Малошумящий интегральный усилитель

Министерство образования Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра КУДР Малошумящий интегральный усилитель Индивидуальное задание по дисциплине

" Проектирование микроэлектронных узлов"

Выполнили: студенты гр. з30р Е. П. Пронина Принял: доцент кафедры КУДР М.Н. Романовский

Задание малошумящий интегральный усилитель

1 Исходные данные источника сигнала:

1.1 Выходное сопротивление 50 Ом

1.2 Амплитуда 2 мкВ

2 Исходные данные усилителя:

2.1 Коэффициент усиления > 40 дБ

2.2 Полоса рабочих частот 2−3 ГГц

2.3 Сопротивление нагрузки 100 Ом

2.4 Питание однополярное +10 В

3 Условия эксплуатации:

3.1 Температура среды 27 єС

3.2 Влажность относительная 96% при 27 єС

4 Особые требования:

4.1 Реализовать усилитель в бескорпусном однокристальном исполнении

4.2 В качестве активных элементов использовать полевые транзисторы с затвором Шоттки (ПТШ) шириной не более 250 мкм

4.3 Обеспечить минимизацию дифференциального коэффициента шума в полосе рабочих частот

4.4 Минимальный топологический размер (проектная норма) — 0.2 мкм

5 Индивидуальное задание:

5.1 Исследовать влияние сопротивления затвор-исток на коэффициент шума и другие характеристики ПТШ

5.2 Разработать технологию изготовления кристалла

6 Содержание отчета: титульный лист, задание, введение, проектирование малошумящего полевого транзистора с затвором Шоттки, функциональное проектирование усилителя, разработка конструкции и топологии кристалла, разработка технологии изготовления кристалла, заключение, список литературы, приложения (при необходимости)

7 Конструкторская и технологическая документация:

7.1 Схема электрическая принципиальная

7.2 Топологические сборочный и послойный чертежи

7.3 Схема технологического процесса с профилями создаваемых структур

• Введение
• 1. Анализ технического задания
• 2. Проектирование малошумящего полевого транзистора с затвором Шоттки
• 2.1 Определение толщины обедненной области
• 2.2 Определение значения порогового напряжения перекрытия канала
• 3. Функциональное проектирование усилителя
• 3.1 Получение схемы электрической принципиальной
• 3.2 Исследование влияния входного сопротивления на коэффициент шума и другие характеристики ПТШ
• 4. Разработка конструкции и топологии кристалла
• 4.1 Расчет геометрических размеров пассивных элементов
• 4.1.1 Расчет геометрических размеров конденсаторов
• 4.1.2 Расчет геометрических размеров резисторов
• 4.2 Разработка топологии кристалла
• 5. Разработка технологии изготовления кристалла
• Заключение
• Список используемой литературы

Проектирование полупроводниковых интегральных микросхем (ИМС) является сложным и многоэтапным процессом. Проектирование включает в себя синтез и анализ схемы, оценку экономической обоснованности степени интеграции, расчет элементов, разработку топологии, выбор оптимального технологического процесса, расчет технико-экономических показателей производства. Методы проектирования полупроводниковых ИМС тесно связаны с технологией их изготовления. Совершенствование технологических процессов позволяет повысить степень интеграции, что неизбежно приводит к изменению методов проектирования.

Процесс проектирования полупроводниковых ИМС можно подразделить на следующие основные этапы:

1) составление технических требований;

2) выбор физической структуры;

3) разработка принципиальной электрической схемы;

4) разработка конструкции и топологии;

5) оформление документации.

Цель данной работы — освоение приемов и приобретение практических навыков в проектировании полупроводниковых ИМС на примере расчета малошумящего интегрального усилителя.

1. Анализ технического задания

В результате выполнения индивидуального задания должны получить малошумящий усилитель реализованный на полевом транзисторе с затвором Шоттки, который удовлетворял бы заданные технические требования. Проектируемый усилитель может быть выполнен на одном или двух каскадах, в зависимости от того при скольких каскадах будет обеспечен коэффициент усиления. При проектировании усилителя нужно обеспечить минимальный коэффициент шума.

малошумящий интегральный усилитель транзистор

2. Проектирование малошумящего полевого транзистора с затвором Шоттки

2.1 Определение толщины обедненной области

Толщина обедненной области определяется:

(3.1)

где q - элементарный заряд (q=1.610^-19Кл);

_{0 -} диэлектрическая постоянная (₀=8.8510^-12);

— относительная диэлектрическая проницаемость (=3,9);

N - концентрация основных носителей заряда (N=110²⁴ м^-3);

V_b — контактная разность потенциалов барьера (V_b=0,8 В).

