывания на 1-2 В меньше, чем напряжение пробоя основного ВТ; минимальную площадь; совместимость с технологическим процессом изготовления БИС/СБИС; сохранение свойств при многократном срабатывании; минимальное влияние на параметры основного БТ. .

Приведены соотношения.описывающие влияние ИЗЭ , подключенного параллельно любому переходу либо промежутку коллектор-эмиттер, на параметры БТ.

Рассмотрены особенности интегральных элементов современных А и АЦ ЕИС/СБИС. Особое внимание уделено разбросу параметров БТ. Приведены соотношения для расчета разброса БТ по статическому коэффициенту передачи тока в схеме с общим эмиттером, прямому падению напряжения на эмиттерном переходе, описаны конструкции идентичных по параметрам интегральных элементов. Установлены основные факторы, вызывающие разброс характеристик интегральных элементов: различие линейных размеров элементов, радиальный разброс концентрации и глубины залегания примеси.

На различие параметров существенно влияют и конструктивные. факторы: температурные градиенты, возникающие при работе БИС/СБИС, падение напряжения на оммических контактах, пьезо-реэистивный эффект.

Пьезо-резистивный эффект проявляется в зависимости .коэффициента передачи тока, прямого падения напряжения на змлгтерном переходе БТ, сопротивления полупроводниковых слоев от величины механических, напряжений, возникающих при производстве ИС. Механические напряжения вносят высокотемпературные процессы диффузии, окисления, эпитаксии, а также разделение пластины на кристаллы, присоединение гибких проводников, посадка кристалла на основание, корпуса. Наиболее сильно влияют на разброс параметров механические напряжения, возникающие при герметизации.кристалла полимерами.

С учетом изложенного обоснованы основные направления исследований.

Вглорая глава посвящена разработке физико - математических моделей для схемотехнической оптимизации и модернизации основных аналоговых блоков для уменьшения статических погрешностей. Подуче на Физико-математическая модель, описывающая статические параметры и погрешности основных аналоговых блоков и углов.

Напряженно смещения (Чем.а,) и разность бходкых токов (л1вх.а)

дифференциальною каскада с активной нагрузкой :

г НтЬ эПП ГРг 1 + а' Ыг«.а = <!ч>г —гг—+<2 Уг см-------тпг--Яр

иа 1г [р1 ц 1

Л

гГ

л Шар

(1)

(2)

где Ч? - температурный потенциал,

Но. . - напряжение Эрли,

и 1г5|, - напряжение на коллекторном переходе 1-го транзистора, , ' - статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эммитером 1-го транзистора при напряжении на коллекторном переходе равном 1)кб и нулю соответственно (коллектор первого транзистора соединен с входом токового зеркала (ТЗ) активной нагрузки), К - коэффициент передачи токового зеркала активной нагрузки,

Л - реальный разброс падения напряжения на

змигтерных переходах дифференциальной пары с учетом различия обратных токов насыщения, объемных сопротивлений базовой и эмигтерной областей, 1о " еыходной ток генератора стабильного тока.

Напряжение разбаланса токового усилительного элемента Джиль-берта (рис. 1) :

^ л и у.

(4?

А

>•*' ь

I

IV

(6)

У =——-ель-<-—

N/,3 *ъ Г ^

где йЦ^ - напряжение разбаланса, т.е.выходное, дифференциальное напряжение при отсутствии входного дифференциального сигнала,

Йн - сопротивление коллекторной нагрузки, с^и - статический коэффициент передачи тока 1-го транзистора в схеме с общей базой, ■Iк1 - коллекторный ток 1-го транзистора, ■ "й- управляющее коэффициентом передачи напряжение, = коэффициент перераспределения тока <1 между 1-тым Д-тым транзистором.

■ Определены условия,, при которых справедливы полученные соотношения:

- для (1) и (2) предполагается равенство напряжения Эрли п-р-п и р-п-р транзисторов; зависимость Коэффициента передачи тска от напряжения в виде р= •

- для выражения (4) предполагается равенство номинал-

коллекторных резисторов.