Подставив значения в формулу получим м

Определив исходную (без смещения на затворе) ширину области обеднения и сопоставив с толщиной эпитаксиального n-слоя (a_n=0,0410^-6м), получили, что ширина области обеднения меньше, значит нужно использовать транзистор с нормально открытым каналом.

2.2 Определение значения порогового напряжения перекрытия канала

Найдем значение порогового напряжения перекрытия канала с технологической толщиной a_k =0,0410^-6 м.

. (3.2)

Так как оптимальным диапазоном для напряжения отсечки считается диапазон 0.1V_и<|V_to|<0.25V_и, то для обеспечения требуемого значения |V_to| при выбранном напряжении источника питания V_и =10 В оставим эту толщину канала a_k =0,0410^-6 м.

3. Функциональное проектирование усилителя

3.1 Получение схемы электрической принципиальной

С помощью пакета Pspice получим двухкаскадный усилитель, отвечающий заданным требованиям. Для этого произведем подбор элементов схемы с целью обеспечения коэффициента усиления больше 40 дБ и с минимальным коэффициентом шума. В результате получим схему усилителя представленную на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 — Схема электрическая принципиальная усилителя.

На рисунках 4.2 и 4.3 представлены основные характеристики — коэффициент усиления и коэффициент шума усилителя.

Рисунок 4.2 — Зависимость коэффициента усиления от частоты в dB.

Рисунок 4.3 — Зависимость коэффициента шума от частоты в dB.

3.2 Исследование влияния входного сопротивления на коэффициент шума и другие характеристики ПТШ

Рисунок 4.4 — Зависимость коэффициента усиления от частоты от сопротивления затвор-исток в диапазоне от 180 до 260 Ом с шагом 20.

Рисунок 4.5 — Зависимость коэффициента шума от частоты от сопротивления затвор-исток в диапазоне от 180 до 260 Ом с шагом 20.

4. Разработка конструкции и топологии кристалла

4.1 Расчет геометрических размеров пассивных элементов

4.1.1 Расчет геометрических размеров конденсаторов

Пленочные конденсаторы представляют собой трехслойную М-Д-М структуру.

При функциональном проектировании усилителя получили следующие значения конденсаторов

.

Рассчитаем геометрические размеры конденсатора С1.

Примем разброс номиналов ДС=20%, расстояние между краями верхней и нижней обкладок ДL_вн=0,2 мкм, расстояние между краем диэлектрика и краем нижней обкладки ДL_дн=0,2 мкм, погрешность линейных размеров dL_vn=0,2 мкм. В качестве диэлектрика выберем SiO₂.

Рассчитаем минимальную толщину диэлектрика:

(5.1)

где k_z — коэффициент запаса (2ч3);

U_p — рабочее напряжение (В);

E_d — электрическая прочность диэлектрика (6· 10⁸ В/м).

.

Так как данное значение толщины диэлектрика не может быть получено, то выберем в качестве толщины минимально возможное значение .

(5.2)

Найдем погрешность в геометрических размерах верхних обкладок конденсатора д_а:

(5.3)

(5.4)

где k_f — коэффициент формы.

Значение

обеспечивает заданное U_р и требуемое значение д_А. Емкость С₀ определяет геометрические размеры конденсатора.

Найдем площадь конденсатора А_во по формуле:

(5.5)

Найдем длину верхней обкладки L_во:

(5.6)

Длина нижней обкладки L_но:

(5.7)

Длина диэлектрика L_д:

. (5.8)

Аналогично рассчитаем геометрические размеры конденсатора по формулам (5.4) — (5.8) и получим:

.

Конденсатор С3

Конденсатор С4:

.

Конденсатор С5:

.

4.1.2 Расчет геометрических размеров резисторов

Проведем расчет поверхностного сопротивления N и N⁺ областей (R_n и R_n+).

(5.9)

где N — концентрация носителей в n слое;

q — заряд электрона;

— подвижность носителей в n и n+ слоях;

a_n — толщина эпитаксиального N слоя.

(5.10)

где N⁺ — концентрация носителей в n+ слое;

a_n+ — толщина эпитаксиального n+ слоя.

Подставляя численные значения получим:

Ом/Ў

Ом/Ў

Параметром, определяющим характеристики резисторов, является ширина, которая определяется: (5.11)

где b_{0 -} минимальная эффективная ширина, определяемая технологическими ограничениями;

b_{Р -} минимальная эффективная ширина, определяемая допустимой удельной рассеиваемой мощностью (Р₀);

b_{Т -} минимальная эффективная ширина, обеспечивающая заданную точность изготовления.