Полученные выражения (1)-(7) отличаются от известных тем,

что:

- выражения (1), (2) учитывают влияние эффекта Эрли (11а), конечное значение коэффициента передачи ТЗ активной нагрузки (К), разброс параметров реальных транзисторов с учетом различного объемного сопротивления базы , эмиттера ВТ дифференциальной пары и внешних резисторов в цепи базы и эмиттера,

- выражение (4) учитывает конечное значение коэффициента передачи тока и реальный разброс параметров БТ.

Для электропараметров типовых технологических процессов проведен численный расчет, составлены графики и таблицу статических параметров, погрешностей и их составляющих по выражениям (1)-(V), погрешностей и коэффициентов влияния ПСКЗ на основе двойного логарифмирования, коэффициентов передачи ТЗ. Полученные результаты позволяют: определить наиболее критичные факторы, вызывающие максимальную погрешность; сформулировать требования к электропараметрам элементов; выработать конкретные рекомендации по разработке топологии, а при наличии взаимоисключающих требований выделить приоритеты в разработке топологии.

Разработан новый класс схемотехнических решений для быстродействующих и широкополосных БИС/СБИС с малыми статическими погрешностями: дифференциальный усилитель с активной нагрузкой и компенсацией входного тока; дифференциальный усилитель на ПТУП с симметричной активной нагрузкой; биполярный высокоскоростной компаратор напряжения с минимальным напряжением смещения нуля; двухтактный выходной каскад; преобразователь ' ПСКЗ с предельно малой погрешностью преобразования.

Для схемотехнических решений получены аналитические выражения параметров, вызывающих статические погрешности, выработаны рекомендации по уменьшению погрешностей, сформулированы требования к электропараметрам интегральных элементов и особые требования к проектированию топологии, конструкции ИС. Для специализированных блоков радиоизмернтельной аппаратуры (РИЛ) большая часть аддитивных погрешностей устраняется уменьшением разброса параметров п-р-п БТ, мультипликативные погрешности ПСКЗ уменьшаются за счет схемотехнической модернизации, а усилителя. Джильберта - проектированием топологии с выработанными приоритетами.

Приведены рекомендации по разработке хекотсхнических решений с минимальными статическими погрешностями.

В третьей главе рассмотрена модернизация интегральных элементов и топологии аналоговых блокоь и узлов. Разработана физико -математическая модель для определения разброса характеристик ЕТ:

¿р _ aftsS йХЭ JX6 t аЗГ6 Уэ

р fisb .

л И^ ,п ь %s5 г ,\D Т bftsS - п bRsx л-Чэ эгз ,

Л % *+М R3-ft73 - ^r -s7-Л -¿г

+ (в)' згз-лгэ Кэ N 5

где fisS, ■ удельное сопротивление слоя р-базовой и п+ эмиттерной области соответственно , Ом/квадрат,

Л разброс удельного сопротивления слоя,

XBj^S ' глубина залегания п* эмиттерной и р-базоьсй области,

дзСз^а^ - разброс глубины залегания,

5 э - плошадь эмиттера,

- разброс площади эмиттера,

К"э, KS - коэффициент формы, определяющий сопротивление эмиттерной и базовой области, Кб - разброс коэффициента формы,

- объемное сопротивление базовой и эмиттерной ооласти. Соотношения (8) и (9) получены для одинаковых температур ВТ в

предположении, что БТ работает в нормальном активном режиме; ш -фактор, характеризующий отклонение вольтамперной характеристики (ВЛХ) от идеальной, равен 1; напряжение ;

рекомбинацией в области активной и пассивной базы можно пренабречь по сравнению с инжекцией дырок из базы в эмиттер. Отличие (3) и (9) от известных соотношений состоит в учете слияния основных конструктивно-топологических параметров и режима работы БТ по току. Применение полученных соотношений (8), (9) позволило сформулировать требования к типовой структуре для уменьшения разброса характеристик п-р-п БТ и сделать.вывод о том, что с точки зрения топологии, уменьшение разброса параметров п-'р-п БТ противоречит улучшению частотных свойств.

Предложена конструкция полупроводникового прибора с эдентичшлш характеристиками и конструкция межсоединений, позволяющая повисит!, точность совпадения суммарных сопротивлений межсоединений между парами соединенных элементов.

Конструкция приборов с идентичными параметрами и межсоединений попользовалась во всех схс-ино-топологических фрагментах с прецизионными параметрами: НОЮ, усилителе Джильберта, операционном усилителе с малым напряжением смещения, сверхсогласзванной четверке п-р-п БТ. Для усилителя Джильберта на основе выполненного расчета погрешностей были хиработапы приоритетные направления в разработке толелогчи.

Предложен способ расположения вариантов топологии на фотошаблоне, уменьшающий разброс ¿ТОН по напряжению затвор-исток и начальному току истока.

Для различных модификаций технологического процесса разрайо таны конструкции п р-п Ь'Т со встроенным ИЗЭ на основе: р< пI диода малой площади, шунтирующего эмиттерный переход; горизонтального гг р- п БТ с отсоединенной базой; вертикального п-р-п БТ с отсоеди ненной бавой V, р+ пои.легированием донной части эмиттера. Преимуществом последней конструкции является небольшой шунтирующий ток и паразитная емкость ЯЗЭ, минимальные шумы, возможность защиты эмит-терного п Коллекторного переходов БТ соответственно при инверсном и нормальном включении защитного элемента.

Рассмотрено влияние конструктивно-топологических факторов на шунтирующее действие защитных элементов. Проанализированы результаты модернизации интегральных элементов и топологических фрагментов .

и четвертой :главе рассмотрена оптимизация и опытно- промышленная апробация схемно-топологических фрагментов с уменьшенными статическими погрешностями .

Для высокоточного моделирования схем разработана четырехступенчатая методика определения параметров Рзрюе моделей БТ, включающая: непосредственное измерение параметров, измерение типовых схем включения транзисторов и грубую настройку параметров программой РАК'ТП, нагтройку модемных и измеренных зависимостей = (1-э, (Лб); Шэ= £Г= £г.(1э, в интерактивном

режиме работы с программой Р£р1се, настройку модельных и

1Ъ

измеренных амплитудно-частотных, переходных характеристик базовых схемотехнических решений.

Предложена инженерная методика схемотехнического моделирования фрагментов БИС программой Pspice, включающая подход к идентификации параметров модели, порядок моделирования, правила поиска неработающих элементов ИС, выбора рабочей точки, учет особенностей интегральных аналоговых схем при моделировании амплитудно-частотных характеристик и переходных процессов.

Схемотехническая оптимизация разработанных решений проводилась по критериям предъявляемым к их работе в аналоговой и аналого-цифровой системе с учетом . ограничений технологического процесса. Оптимизация выполнялась итерационным методом с помощью программы Pspice и разработанной четырехступенчатой методики определения параметров 'моделей, инженерной методики схемотехнического моделирования. При этом находили экстремум целевой функции в форме модуль-максимума. Следует отметить, что найденное при оптимизации решение является не глобальным, а локальным оптимумом.

Для разбросов конструктивно-топологических параметров по разработанным, в диссертационной работе физико-математическим, моделям оценивался разброс статического коэффициента передачи тока. и прямого падения напряжения на эмиттерном . переходе методом "наихудшего случая" , с использованием данного результата рассчитывали статические погрешности и параметры аналоговых узлов методом "наихудшего случая" и методом "коэффициентов влияния".

Топологическая оптимизация заключалась в выборе геометрии областей для обеспечения необходимых усилительных, частотных и нагрузочных характеристик, минимизации паразитных емкостей и объемных сопротивлений ва счет как различной компоновки кристалла, так и конструктивной модернизации активных и пассивных элементов. Для различных топологических вариантов определяли параметры паразитных элементов и проводили повторную схемотехническую' оптимизацию с учетом топологического исполнения.

Представлены результаты измерений схемно-топологических фрагментов, предназначенных для работы . в' аналоговых осциллографах с полосой пропускания 150, 250• МГц и малогабаритных вольтметрах среднего класса точности. .