Определим минимальную эффективную ширину, воспользовавшись данными из таблицы приведенной в. Как видно из таблиццы b_эфф0=100· 10^-6 м, Дb_t=0,2· 10^-6 м. Погрешность в номиналах поверхностного сопротивления примем равной ДR_s=0.05, сопротивления ДR=0.2.

Рассчитаем геометрические размеры резистора R₁=100 Ом.

Определим b_Р:

(5.12)

где Р₀ — допустимая удельная мощность (Р₀ 5 Вт/мм²);

Р₁ — мощность рассеиваемая на резисторе R₁, определяемая:

(5.13)

Вт

м.

Определим b_Т:

(5.14)

.

Выберем максимальную ширину из трех возможных b_max1= b_Т.

Рассчитаем длину резистора:

(5.15)

.

Определим коэффициент формы резистора:

(5.16)

Воспользовавшись соотношениями (5.11) — (5.16) рассчитаем геометрические размеры всех остальных резисторов. Но для резистора R₃ будем использовать поверхностное сопротивление n+ слоя R_sn+, а для сопротивления R₂, R₄, R₅ и R₆ поверхностное сопротивление n слоя.

Резистор R₂ (100 Ом):

Резистор R₃ (43 Ом):

Резистор R₄ (350 Ом)

. .

м.

.

Резистор R₅ (350 Ом)

.

.

.

Резистора R_{6 (}110 Ом)

.

.

.

4.2 Разработка топологии кристалла

Наиболее важной стадией проектирования полупроводниковых ИМС является трансформация их электрической схемы в топологическую. Главное требование при разработке топологии — максимальная плотность упаковки элементов при минимальном количестве пересечений межэлементных соединений. При этом обеспечивается оптимальное использование площади кристалла при выполнении всех конструктивных и технологических требований и ограничений.

5. Разработка технологии изготовления кристалла

Кристалл выполняется на пластине n_i-n-n⁺ — GaAs. После того как исходную пластину химически обработали, стравливают n⁺ слой для формирования стоков, истоков, омических контактов и резистора R_{3 (}рисунок П2). С помощью второго шаблона стравливают n слой для получения остальных резисторов в этом слое (рисунок П3).

Для изоляции активных областей и получения слоя диэлектрика в конденсаторах наносим слой SiO₂ толщиной 0,05 мкм. Этот процесс происходит с применением шаблона изображенного на рисунок П4.

Защитный рельеф в слое SiO₂ (рисунок П5) позволяет травить канавки в GaAs до достижения толщины активной области под затвором, обеспечивающей необходимое напряжение перекрытия канала.

Затворы ПТШ формируются методом обратной фотолитографии. Напылению материала затвора (слой Ta-Au толщиной 1.2 мкм) предшествует травление канавок в GaAs (до достижения толщины активной области под затвором, обеспечивающей необходимое напряжение перекрытия канала). Одновременно с напылением в канавки, материал затвора осаждается на контактные площадки и проводники межэлементных соединений (первый слой металлизации (рисунок П6)). После этого производится отжиг структуры в среде азота при температуре 350 С в течение 5 минут.

Для создания второго слоя металлизации (соединения истоковых контактов и др.), сначала на всю поверхность пластины наносится SiO₂. После вскрытия окон (рисунок П7) над контактами напыляется слой V-Au, с помощью фоторезиста вскрываются окна над контактными площадками и проводниками межсоединений (рисунок П8). В окна осаждается слой золота толщиной 1.2 мкм и фоторезист удаляется.

Заключение

В ходе данной работы был спроектирован усилитель, обеспечивающий выполнение характеристик, описанных в задании. Усилитель обеспечивает усиление более чем на 40 дБ в полосе частот от 1 до 2 ГГц. Так же в ходе работы была разработана технология изготовления интегральной микросхемы и снабжена фотолитографическими шаблонами.

При проектировании малошумящего усилителя были изучены приемы схемотехнического проектирования в программе P Spice. Кроме того в работе были использованы следующие программные продукты: математический пакет MathCAD 2001, текстовый редактор Microsoft Word XP, система КОМПАС 3D LT и P-CAD 2001.

Список используемой литературы

1. Березин А. С., Мочалкина О. Р. Технология и конструирование интегральных микросхем. — М.: Радио и связь, 1992. — 320 с.

2. Черняев В. Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. — М.: Радио и связь, 1987. — 464 с.

3. Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия. — М.: Мир, 1991. — 632 с.

4. Разевиг В. Д. Применение программ P-CAD и PSPICE для схемотехнического моделирования на ПЭВМ. Выпуск 2. — М.: Радио и связь. — 1992. — 72 с.

5. Разевиг В. Д. Применение программ P-CAD и PSPICE для схемотехнического моделирования на ПЭВМ. Выпуск 3. — М.: Радио и связь. — 1992. — 120 с.