Изучена деградация характеристик п-р-п БТ при пробое эмиттерного перехода током величиной 100 мкА, 1мА, 10 мА в течение времени 10 с, 100 с, 1000 с при отсутствии и наличии ИЗЭ.

Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером уменьшается примерно на 75-85 X, а дифференциальный на 65-75 % в наихудших условиях пробоя 1-10 мА, 1-1000 с без ИЗЭ. Для БТ с защитным элементом в тех же условиях изменение коэффициента передачи тока в схеме с обидам эмиттером при пробое эмиттерного перехода наступает только в микрорежиме 1з<100 мкА и не превышает 5% .

Изучена зависимость напряжения Эрли от конструктивных параметров интегральных п-р-п транзисторов. Уменьшение толщины апитаксиального слоя в 3 раза при неизменной толщине активной базы и постоянном удельном сопротивлении слоя базовой области приводит к уменьшению напряжения Эрли почти в 5 раз , которое составляет 20 В при толщине эпитаксиального слоя 4 мкм. Уменьшение Рзб до 200-400 ом/квадрат при неизменной толщине базового и коллекторного слоев (эпитаксиальный слой 4,0 мкм) путем увеличения концентрации вводимой примеси увеличивает напряжение Эрли до 40 В.

Для транзисторов БИС/СБИС формируемых на тонких эпитакси-альных слоях толщиной около 2 мкм определено допустимое удельное сопротивление слоя базовой области Р?зб-200-500 ом/квадрат, причем верхняя граница обусловлена необходимостью получения напряжения Эрли- иа>-20 В, а нижняя определяет допустимый коэффициент передачи тока болеее 100 и пробивное напряжение коллектор-эмиттер более 6,0 вольт.

Проанализированы результаты апробации схешго-топологических фрагментов и интегральных элементов .

В заключении приведены общие выводи по результатам диссертационной работы.

В приложении приведены: параметры моделей БТ и программы их настройки, результаты схемотехнического расчета некоторых модернизированных решений и топология фрагментов , акты внедрения и использования результатов диссертационной работы в промышленности и учебном процессе. "

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ГАВОТЫ

Основные результат! работы сводятся к следующему:

1.■Разработана физико-математическая модель, описывающая статические параметры и погрешности дифференциального каскада с ак тиыюй нагрузкой, токового усилительного элемента ДжильЗерта, ППКЗ с. двойным логарифмированием сигнала с учетом малого значения коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером , напряжения Зр-ли, реального разброса характеристик БТ, включающего ьлияние объемных сопротивлений.

2. Разработана физико-математическая модель для определения разброса характеристик Б'Г с учетом влияния конструктивно- топологических параметров, а татке рабочего тока и объемных сопротивлений областей БТ.

3. Теоретически обоснована, спроектирована и экспериментально апробирована конструкция полупроводникового прибора, позволяющая получить идентичные характеристики нескольких интегральных элементов на одной полупроводниковой подложке, и конструкция межсоединений для больших рабочих, токов.

4. Показано обострение проблемы защиты прецизионных каскадов современных : аналоговых БИС/СБИС от воздействия электрических перегрузок. Разработаны различные конструкция п-р-п БТ с. защитными элементами, имеющими малое шунтирующее влияние, минимальные шумы и сохраняющими свои характеристики при многократном срабатывании.

5. Разработаны, оптимизированы на ПЭВМ и экспериментально апробированы новые схемно-топологические решения для быстродействующих Л и АЦ БИС/СВИС с минимальными статическими погрешностями.

6. Разработаны методики проектирования прецизионных аналоговых блоков, включающие : аналитические выражения для статических параметров и погрешностей; . численный расчет параметров и погрешностей для типовых условий; определение? наиболее критичных факторов; формулировку требований к электропараметрам; выработку конкретных рекомендаций либо приоритетных направлений в топологии

7. Предложена инженерная методика схемотехнического моделирования Фрагментов БИС в Рзр1се, включающая четырехступенчатый под ход к идентификации параметров модели БТ; ' порядок, моделирования; правила поиска-не работающих элементов, выбора рабочей точки; учет топологических возможностей реализации активных и пассивных эле-

ментов; влияние интегрального исполнения на частотно-зависимые и передаточные характеристики:

8. Исследованы интегральные элементы современных аналоговых ЕИС/СЕИС!, Приведена зависимость напряжения Эрли от конструктивных параметров. Для, ВТ сформированных на эпитаксиальной пленке толщиной около 4 Mi см с одинаковой толщиной активной базовой области и одинаковым распределением примеси в базовой области, напряжение Эрли составляет'менее 20 В для Rs6^2...3 кОм/квадрат и увеличивается до 40 В при Rs6=200...400 Ом/квадрат, для эпитаксиальной пленки толщиной 2,0 мкм- Ua^20 В при Rs6=200...400 Ом/квадрат и üa= 12...15 В при Rs6=3 кОм/квадрат . Изучены свойства разработанного защитного элемента. Предложенный защитный элемент уменьшает падение коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером после пробоя приблизительна на 75-65 X в режиме больших токов и на 65-75 X при эмиттерном токе менее 100 мкА, токе пробоя 10 мА и времени пробоя 1000 с.

9. Разработанные схемно-топологические фрагменты внедрены в ряд серийно выпускаемых изделий 588ВА2 дКО.347367.10; ИТОН ТгЗ. 456.001; НТ0.14 УШИ. 431412.007; ПН017 УШЯИ. 431321.001 ; УРОЗЕ УШЯИ.431135.004.

Ословиие положения диссертации шиюаспи в следующих работах:

1. Дворников О.В., Алексеев В.Ф. Современное состояние, и тенденции развития аналоговых и аналого-цифровых БИС/СБИС/ БГ'УИР. Мн.:, 1994. - 8 с. - Деп. в БелНИИТИ N 1267874.

2. Дворников О.В., Любый Е.М. Особенности разработки топологии биполярных аналоговых и аналого-цифровых микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции// Техника средств связи. Сер.РИТ. - 1990. - Вып. 5. - С.65-71.

3. Дворников О.В. Проблемы проектирования топологии прецизионных аналоговых интегральных схем / МНИЛИ. - Мн.:, 1989. - 29 с.-Деп.в БИМИ 18.09.1989, N ДД1461.

4. Любый Е.М., Дворников 0.В...Шильцев В.А. и др. Исследова ние возможностей создания биполярных интегральных схем для микрсс-борок усилителя горизонтального отклонения и усилителя подсвета // Отчет о ПИР, гос. per. N У44928. - Мн.:, 1989. -131 е.

5. Дворников О.В., Алексеев В.Ф. Статические погрешности анл-

логових и аналого-цифровых БИС/СБИС'/ БГУИР. - Ми.:,1994. - 22 с.

- Ден. в БслНШГГИ N 12678021.

6. Воронин A.B., Горовой В.В., Дворников О.В.; Духновский Л.Я. Особенности создания высококачественных транзисторных структур аналого-цифровых БИС // Электронная техника. Сер.З. Микроэлектроника. - М.: ЦНИИ "Электроника". 1985. - Вып. 1 (117). C.22-2G .

V, Дворников О.В., Просандеев Д.Е. Схемотехнические особенности токовых "зеркал" линейных интегральных схем / МНИЛИ. - Мн.:, 1989. - 23 с. - Деп. в ВИМИ 29.06.1989, N ДД1453.

8. Дворников О.В., Шильцев В.А., Тнлиндус Т.А. и др. Разработка биполярной аналого-цифровой МСЧП усилителя подсвета на кремнии /V Отчет об ОКР, гос. per. N У56891. .- Мн.-:, 1991. - 45 с.

9..Дворников О.В., Реутович С.И., Миронов Е.С. и др. Исследование возможностей создания комплекта биполярных аналоговых МСЧП на кремнии для тракта вертикального отклонения перспективных моделей осциллографов // Отчет о НИР, гос. per. N У71247. - Мн. 1992. - 82 с.

10. Дворников 0.В., ЛюбыйЕ.М., Судник П.И. и др. Разработка согласованной четверки п-р-п транзисторов // Отчет о ОКР, гос. per. N У30734. - Мн.:, 1987. - 80 с.

11. Дворников О.В. Влияние рассогласования параметров полупроводниковых компонентов на основные характеристики дифференциальных каскадов // Передовой опыт.- М.:Ц00НГМ "ЭКОС". 1988. - Вып. 3.

- С. 31-36.

12. Авт.свид. , 1251290 (СССР). Дифференциальный усилитель / Белоус А.И., Горовой В.В., Дворников О.В. - Заявл. 10.08.84, опубл. 15.08.86. Вт. N 30.

13. Авт.свид. 1385255 (СССР)Дифференциальный усилитель / Белоус А.И., Дворников О.В., Просандеев Д.Е. . -Заявл. 15.11.85, опубл. 30.03.88. Бюл. N 12.

14. Авт.свид. 1360542 (СССР). Устройство сравнения / Белоус' А.И., Дворников О.В., Духновский Л.Я., Попов Ю.17. - Заявл. 10.07.85. .

15. Авт.свид. 1254984 (СССР). Источник тока / Горовой В.В. , Дворников О.В.,'Духновский Л!Я. - Заявл. 18.01.85.

16. Авт.свид. 1375074 (СССР). Усилитель мощности / Дворников О.В., Любыи Е.М. - Заявл. 29.12.85.

17. Дворников О.В., Серебряный В.С. Статические погрешности широкополосного усилителя на основе интегральной схемы пь'ремножп-телл Джильберта // Техника средств связи. Сер.РИТ. - 19и9. - Ьии. 4. - С. 56-62.

18. Авт.скид. 1709829 (СССР;. Преобразователь сроднькводрати чеикого значения переменного напряжения в постоянное / Дворников О.В., Мравьев В.Д. -Заявл. 23.01.90, опубл. 30.01.92, Бюл. N 4.

19. Дворников О.В., Муравьев В.Д.. Анализ схемы экспоненциально-логарифмического преобразователя для высокоточных вольтметров / МШШ. - Мн.:, 1991. -9 с. - Деп.в ВИМИ 17.01.1991, N ДД153Я.

20. Дворников О.В. Анализ конструктивно-технологических параметров, вызывающих рассогласование п-р п транзисторов // Техника средств связи. Сер,РИТ. - 1989. - Вып.4. - С. 50-56.

21. Авт.свид. 1431621 (СССР). Полупроводниковый прибор / Дворников О.В., Люоый Е.М. - Заявл. 18.06.86.

22. Дворников О.В. Интегральный биполярный транзистор с защитным элементом // В кн.: " Проблемы рздиоивмерительной техники". Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума. - М.: ЦООНТИ "ЙКОС", 1989. - С. 219.

23. Дворников О.В. Согласованные л-р-п транзисторы нечувствительные к механическим напряжениям / МНИГШ. - Мн.:, 198У. - 9 с. Деп.в ВИКА! 18.09.1989, N ДЦ1461.

24. Авт.свид. 1561755 (СССР). Интегральная микросхема / Шепу-рев С.К)., СудникП.И., Подковщиков Н.Н., Дворников О.В. - Заявл.25.01.88.

25. Мац И.Л., Дворников О.В. Согласование характеристик полупроводниковых приборов при их шюговарнангном исполнении / МНИЛИ. - Мн.:, 1989. - 7 с. - Деп.в ВИМИ 15.09.1989, N Д07996.

26. Авт. свид. 1611171 (СССР) . Интегральная схема / Мац И.Л.', Дворников О.В. - Заявл. 27.04.89.

27. Положит, решен, по заявке на авт. свид. 4902229/25 / Мац И.Л., Дворников О.В. - Заявл.14.01.91.

28. Дворников О.В., Симоненко И.Г. Сравнение основных методов определения электрических параметров интегральных биполярных транзисторов / МНИГШ. - Мн.:, 1990. -17 с. - Деп.в ВИМИ 8.05.1990, N Д08208.

29. Любый Е.М., Дворников O.B. Автоматизированное проектирование аналоговых и аналого-цифровых БИС/СБИС на основе элементов интегрированной базы данных // В кн. "Микроэлектроника-90". Доклады международной конференции. - Мн.:, 1990, Т.З. - С.104-106.

30. Дворников О.В. Защита интегральных транзисторов от ' воздействия электрических перегрузок /' МНИЛИ. - Мн.;, 1990.- 14 с. -Деп.В ВИМИ 4.09.1990, N ДД1Б34.

31. Алексеев В.Ф., Дворников О.В., Просандеев Д.Е. Способы уменьшения статических погрешностей интегральных схем // Тез. докладов Научной конференции профессорско - преподавательского состава. сотрудников, докторантов, аспирантов, студентов, посвященной 30-летию деятельности коллектива БГУИР. - Мн.:, 1994, часть 1.- С. 113.

32. Боровой В.В., Дворников О.В., Духновский Л.Я., Мельничук

B.В. Исследование токовой зависимости напряжения Эрли биполярных интегральных транзисторов // Радиотехника и электроника,- Мн.:, 1986. - Вып. 15. - С. 121-124.

33. Дворников О.В. Микросборка сверхсогласованных высокочастотных кремниевых п-р-п транзисторов НТ011 // Электронная промышленность. - 1992, N 1.- С. 29-30.

34. Дворников О.В. Уменьшение искажений в двухтактном выходном каскаде // Техника средств свями. Сер. РИТ.-Мн.:, 1992. - Вып. Г». - С, 38-40. '

35. Дворников О.В., Реутович С.И., Миронов E.G., Глиндвич

C.А. Функционально полный комплект широкополосных интегральных микросхем // Электронная промышленность. - 1992, Н 6. - С. 47-50.

36. Дворников О.В., Алексеев В.Ф. Моделирование аналоговых интегральных схем с помощью программы Pspice / БГУИР.-Ми.:, 1994.

- 13 с. - Деп. в БелНИИТИ N 1257835.

37. Дворников О.В., Алексеев В.Ф. Оптимизация интегральных элементов для увеличения согласования их характеристик / ЕГУИР. -Мн 1994. - 5 с. - Деп. в БелНИИТИ N 1264598.

38. Хлопов Ю.Н., Алексеев В.Ф., Дворников О.В. и др. Разработать конструктивно-технологические методы влагсзащиты и объемно-напряженной посадки кристаллов интегральных схем // Отчет о НИР, гос. per. N 01850071719. - Мн.:, МРТИ, 1986. ДСП

39. Алексеев В.Ф., Дворников О.В., Просандеев Д.Е. и др. Исследование пути создания гибридной интегральной схемы

электрометрического усилителя для измерителя скорости ветра '/ Отчет о НИР,-roc. per. N 018900^3522. - Мн., МРТИ, 1991.

40. Образцов И.О., Алексеев В.Ф., Галузо В.Е., Дворников и.В. л др. Статистические и экспериментальные методы анализа и сиитеал конструкций РЗА и ИЭТ // Отчет о НИР. ГВ 79. - Т.1., 4.1, ч.З, гос. per. N 79012153. - Мн., МРТИ, 1985.

На правах рукописи Для служебного пользования эко.Н & Инв.Ы ЗЪ/551! ДСП

ДВОРНИКОВ Олег Владимирович

СХЕШЮ-ТОПОЛОШЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ ВАЗЫ АНАЛОГОВЫХ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ БИС/СБИС ЧАСТНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Специальность: 05.27.01 - Твердотельная электроника,

микроэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 18 .05.94 г. Формат 60x84 1/16 Объем 1,1 учл.печ.л. 1,0 уч.-иад.я. Тирад 80 экз.

Заказ 7 . Бесплатно

Отпечатано на ротапринте БГУИР, 220027, Минск, ул. П.Бровки, 6